组合式十字形钢管混凝土柱轴压力学性能试验研究学习体会

文献概况与创新点

本文发表于《工业建筑》2023年第53卷第2期，由华东交通大学轨道交通基础设施性能监测与保障国家重点实验室与土木建筑学院合作完成，受国家自然科学基金项目（51378206）和江西省自然科学基金重点项目（20171BAB216044）资助。研究基于钢筋混凝土异形柱的设计思路，提出了一种组合式十字形钢管混凝土柱，利用方钢管和槽钢焊接形成多腔室截面，通过5个试件的轴心受压试验，系统考察了该新型截面形式的破坏形态、承载力和延性。

截面形式与构造特点

组合式十字形钢管混凝土柱的创新之处在于将方钢管和槽钢焊接组合成多腔室截面，这种构造既继承了钢管混凝土的约束效应优势，又通过多腔室设计实现了截面刚度的各向同性，避免了传统十字形柱在弱轴方向承载力不足的问题。试件以长度和截面形式为主要参数，共设计制作5个试件。

试验结果表明，钢管对混凝土约束良好，该组合形式有效提高了十字形异形柱的承载力并改善了其延性。相同截面形式的组合式十字形钢管混凝土极限承载力随着柱高的增加略有下降，这符合结构力学中长细比对稳定承载力的影响规律。相同柱高、不同截面形式的钢管混凝土柱，随着柱肢长度的增加，其极限承载力显著增加，说明截面尺寸是控制承载力的主要因素。

破坏形态与焊接质量

组合式十字形钢管混凝土试件最终破坏形态为沿试件长度方向分布多个较小鼓曲，这一特征表明钢管对混凝土的约束作用在整个试件长度范围内均有效发挥作用。与传统实心截面柱的集中鼓曲不同，多腔室截面使得荷载分布更为均匀，约束效应更为充分。

从焊接工艺角度分析，该柱型的制作涉及方钢管与槽钢的焊接组合，焊缝质量直接影响柱的整体力学性能。方钢管与槽钢的连接焊缝通常采用角焊缝或坡口焊缝，焊缝形式和焊接参数需根据截面尺寸和受力要求合理选择。在焊接过程中，需特别注意以下问题：一是焊接变形控制，多腔室截面的焊接变形可能导致截面几何形状偏差，影响约束效应；二是焊缝质量，特别是槽钢与方钢管的连接焊缝，若存在未熔合或裂纹等缺陷，将削弱约束作用，降低柱的承载力和延性；三是焊接残余应力，残余应力可能影响柱的稳定承载力，对于厚壁截面建议进行焊后热处理。

承载力公式与工程应用

研究在现行规范的基础上，提出了组合式十字形钢管混凝土柱轴压承载力计算公式，根据该公式计算所得理论值与试验值吻合较好。这一成果为组合式十字形钢管混凝土柱的工程设计提供了计算依据，填补了该新型截面形式设计公式的空白。

在工程应用层面，组合式十字形钢管混凝土柱适用于需要较大截面刚度且要求各向同性受力的结构，如轨道交通桥梁的桥墩、大型厂房的柱等。对于这类结构，柱的承载力、刚度和延性均需满足设计要求，组合式十字形钢管混凝土柱的多腔室构造能够较好地满足这些要求。然而，在实际工程实施中，还需考虑以下因素：一是多腔室截面的混凝土浇筑质量，需确保混凝土在腔室内的密实度；二是腔室内混凝土的养护条件，腔室封闭可能导致养护困难；三是焊接节点的防腐处理，多腔室截面的焊接节点较多，防腐处理工作量较大。

总体而言，该研究提出了一种具有创新性的钢管混凝土柱截面形式，通过试验验证了其优异的力学性能，并提出了承载力计算公式。对于从事钢管混凝土结构设计与施工的技术人员而言，该文献提供了重要的技术参考，组合式十字形截面在特定工程场景下具有广阔的应用前景。