方钢管混凝土密柱型抗震加固体系试验的学习体会

文献概况与研究价值

本文发表于《沈阳建筑大学学报（自然科学版）》2012年第28卷第1期，由沈阳建筑大学土木工程学院张绍武等学者完成，受国家自然科学基金项目（10902073）资助。研究通过对增设方钢管混凝土密柱型抗侧力加固体系的双榀框架结构进行拟静力试验，验证了该体系的抗震性能。作为钢管焊接与结构成型领域的技术人员，我重点关注了方钢管的焊接工艺、混凝土约束效应以及焊接接头在低周反复荷载下的性能退化问题。

方钢管混凝土柱的制造工艺与焊接要点

方钢管混凝土柱是将混凝土浇筑在方钢管内部形成的组合构件，其制造工艺涉及以下关键环节：

方钢管的焊接接头在抗震加固体系中承担着传递剪力和弯矩的关键作用。从焊接工艺角度，方钢管的焊接具有以下特点：

• 角部应力集中：方钢管的角部是应力集中区域，焊接时容易产生角裂纹。建议采用合理的坡口形式（如双V型坡口）和焊接顺序，减少角部残余应力。
• 全位置焊接：方钢管节点通常为全位置焊接，焊接难度较大。建议采用GTAW打底+SMAW或FCAW填充盖面的组合工艺，确保焊缝质量。
• 热输入控制：方钢管壁厚较薄时，热输入过大可能导致烧穿或变形。建议采用多层多道焊，控制每道焊的热输入在10～20kJ/mm范围内。

拟静力试验结果与焊接性能分析

文中试验结果表明：

• 滞回曲线形状饱满：方钢管混凝土柱表现出良好的滞回特性，说明焊接接头在低周反复荷载下具有较好的能量耗散能力。从焊接冶金角度，这与焊接接头的韧性有关。若焊接接头存在脆性相（如马氏体），滞回曲线可能出现捏缩现象。
• 协同工作性能良好：抗侧力体系和原框架的协同工作性能良好，说明焊接接头的刚度匹配合理。焊接接头的刚度与母材的刚度比值应在0.8～1.0范围内，以确保协同工作。
• 钢管延性系数均大于4：方钢管表现出较强的变形能力。从焊接角度，延性系数与焊接接头的韧性密切相关。建议对焊接接头进行冲击试验，确保冲击吸收能量≥27J（-20℃）。
• 原框架承载力提高约18%：抗侧力体系显著提高了原框架的承载能力。焊接接头的承载能力应不低于原框架柱的承载能力，以确保加固效果。

焊接接头在低周反复荷载下的性能退化

低周反复荷载是模拟地震作用的重要方法，焊接接头在反复荷载下的性能退化是抗震设计的关键问题。从焊接冶金角度，焊接接头在低周反复荷载下可能发生以下退化机制：

1. 疲劳裂纹萌生与扩展：焊接缺陷（如微裂纹、夹杂物）在反复荷载下萌生疲劳裂纹，并逐渐扩展。
2. 循环软化：HAZ区域在反复荷载下发生循环软化，导致承载能力下降。
3. 蠕变松弛：在高温或长期荷载作用下，焊接接头发生蠕变松弛，导致刚度退化。
4. 氢致延迟裂纹：焊接残余氢在反复荷载作用下可能导致延迟裂纹。

为减少焊接接头在低周反复荷载下的性能退化，建议采取以下措施：

• 焊接工艺优化：采用低氢焊接材料，控制层间温度，减少焊接残余氢。
• 焊后消氢处理：焊后立即进行消氢处理（250～350℃，保温2～4小时），消除焊接残余氢。
• 焊后热处理：对关键焊接接头进行焊后热处理，消除残余应力，改善HAZ组织。
• 焊接缺陷控制：严格控制焊接缺陷，特别是未熔合、裂纹等致命缺陷。

工程实践中的焊接质量控制建议

基于本文的研究结论，结合焊接工程实践，提出以下质量控制建议：

1. 焊接工艺评定：对方钢管混凝土柱的焊接接头进行焊接工艺评定，确定合适的焊接参数，并进行焊后力学性能试验（拉伸、弯曲、冲击）。
2. 无损检测：对接焊缝进行100%RT或UT检测，角焊缝进行MT检测。对于关键节点，建议增加PAUT检测，以提高检测灵敏度。
3. 焊接人员资质：焊接操作人员应持有相应资质的焊工证，并定期进行技能考核。
4. 焊接环境控制：焊接环境温度应不低于5℃，相对湿度不超过90%，风速不超过2m/s。必要时采取防风、保温措施。

学习心得与启示

本文的试验研究验证了方钢管混凝土密柱型抗震加固体系的有效性。从焊接技术角度看，焊接接头的质量直接决定加固体系的抗震性能。在实际工程中，我们应当将焊接质量控制与抗震性能分析相结合，从焊接工艺优化、无损检测到焊后热处理，建立全过程的质量管控体系。

未来，建议在抗震加固体系的设计中引入焊接接头性能退化模型，建立考虑焊接因素的抗震分析模型，以更准确地预测加固体系在地震作用下的性能。这对于提高既有建筑抗震加固的安全性、延长使用寿命具有重要的工程价值。