UHPC外包层钢管界面黏结抗剪性能非线性分析的学习体会

文献概况与研究意义

本文出自福建省交通规划设计院有限公司与福州大学土木工程学院，发表于《重庆交通大学学报（自然科学版）》2025年第44卷第5期，页码8-18。研究获得国家自然科学基金项目（51978169）、福建省科技计划项目（2021H6021）以及福建省交通运输科技项目（202211）资助。

UHPC（超高性能混凝土）外包层-钢管界面黏结抗剪性能是UHPC加固钢管结构中的核心问题。在桥梁工程中，钢管混凝土桥墩、钢管桁架结构等构件的加固改造需求日益增长，UHPC外包层作为一种新型加固手段，其界面黏结性能直接决定了加固效果与结构安全。

有限元模型与材料本构

精细化建模策略

本文采用ABAQUS建立了UHPC外包层-钢管界面试件的精细化实体有限元模型，对试件各组成部分的材料本构模型和接触关系进行了详细讨论。与试验结果的对比验证了所建立有限元模型的有效性，这一验证过程是有限元分析可信度的基础。

在材料本构方面，UHPC作为脆性材料，其应力-应变关系通常采用双折线或多折线模型来描述；钢管则采用弹塑性本构模型，考虑各向同性强化或随动强化。界面接触关系是模型的关键，需要合理设置法向接触和切向摩擦参数，以准确模拟界面滑移与剥离行为。

界面构造措施的影响

本文研究了不同界面构造措施对UHPC外包层-钢管界面黏结抗剪性能的影响。核心发现是：达到界面承载力时，UHPC外包层-钢管普通界面只剩下摩擦力抵抗界面剪力，而设抗剪连接件界面试件则存在摩擦力和机械咬合力共同抵抗界面剪力。这一结论清晰地揭示了抗剪连接件在界面黏结中的关键作用。

栓钉对提高界面极限黏结抗剪强度的效果最佳，这是因为栓钉通过穿透钢管壁与UHPC层形成机械锚固，提供了额外的抗剪承载力。当外包UHPC层厚度小于40 mm时，可采用竖向钢筋或环向钢筋作为界面的抗剪连接件，这一结论为工程实践中的构造设计提供了明确的指导。

参数分析与承载力计算

参数影响规律

钢管外径增大导致黏结抗剪强度减小的现象值得深入思考。从力学角度分析，钢管外径增大意味着钢管弯曲刚度增大，在相同荷载下钢管变形较小，界面滑移量减小，摩擦力和机械咬合力的发挥程度降低，从而导致极限黏结抗剪强度下降。这一规律在工程实践中具有重要指导意义——对于大直径钢管，仅依靠界面摩擦可能不足以提供足够的抗剪承载力，需要增设抗剪连接件。

简化计算方法

本文根据有限元参数分析结果，提出了采用不同界面构造措施的UHPC外包层-钢管界面黏结抗剪强度简化计算方法。这一简化计算方法对于工程设计具有重要的实用价值，能够在不依赖复杂有限元分析的情况下快速估算界面承载力。

从工程应用角度看，简化计算方法需要考虑以下关键因素：UHPC的抗压强度和抗拉强度、钢管的壁厚和外径、抗剪连接件的类型、直径和间距、外包层的厚度等。在实际设计中，还需考虑施工条件、环境因素（如温度、湿度、腐蚀）以及长期荷载作用下的界面性能退化。

工程实践应用与关键思考

桥梁加固中的应用场景

UHPC外包层-钢管界面黏结抗剪性能的研究直接服务于桥梁加固工程。在钢管混凝土桥墩加固、钢管桁架结构修复以及既有钢管结构承载力提升等场景中，UHPC外包层的应用日益增多。界面黏结抗剪性能是决定加固效果的关键因素之一，需要结合结构受力状态、环境条件和施工可行性进行综合评估。

施工质量控制要点

从施工质量控制角度看，UHPC外包层-钢管界面黏结抗剪性能的实现依赖于以下关键工序：钢管表面的除锈与粗糙化处理、抗剪连接件的焊接质量、UHPC的配合比与浇筑工艺、养护条件的控制等。其中，钢管表面的处理质量直接影响界面摩擦系数，抗剪连接件的焊接质量决定机械咬合力的发挥程度。

值得进一步探讨的问题

本文的研究主要基于有限元参数分析，试验验证相对有限。UHPC外包层-钢管界面在长期荷载、疲劳荷载以及腐蚀环境下的黏结性能退化规律值得深入研究。此外，不同钢管材质（如碳钢、不锈钢、合金钢）与UHPC的界面黏结性能差异、UHPC配合比变化对界面性能的影响以及界面黏结性能与整体结构性能之间的关联，都是后续研究的重要方向。

学习心得

本文通过精细化有限元分析系统研究了UHPC外包层-钢管界面的黏结抗剪性能，揭示了不同界面构造措施下界面承载机理的差异，并提出了实用的简化计算方法。栓钉作为最有效的抗剪连接件，其机械锚固作用在界面承载力中占据主导地位。对于大直径钢管或薄外包层的情况，仅依靠界面摩擦可能不足以保证足够的抗剪承载力，必须增设抗剪连接件。简化计算方法的提出为工程设计提供了便捷的工具，但工程实践中仍需结合具体结构条件、环境因素和施工可行性进行综合判断，确保加固效果满足设计要求。