冻融循环作用后钢管混凝土界面黏结滑移本构模型研究学习体会

文献概况

曾在平等发表于2024年《建筑钢结构进展》第26卷第9期的这篇论文，针对北方寒冷地区钢管混凝土结构因冻融作用侵蚀而导致的力学性能劣化问题，通过冻融试验和推出试验，研究了冻融循环作用后钢管混凝土界面黏结滑移本构关系。该研究受2023年甘肃省高校青年博士支持项目（2023QB-104）和甘肃省住房和城乡建设厅2024年建设科技项目（JK2024-34）资助，由甘肃建筑职业技术学院、兰州理工大学、重庆大学和中国矿业大学联合完成。

核心技术要点解读

试验方案与关键参数

研究制作了钢管混凝土推出试件，考虑冻融循环次数、混凝土强度和钢管径厚比等参数。试验分为两个阶段：先进行冻融循环试验模拟寒冷地区的冻融侵蚀环境，再进行推出试验测定界面黏结性能。

界面黏结性能的关键发现

黏结应力分布与本构模型

研究通过钢管外壁密布应变计测量应变分布，发现界面黏结应力呈指数分布。作者对比分析了由荷载-滑移结合能量法理论推导所得的黏结应力分布函数，验证了其具有较高精度。在此基础上，构建了冻融循环作用后界面黏结应力-滑移三段式本构模型，并提出了相应特征值计算公式。

三段式本构模型通常包括：弹性上升段（从初始加载到峰值黏结强度）、软化段（从峰值到残余强度）和残余段（稳定滑移阶段）。冻融循环对各段的特征值产生系统性影响，具体表现为峰值强度降低、软化段斜率变化以及残余强度下降。

与钢管混凝土工程实践的关联

钢管混凝土（CFST）结构在北方寒冷地区的应用日益广泛，包括桥梁、建筑、输电塔等领域。冻融侵蚀是这类结构面临的主要耐久性威胁之一。从钢管制造和焊接的角度，需要考虑以下关键问题：

• 钢管焊接质量：钢管混凝土柱的钢管通常采用直缝焊接（LSAW或ERW/HFW），焊缝区域是冻融侵蚀的薄弱环节。焊缝热影响区的组织变化和残余应力可能加速冻融损伤的萌生和扩展。
• 钢管表面状态：钢管内壁的氧化皮、锈蚀产物以及焊接飞溅等都会影响钢管与混凝土之间的界面粘结。在冻融循环下，这些界面缺陷可能成为水分渗透和冰晶生长的优先通道。
• 钢管厚度选择：径厚比对界面黏结性能有显著影响——径厚比越大，黏结强度越低。这是因为厚壁钢管的刚度更大，在推出试验中变形更小，界面滑移更难发展。但在实际结构中，径厚比的选择还需要考虑钢管的局部稳定性和经济因素。

从混凝土的角度，冻融循环导致的混凝土劣化机制包括：

1. 水分在混凝土毛细孔中结冰膨胀，产生内应力；
2. 反复冻融导致混凝土表面剥落和内部微裂纹扩展；
3. 混凝土弹性模量和抗压强度逐渐降低；
4. 钢管-混凝土界面粘结性能退化。

关键疑问与深入思考

本文提出的三段式本构模型和特征值计算公式对于工程设计具有重要参考价值，但仍有以下问题值得深入探讨：

• 冻融循环次数与黏结性能退化之间的关系是否在所有冻融阶段都适用？在极端冻融条件下（如超过200次循环），是否会出现加速退化或突变现象？
• 本构模型是否考虑了冻融循环的速率效应？实际工程中的冻融速率与实验室标准冻融试验（如GB/T 50082中的快速冻融法）可能存在差异。
• 钢管表面的防腐涂层或镀锌层在冻融循环下的行为如何？涂层开裂或剥离是否会显著改变界面黏结性能？

从有限元分析的角度，将本文的本构模型集成到钢管混凝土结构的有限元模型中，需要解决以下技术难点：

• 界面单元的类型选择（接触对、内聚力单元还是非线性弹簧）；
• 本构模型参数在不同单元尺寸下的收敛性；
• 冻融损伤与力学荷载的耦合模拟。

学习心得与启示

本文的研究对于北方寒冷地区钢管混凝土结构的设计与评估具有重要的参考价值。冻融循环对钢管混凝土界面黏结性能的退化效应不容忽视，本文提出的三段式本构模型和特征值计算公式为工程设计提供了量化工具。对于从事钢管制造、焊接和钢管混凝土结构设计的工程师而言，本文提醒我们：在寒冷地区工程中，钢管-混凝土界面粘结性能的耐久性评估应作为结构设计的重要环节；钢管的焊接质量和表面状态对界面长期性能有显著影响，应在制造和施工过程中严格控制；钢管径厚比的选择需要在局部稳定性、界面粘结性能和经济性之间进行综合优化。本文的研究成果有望为相关设计规范的修订提供技术支撑，推动钢管混凝土结构在寒冷地区的更安全、更经济的应用。