高温喷水冷却后方钢管高强混凝土界面黏结性能学习体会

文献概况与研究意义

本文由广西大学陈宗平、周济、陈建佳、周星宇四位学者于2020年发表于《华南理工大学学报（自然科学版）》第48卷第9期，受国家自然科学基金（51268004）、广西自然科学基金重点项目（2016GXNSFDA380032）和八桂学者专项经费资助。研究通过22个试件的静力推出试验，揭示了高温喷水冷却后方钢管高强混凝土界面的黏结失效机理，分析了混凝土强度、历经最高温度、锚固长度、恒温时长和冷却方式的影响，并提出了极限黏结强度和残余黏结强度的计算公式。

钢管混凝土结构在火灾工况下的性能退化是结构安全评估的重要课题。钢管在高温下强度显著下降，混凝土在高温下也会发生爆裂和强度损失。喷水冷却作为常用的火灾灭火手段，虽然能快速降低结构温度，但剧烈的温度梯度变化会在钢管与混凝土界面产生复杂的应力状态，影响界面黏结性能。从钢管制造与焊接的角度来看，界面黏结性能的退化直接关系到钢管混凝土构件在火灾后的剩余承载力和修复可行性。

试验设计与关键参数

本研究设计了22个试件，其中18个喷水冷却试件和4个自然冷却试件，主要考虑以下参数变量：

方钢管高强混凝土试件的制备涉及方钢管的制造质量。方钢管通常采用钢板冷弯成型后焊接而成，焊缝位于四个棱边。焊缝区域的几何特征（如余高、错边量）和冶金状态（如热影响区晶粒粗化）都会影响界面黏结性能。在高温作用下，焊缝区域由于热应力集中，可能成为界面黏结退化的起始位置。

高温喷水冷却后的界面黏结性能分析

本文的核心发现揭示了高温喷水冷却后方钢管高强混凝土界面黏结性能的复杂变化规律：

1. 荷载-滑移曲线特征：加载端与自由端的荷载-滑移曲线可分为两类典型曲线，反映了界面黏结破坏的不同模式。加载端通常表现为剪切破坏，自由端则表现为剥离破坏。
2. 温度效应：黏结强度随历经最高温度的升高先增大后减小。在200~400°C范围内，由于钢管表面氧化层增厚和混凝土脱水产生的微裂缝，界面机械咬合作用增强，黏结强度有所提高。超过600°C后，混凝土严重脱水碳化，钢管强度大幅降低，黏结强度显著下降。
3. 混凝土强度效应：黏结强度随混凝土强度的增大而增大，这符合高强混凝土与钢管之间更强的机械咬合和化学黏结作用。
4. 锚固长度效应：黏结强度随锚固长度的增大而减小，这是典型的长度效应，反映了黏结应力沿锚固长度的非均匀分布。
5. 冷却方式效应：与自然冷却相比，喷水冷却试件的极限黏结强度、残余黏结强度与剪切黏结刚度均较小，但界面耗能能力较大。这一发现具有重要的工程意义——喷水冷却虽然降低了界面黏结强度，但增大了界面的耗能能力，有利于结构在火灾后的延性响应。

钢管焊接质量对火灾后界面性能的影响

从钢管制造与焊接工艺的角度深入分析，焊缝区域在高温喷水冷却后的界面黏结行为具有以下特殊性：

方钢管的焊接工艺对火灾后界面黏结性能的影响不容忽视。建议采用低热输入焊接工艺（如TIG打底+SAW填充盖面），控制线能量在1.0~2.0 kJ/mm以内，以减小热影响区的晶粒粗化程度。焊后应进行消应力退火处理（600~650°C，保温2h），以改善焊缝区域的力学性能。

本文的研究为钢管混凝土结构的火灾后性能评估提供了重要的试验数据和理论公式。从钢管制造企业的角度来看，应重视钢管产品在火灾工况下的焊接接头性能，在焊接工艺评定中增加高温模拟试验环节，确保焊缝区域在高温喷水冷却后仍能保持足够的界面黏结性能。