冻融循环作用后圆钢管混凝土界面粘结性能试验研究.pdf

第 45 卷第 4 期2023 年 8 月Vol.45 No.4Aug.2023土 木 与 环 境 工 程 学 报（中 英 文）Journal of Civil and Environmental Engineering冻融循环作用后圆钢管混凝土界面粘结性能试验研究李星儿1,苗吉军1,曾在平2,陈超3（1.青岛理工大学 土木工程学院，山东 青岛 266033；2.甘肃建筑职业技术学院，兰州 730050；3.长沙华艺工程设计有限公司，长沙 410116）摘要：为研究冻融循环作用后圆钢管混凝土界面粘结滑移性能，以冻融循环次数、钢管壁厚、混凝土强度为变量，设计 21个试件进行推出试验，分析冻融损伤后圆钢管混凝土柱粘结强度、荷载滑移及钢管应变的变化规律。结果表明：经冻融循环作用后圆钢管混凝土柱的荷载滑移曲线与未经冻融试件趋势相似，均可分为上升段、下降段、残余段；受冻融循环作用影响的圆钢管混凝土柱界面粘结性能下降，粘结强度与冻融循环次数成反比，界面滑移量总体呈上升趋势；增大套箍系数可增大试件界面粘结强度，提高圆钢管混凝土柱抗冻性能。根据试验结果，提出考虑冻融循环次数和套箍系数的圆钢管混凝土柱粘结强度计算表达式，计算结果与试验结果吻合良好。关键词：钢管混凝土柱；冻融循环；粘结滑移；粘结强度；组合结构中图分类号：TU398.9；TU317.1 文献标志码：A 文章编号：2096-6717（2023）04-0114-10Experimental study on interfacial bonding properties of circular steel tube concrete columns after freeze-thaw cyclesLI Xinger1，MIAO Jijun1，ZENG Zaiping2，CHEN Chao3(1.School of Civil Engineering,Qingdao University of Technology,Qingdao 266033,Shandong,P.R.China；2.Gansu Vocational College of Architecture,Lanzhou 730050,P.R.China；3.Changsha Huayi Engineering Design Co.,Ltd,Changsha 410116,P.R.China)Abstract:In order to study the bond slip behavior of round steel tube concrete column after freeze-thaw cycle,a total of 21 specimens were designed to carry out the push test,taking the number of freeze-thaw cycles,steel tube wall thickness and strength of concrete as variables.The variation laws of bond strength,load-slip and strain of round steel tube concrete column under freeze-thaw damage were analyzed.The test results show that the load-slip curves of the circular steel tube concrete columns subjected to freeze-thaw cycles are similar to those of the specimens without freeze-thaw cycles,which can be divided into ascending section,descending section and residual section.Under the influence of freeze-thaw cycles,the interfacial bond performance of concrete column with round steel tube decreases,the bond strength is inversely proportional to the number of DOI：10.11835/j.issn.2096-6717.2021.175收稿日期：20210525基金项目：2020年度高等学校创新基金（2020A-235）作者简介：李星儿（1996-），女，主要从事钢管混凝土组合结构研究，E-mail：。苗吉军（通信作者），男，教授，E-mail：msyu_。Received:20210525Foundation items:2020 Higher Education Innovation Fund(No.2020A-235)Author brief:LI Xinger(1996-),main research interest:concrete-filled steel tube composite structure,E-mail:.MIAO Jijun（corresponding author）,professor,E-mail:msyu_.开放科学（资源服务）标识码OSID:freeze-thaw cycles,and the interfacial slip generally increases.The increase of the hoop coefficient can increase the interfacial bond strength and improve the frost resistance of the concrete column of round steel tube.According to the test results,a formula for calculating the bond strength of concrete column with round steel tube considering the number of freeze-thaw cycles and the hoop coefficient is proposed,and the calculated results are in good agreement with the test results.Keywords:round steel pipe concrete column；freeze-thaw cycle；bond slip；bond strength；composite structures因承载力高、延性好等优点2-4，钢管混凝土结构1被广泛应用于桥梁、海港等领域5-7。为保证建筑结构在不同服役环境中正常工作，有关结构界面粘结性能的研究一直备受关注。陈宗平等8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对高温喷水冷却后钢管高强混凝土界面粘结性能的影响，并提出界面粘结强度的计算公式；Lu 等9探讨了混凝土龄期对钢纤维自应力自密实钢管混凝土柱界面粘结性能的影响，试验表明，混凝土龄期可提高钢管混凝土柱界面粘结强度；Yu等10以钢渣混凝土自应力、径厚比及约束因子为参数，研究了自应力钢渣钢管混凝土的粘结滑移性能，并提出了简化的三阶段粘结滑移本构关系；Dong 等11对不同构造的大型高强度圆钢管混凝土柱进行了推出试验，得到了基于多参数的预测荷载滑移曲线；Sindhuja等12采用低密度混凝土填充加劲圆钢管混凝土柱，对其粘结强度进行了试验与数值分析，结果表明，低密度混凝土可提高界面粘结强度；Li等13提出了考虑荷载传递边界衰减效应的分析模型，探讨了钢管混凝土界面粘结滑移的非线性分布。中国地域辽阔，北方地区冬季较寒冷，结构冻融损伤普遍存在14-16，随着钢管混凝土结构在实际工程中的广泛应用17-19，严寒条件下结构的耐久性问题也成为学者们关注的焦点。钢管混凝土结构界面粘结力是保证两者共同工作的重要前提，因此，开展冻融循环作用后钢管混凝土结构界面粘结性能的研究尤为重要。黄梦迪20对冻融循环作用后方钢管混凝土试件的粘结滑移性能进行了试验研究，结果表明，界面粘结强度随着冻融循环次数增加、试件长细比增大、钢管宽厚比增大而减小，并进一步提出了冻融循环作用后钢管混凝土粘结应力滑移本构关系。但研究仅分析了方钢管混凝土柱，未分析混凝土强度对界面粘结性能的影响。笔者以冻融循环次数、钢管壁厚、混凝土强度为主要参数，设计 21个圆钢管混凝土柱进行推出试验，分析各因素对界面粘结强度的影响规律，提出冻融循环作用后圆钢管混凝土柱界面粘结强度计算公式，以期为严寒地区钢管混凝土结构的有关设计提供参考。1试验概况1.1试件设计与制作试验变量为冻融循环次数、钢管壁厚、混凝土强度，共设计 21 个推出试件，试件设计具体参数如表 1 所示。其中，冻融循环次数分别设定为 0（对照组）、50、100、200、300 次。试验均采用内径 D0=92 mm 的 Q235 无缝圆钢管，钢管外径 D 分别为 100、98、96 mm，材性试验结果如表 2所示。试件锚固长度 la取为钢管外径的 3倍21，试件高度 l均为 340 mm。核心混凝土采用 P O 42.5 水泥表 1试件设计参数Table 1Design parameters of specimens注：TC表示推出试验；t为钢管壁厚；n为试件冻融循环次数；为套箍系数21。第 4 期李星儿，等：冻融循环作用后圆钢管混凝土界面粘结性能试验研究freeze-thaw cycles,and the interfacial slip generally increases.The increase of the hoop coefficient can increase the interfacial bond strength and improve the frost resistance of the concrete column of round steel tube.According to the test results,a formula for calculating the bond strength of concrete column with round steel tube considering the number of freeze-thaw cycles and the hoop coefficient is proposed,and the calculated results are in good agreement with the test results.Keywords:round steel pipe concrete column；freeze-thaw cycle；bond slip；bond strength；composite structures因承载力高、延性好等优点2-4，钢管混凝土结构1被广泛应用于桥梁、海港等领域5-7。为保证建筑结构在不同服役环境中正常工作，有关结构界面粘结性能的研究一直备受关注。陈宗平等8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对高温喷水冷却后钢管高强混凝土界面粘结性能的影响，并提出界面粘结强度的计算公式；Lu 等9探讨了混凝土龄期对钢纤维自应力自密实钢管混凝土柱界面粘结性能的影响，试验表明，混凝土龄期可提高钢管混凝土柱界面粘结强度；Yu等10以钢渣混凝土自应力、径厚比及约束因子为参数，研究了自应力钢渣钢管混凝土的粘结滑移性能，并提出了简化的三阶段粘结滑移本构关系；Dong 等11对不同构造的大型高强度圆钢管混凝土柱进行了推出试验，得到了基于多参数的预测荷载滑移曲线；Sindhuja等12采用低密度混凝土填充加劲圆钢管混凝土柱，对其粘结强度进行了试验与数值分析，结果表明，低密度混凝土可提高界面粘结强度；Li等13提出了考虑荷载传递边界衰减效应的分析模型，探讨了钢管混凝土界面粘结滑移的非线性分布。中国地域辽阔，北方地区冬季较寒冷，结构冻融损伤普遍存在14-16，随着钢管混凝土结构在实际工程中的广泛应用17-19，严寒条件下结构的耐久性问题也成为学者们关注的焦点。钢管混凝土结构界面粘结力是保证两者共同工作的重要前提，因此，开展冻融循环作用后钢管混凝土结构界面粘结性能的研究尤为重要。黄梦迪20对冻融循环作用后方钢管混凝土试件的粘结滑移性能进行了试验研究，结果表明，界面粘结强度随着冻融循环次数增加、试件长细比增大、钢管宽厚比增大而减小，并进一步提出了冻融循环作用后钢管混凝土粘结应力滑移本构关系。但研究仅分析了方钢管混凝土柱，未分析混凝土强度对界面粘结性能的影响。笔者以冻融循环次数、钢管壁厚、混凝土强度为主要参数，设计 21个圆钢管混凝土柱进行推出试验，分析各因素对界面粘结强度的影响规律，提出冻融循环作用后圆钢管混凝土柱界面粘结强度计算公式，以期为严寒地区钢管混凝土结构的有关设计提供参考。1试验概况1.1试件设计与制作试验变量为冻融循环次数、钢管壁厚、混凝土强度，共设计 21 个推出试件，试件设计具体参数如表 1 所示。其中，冻融循环次数分别设定为 0（对照组）、50、100、200、300 次。试验均采用内径 D0=92 mm 的 Q235 无缝圆钢管，钢管外径 D 分别为 100、98、96 mm，材性试验结果如表 2所示。试件锚固长度 la取为钢管外径的 3倍21，试件高度 l均为 340 mm。核心混凝土采用 P O 42.5 水泥表 1试件设计参数Table 1Design parameters of specimens试件编号TC2-30-0TC2-30-50TC2-30-100TC2-30-200TC2-30-300TC2-50-0TC2-80-0TC3-30-0TC3-30-50TC3-30-100TC3-30-200TC3-30-300TC3-50-0TC3-80-0TC4-30-0TC4-30-50TC4-30-100TC4-30-200TC4-30-300TC4-50-0TC4-80-0混凝土强度C30C30C30C30C30C50C80C30C30C30C30C30C50C80C30C30C30C30C30C50C80t/mm222222233333334444444n050100200300000501002003000005010020030000D/t48.0048.0048.0048.0048.0048.0048.0032.6732.6732.6732.6732.6732.6732.6725.0025.0025.0025.0025.0025.0025.001.171.171.171.171.170.810.541.841.841.841.841.841.270.842.332.332.332.332.331.601.07注：TC表示推出试验；t为钢管壁厚；n为试件冻融循环次数；为套箍系数21。115第 45 卷土 木 与 环 境 工 程 学 报（中 英 文）制备，混凝土强度等级分别为 C30、C50、C80，进行28 d 标准养护；同条件下制备并养护 150 mm150 mm150 mm 混凝土立方体，根据立方体试块混凝土强度等级的不同，分为 3 组，每组 3 个试块，测得其抗压强度。配合比与实测立方体抗压强度平均值见表 3。试件制作时，为准确预留长度 40 mm 空隙，在钢管一端放置厚度 40 mm、直径与钢管内径相同的泡沫板。事先将泡沫板用胶带包裹，避免泡沫粘结混凝土，对试验结果产生影响；并对试件底部进行密封，避免混凝土渗漏。1.2试验方法1.2.1冻融循环试验对试件完成 28 d 养护后，根据文献22中规定的快冻法对进行冻融循环试验。冻融循环试验设备采用水冻水融法，圆钢管混凝土试件放置于冻融试验箱内的橡胶桶（100 mm100 mm400 mm）中，清水没过试件 5 mm，制冷剂作为循环介质。冻融循环试验完成后，试件未出现局部变形或开裂。1.2.2试验加载及量测内容推出试验在 30 t 万能试验机上进行。为避免偏心加载，加载前将试件两端打磨平整，确保加载时试件两端受力面与钢管纵向轴线垂直。核心混凝土与钢管平齐的一端定义为加载端，其两侧垂直安放位移计，测量加载端核心混凝土滑移；具有 40 mm 空钢管的一端定义为自由端。在试件下方放置中心预留孔洞的支座，便于位移计测量混凝土自由端位移，并在支座上表面放置位移计，排除支座位移的影响。试件加载时，外荷载通过直径为 90 mm 的圆形钢垫块进行荷载传递，用墨线确定位置，使垫块中心、试件纵向轴线、支座中心保持在同一直线，并与两端加载板垂直。为保证试验仪器与试件紧密压实，预加载至 5 kN，预加载期间不记录数据。试验采用分级加载制，每级荷载增量为预期极限荷载的 5%，持荷时间约为 23 min，荷载达到极限荷载的 70%后，慢速连续加载，直到自由端核心混凝土达到预期位置，最大滑移为 30 mm。试验量测内容包括试件界面相对滑移量、粘结荷载及钢管不同高度应变值。粘结荷载、钢管应变分别通过万能试验机的力学传感器及沿钢管壁纵向分布的应变片测得，应变片的布置如图 1所示。2试验结果与分析2.1试验现象观察试验过程，发现经冻融循环作用的试件与未经冻融的试件试验现象相似。加载初期，加载端位移计数值很小，自由端位移计无变化，即加载端混凝土有微小变形，局部界面胶结力破坏，自由端核心混凝土与钢管之间无相对滑移。随着荷载的表 2钢材材性Table 2Mechanical properties of steels组别TC2TC3TC4厚度t/mm234弹性模量Es/GPa191185195泊松比 0.2910.2870.289屈服强度fy/MPa319331311极限强度fu/MPa474456430延伸率/%19.518.718.9表 3混凝土配合比及抗压强度Table 3The mix ratio and compressive strength of concrete强度等级C30C50C80水胶比W/C0.520.340.25材料用量/(kgm-3)水泥300470468水165160150硅灰42矿粉5090砂675590625石1 2401 1801 025减水剂3.854.7028 d立方体抗压强度fcu/MPa36.252.578.9轴心抗压强度fc21/MPa24.2535.1852.86图 1应变片布置示意图（单位：mm）Fig.1Arrangement diagram of strain gauges(Unit:mm)增加，自由端位移计数值产生变化，试件整体发生微小滑移，界面胶结力全部破坏，认为以阶段外荷载主要靠机械咬合力承担。到达粘结破坏荷载 Pu时，突然出现“嘭”的声，位移计读数变化迅速，荷载明显下降，核心混凝土整体与钢管出现相对滑移，试件发生粘结破坏，此时钢管与混凝土界面大部分机械咬合力丧失，摩擦力起主要作用。卸载后，发现加载端混凝土上表面出现轻微破碎，钢管全部处于弹性阶段，部分试件最终破坏形态如图 2所示。2.2荷载滑移曲线推出试验中各试件荷载（P）滑移（S）曲线如图3、图 4所示。为便于分析，对图 4（a）（c）峰值拐点处进行局部放大。试件 TC2-30-50 同步测得的加载端与自由端P-S 曲线如图 3所示。由图 3可知，试件两端 P-S 曲线形态基本一致，加载端初始滑移对应荷载值小于自由端；随着荷载逐渐增加，两条曲线大致吻合。试件加载端 P-S曲线基本呈现出圆钢管混凝土柱界面粘结滑移破坏发展全过程，故后文分析仅以试件加载端数据为依据，试验测得的主要粘结滑移特征值如表 4所示。由图 4 可知，冻融循环后试件的 P-S 曲线趋势总体上与未经冻融试件相似，均具有明显峰值点及下降段，大致可划分为 3个阶段。1）上升段：钢管与核心混凝土界面粘结力由化学胶结力与机械咬合力共同承担。由图 4 可知，各试件上升段曲线斜率随冻融循环次数的增加而降低、随混凝土强度的增大而升高，但斜率变化幅度不大。当冻融循环次数较多时，加载初期荷载滑移曲线出现下凹趋势，随着冻融循环次数的增加，曲线下凹趋势越来越明显，原因在于，试件经过多次冻融循环后，其核心混凝土外层变得疏松、出现微裂缝，加载初期核心混凝土受压促使裂缝闭合，出现“压实”效应23。由图 4（a）（c）可知，相比未冻融的试件，钢管壁厚为 2 mm、冻融循环次数为 50、100、200、300 的试件粘结破坏荷载 Pu分别下降 11.45%、14.50%、16.79%、19.85%；钢管壁厚为 3 mm、冻融循环次数为 50、100、200、300 的试件粘结破坏荷载 Pu分别下降 4.48%、5.97%、8.96%、11.94%；钢管壁厚为4 mm、冻融循环次数为 50、100、200、300 的试件粘图 3试件 TC2-30-50的 P-S曲线Fig.3Load-slip curves of TC2-30-50图 2试件最终破坏形态Fig.2Final failure modes of specimens表 4粘结滑移特征值Table 4Bond slip characteristic values注：Pu表示粘结破坏荷载；Su表示粘结滑移；u表示粘结强度；r表示残余粘结应力。116第 4 期李星儿，等：冻融循环作用后圆钢管混凝土界面粘结性能试验研究增加，自由端位移计数值产生变化，试件整体发生微小滑移，界面胶结力全部破坏，认为以阶段外荷载主要靠机械咬合力承担。到达粘结破坏荷载 Pu时，突然出现“嘭”的声，位移计读数变化迅速，荷载明显下降，核心混凝土整体与钢管出现相对滑移，试件发生粘结破坏，此时钢管与混凝土界面大部分机械咬合力丧失，摩擦力起主要作用。卸载后，发现加载端混凝土上表面出现轻微破碎，钢管全部处于弹性阶段，部分试件最终破坏形态如图 2所示。2.2荷载滑移曲线推出试验中各试件荷载（P）滑移（S）曲线如图3、图 4所示。为便于分析，对图 4（a）（c）峰值拐点处进行局部放大。试件 TC2-30-50 同步测得的加载端与自由端P-S 曲线如图 3所示。由图 3可知，试件两端 P-S 曲线形态基本一致，加载端初始滑移对应荷载值小于自由端；随着荷载逐渐增加，两条曲线大致吻合。试件加载端 P-S曲线基本呈现出圆钢管混凝土柱界面粘结滑移破坏发展全过程，故后文分析仅以试件加载端数据为依据，试验测得的主要粘结滑移特征值如表 4所示。由图 4 可知，冻融循环后试件的 P-S 曲线趋势总体上与未经冻融试件相似，均具有明显峰值点及下降段，大致可划分为 3个阶段。1）上升段：钢管与核心混凝土界面粘结力由化学胶结力与机械咬合力共同承担。由图 4 可知，各试件上升段曲线斜率随冻融循环次数的增加而降低、随混凝土强度的增大而升高，但斜率变化幅度不大。当冻融循环次数较多时，加载初期荷载滑移曲线出现下凹趋势，随着冻融循环次数的增加，曲线下凹趋势越来越明显，原因在于，试件经过多次冻融循环后，其核心混凝土外层变得疏松、出现微裂缝，加载初期核心混凝土受压促使裂缝闭合，出现“压实”效应23。由图 4（a）（c）可知，相比未冻融的试件，钢管壁厚为 2 mm、冻融循环次数为 50、100、200、300 的试件粘结破坏荷载 Pu分别下降 11.45%、14.50%、16.79%、19.85%；钢管壁厚为 3 mm、冻融循环次数为 50、100、200、300 的试件粘结破坏荷载 Pu分别下降 4.48%、5.97%、8.96%、11.94%；钢管壁厚为4 mm、冻融循环次数为 50、100、200、300 的试件粘图 3试件 TC2-30-50的 P-S曲线Fig.3Load-slip curves of TC2-30-50（a）TC3-30-100（b）TC4-30-200图 2试件最终破坏形态Fig.2Final failure modes of specimens表 4粘结滑移特征值Table 4Bond slip characteristic values试件编号TC2-30-0TC2-30-50TC2-30-100TC2-30-200TC2-30-300TC2-50-0TC2-80-0TC3-30-0TC3-30-50TC3-30-100TC3-30-200TC3-30-300TC3-50-0TC3-80-0TC4-30-0TC4-30-50TC4-30-100TC4-30-200TC4-30-300TC4-50-0TC4-80-0n050100200300000501002003000005010020030000Pu/kN131116112109105134139201192189183177203215218206199204195227241Su/mm2.152.282.312.452.642.162.192.242.402.412.532.672.302.352.312.462.382.562.682.372.46u/MPa1.511.341.291.261.211.551.602.322.222.182.112.042.342.482.522.382.302.352.252.622.78r/MPa0.940.951.070.880.811.401.511.351.271.301.171.102.222.451.781.991.881.461.401.541.99注：Pu表示粘结破坏荷载；Su表示粘结滑移；u表示粘结强度；r表示残余粘结应力。117第 45 卷土 木 与 环 境 工 程 学 报（中 英 文）结破坏荷载 Pu分别下降 5.50%、8.72%、6.42%、10.55%。分析数据可得，Pu随冻融循环次数的增加而逐渐减小，且减小幅度随钢管壁厚的增大而降低20。由图 4（d）（f）可知，混凝土强度等级从 C30提高到 C50 时，Pu平均增大 2.56%；混凝土强度等级从 C50 提高到 C80 时，Pu平均增大 5.48%。且混凝土强度等级从C30提高到C80，钢管壁厚为2、3、4 mm时，Pu分别增大了 6.11%、6.97%、10.55%，由此可知，提高混凝土强度等级、增加钢管壁厚均可增大粘结破坏荷载 Pu。2）下降段：荷载突然下降，核心混凝土相对滑移量迅速增加，曲线具有明显峰值点。由图 4可知，下降段 P-S 曲线总体呈现随着冻融循环次数增加，界面粘结力破坏越明显的趋势，表现为荷载下降幅度越大、下降段滑移量越大。其中，部分试件下降段较短，P-S曲线出现交叉现象，原因在于试件存在“宏观偏差”24，核心混凝土推动过程中钢管内径由大到小变化，钢管对于核心混凝土的约束效应增强，摩擦力增大，且随着钢管壁厚增大，荷载增幅越明显，即钢管壁厚越大，“宏观偏差”对试件影响越大，下降段越短。3）残余段：荷载较稳定而滑移量不断增大，各试件 P-S 曲线大致平行，界面粘结力的大小由摩擦力决定。由图 4可知，部分试件，如 TC4-30-50初始残余粘结荷载较大且残余段曲线呈上升趋势，这是“宏观偏差”的另一个表现。由图 4（d）、（e）可知，混凝土强度增大，“宏观偏差”对于试件残余段的作用更明显，原因在于混凝土强度等级提高（水胶比减小），核心混凝土表面摩擦系数增大，残余粘结荷载（a）t=2 mm、C30（c）t=4 mm、C30（e）t=3 mm、n=0（b）t=3 mm、C30（d）t=2 mm、n=0（f）t=4 mm、n=0图 4各试件荷载滑移曲线Fig.4Load-slip curves of specimens增加幅度变大。对于 n 不同的试件，n 越大，试件残余段曲线越贴近横轴；n 相同，试件钢管壁越厚、混凝 土 强 度 等 级 越 高，残 余 粘 结 力 段 曲 线 越 远 离横轴。2.3粘结强度平均粘结强度 u是指试件粘结破坏荷载 Pu对应的粘结应力值，常假定粘结应力在锚固长度内均匀分布，可按式（1）25计算。u=Pusla（1）式中：s 为试件接触面周长；la为锚固长度，其值等于试件高度减去空钢管长度 40 mm，即 la=l-40=300 mm。根据推出试验所得数据绘制 u变化曲线，如图5 所示。由图 5（a）可知，随着冻融循环次数 n 的增加，u总体呈下降趋势；n50时，u曲线下降幅度较小，粘结强度近似呈直线下降。原因在于：当 n50 时，随着 n的增大，核心混凝土劣化程度不断加深，试件界面凹凸处被抹平，界面机械咬合力逐渐降低，导致粘结强度下降。相比未冻融试件，经 300 次冻融循环后 TC2、TC3、TC4 组试件粘结强度分别下降19.87%、12.07%、10.71%；可知，随着钢管壁厚的增大，冻融循环作用后粘结强度的下降程度降低，分析其原因，钢管壁厚增大，钢管对核心混凝土的法向作用力增强，核心混凝土受压横向膨胀时产生较大的法向约束，使得粘结强度增大，最终表现为抑制了冻融循环作用对界面粘结力的破坏。由图 5（b）可知，常温下试件粘结强度随混凝土强度的增大总体呈上升趋势，原因在于混凝土强度等级提高，水胶比减小，核心混凝土密实度增大，钢管与核心混凝土界面化学胶结力有所提高，导致粘结强度 u增大。图 5中钢管壁厚为 2 mm 时，u曲线上升幅度较小；壁厚增大至 4 mm 时，u值上升幅度明显增大，表明增大钢管壁厚也是粘结强度提高的重要因素之一。2.4粘结滑移粘结滑移 Su为 Pu对应的滑移量，根据试验数据绘制 Su变化曲线，如图 6所示。由图 6（a）可知，Su随着 n 的增大呈上升趋势。一方面，经过冻融循环作用后，试件界面化学胶结力遭到破坏，核心混凝土表面产生初始裂缝，随着冻融循环次数的增加，初始裂缝中的水不断冻胀融化，使初始裂缝延伸扩展，核心混凝土破坏程度逐渐加深；另一方面，核心混凝土强度等级较低，孔隙率大，随着 n 的增大，孔图 6粘结滑移 Su曲线Fig.6Curves bond slip Su 图 5粘结强度 u曲线Fig.5Curves bond strength u118第 4 期李星儿，等：冻融循环作用后圆钢管混凝土界面粘结性能试验研究增加幅度变大。对于 n 不同的试件，n 越大，试件残余段曲线越贴近横轴；n 相同，试件钢管壁越厚、混凝 土 强 度 等 级 越 高，残 余 粘 结 力 段 曲 线 越 远 离横轴。2.3粘结强度平均粘结强度 u是指试件粘结破坏荷载 Pu对应的粘结应力值，常假定粘结应力在锚固长度内均匀分布，可按式（1）25计算。u=Pusla（1）式中：s 为试件接触面周长；la为锚固长度，其值等于试件高度减去空钢管长度 40 mm，即 la=l-40=300 mm。根据推出试验所得数据绘制 u变化曲线，如图5 所示。由图 5（a）可知，随着冻融循环次数 n 的增加，u总体呈下降趋势；n50时，u曲线下降幅度较小，粘结强度近似呈直线下降。原因在于：当 n50 时，随着 n的增大，核心混凝土劣化程度不断加深，试件界面凹凸处被抹平，界面机械咬合力逐渐降低，导致粘结强度下降。相比未冻融试件，经 300 次冻融循环后 TC2、TC3、TC4 组试件粘结强度分别下降19.87%、12.07%、10.71%；可知，随着钢管壁厚的增大，冻融循环作用后粘结强度的下降程度降低，分析其原因，钢管壁厚增大，钢管对核心混凝土的法向作用力增强，核心混凝土受压横向膨胀时产生较大的法向约束，使得粘结强度增大，最终表现为抑制了冻融循环作用对界面粘结力的破坏。由图 5（b）可知，常温下试件粘结强度随混凝土强度的增大总体呈上升趋势，原因在于混凝土强度等级提高，水胶比减小，核心混凝土密实度增大，钢管与核心混凝土界面化学胶结力有所提高，导致粘结强度 u增大。图 5中钢管壁厚为 2 mm 时，u曲线上升幅度较小；壁厚增大至 4 mm 时，u值上升幅度明显增大，表明增大钢管壁厚也是粘结强度提高的重要因素之一。2.4粘结滑移粘结滑移 Su为 Pu对应的滑移量，根据试验数据绘制 Su变化曲线，如图 6所示。由图 6（a）可知，Su随着 n 的增大呈上升趋势。一方面，经过冻融循环作用后，试件界面化学胶结力遭到破坏，核心混凝土表面产生初始裂缝，随着冻融循环次数的增加，初始裂缝中的水不断冻胀融化，使初始裂缝延伸扩展，核心混凝土破坏程度逐渐加深；另一方面，核心混凝土强度等级较低，孔隙率大，随着 n 的增大，孔（a）冻融循环次数的影响（b）混凝土轴心抗压强度的影响图 6粘结滑移 Su曲线Fig.6Curves bond slip Su（a）冻融循环次数的影响（b）混凝土轴心抗压强度的影响图 5粘结强度 u曲线Fig.5Curves bond strength u119第 45 卷土 木 与 环 境 工 程 学 报（中 英 文）隙水反复结冰，体积膨胀，核心混凝土内部产生微裂缝并不断发展，最终导致试件界面粘结性能逐渐退化。由图 6可见，钢管壁厚由 2 mm 增大至 4 mm 时，相比常温试件，经过 300 次冻融循环的试件 Su分别增长了 22.79%、19.20%、16.02%，表明钢管壁厚增大时，核心混凝土受到的约束作用增强，核心混凝土内部裂缝受到挤压，产生抑制裂缝不断开展的效果，延缓了界面粘结性能的退化。由图 6（b）可知，粘结滑移 Su与混凝土强度和钢管壁厚均呈正相关，曲线近似呈直线分布，t=4 mm时，粘结滑移增大的速率明显高于 t=2 mm 时，即混凝土强度和钢管壁厚同时增大时，试件抗滑移性能增强。2.5纵向应变各级荷载水平下，通过粘贴在钢管外壁的纵向应变片测得钢管不同位置的应变分布规律，图 7 为部分试件实测应变分布曲线，其中，x为测点距加载端的间隔长度。由图 7可知，不同荷载水平下、不同位置处各试件钢管应变变化趋势相似，经过冻融循环的试件与未冻融试件应变曲线变化规律相同，大致呈指数分布。加载初期（10%Pu），钢管两端应变值相差较小，说明荷载能够均匀传递；随着荷载的增加，加载端与自由端应变差值增大，说明两者传力的连续性遭到破坏，试件界面粘结性能退化，钢管与核心混凝土之间出现滑移。3粘结强度计算方法主要研究圆钢管混凝土柱界面粘结强度 u和相对滑移 Su受冻融循环次数 n、钢管壁厚 t和混凝土强度变化的影响，鉴于套箍系数 可综合反映钢管壁厚和混凝土强度对界面粘结性能的影响，从冻融循环次数和套箍系数两个方面考虑单一因素对粘结强度及相对滑移的影响，并通过回归拟合方式建立两者对粘结强度及相对滑移综合影响的计算方法。3.1考虑单因素影响的计算方法3.1.1冻融循环次数根据冻融循环次数 n 对界面粘结强度 u及粘结滑移 Su影响的定性分析可知，n与 u成反比、n 与 Su成正比，与图 8 所示曲线趋势一致。图 8 所示为其他条件相同时 n 与 u和 Su的关系曲线，图中实心点为相同冻融循环次数的试件试验所得 u和 Su的平均值，为冻融循环次数无量纲化处理的参数，=n/n0，n0=50；图中直线为采用一次函数对两组数据的拟合结果。u=-0.026+1.99（2）（a）试件 TC3-30-0（c）试件 TC4-30-100（b）试件 TC4-30-0（d）试件 TC4-80-0图 7钢管表面应变分布曲线Fig.7Strain distribution curves on surface of steel tube120第 4 期李星儿，等：冻融循环作用后圆钢管混凝土界面粘结性能试验研究Su=0.061+2.28（3）3.1.2套箍系数套箍系数 体现钢管对内部核心混凝土的约束效应，是钢管混凝土组合结构的重要参考指标。与 u和 Su的关系曲线如图 9所示，其中，对于套箍系数 相同的试件，其 u和 Su分别取平均值。由图 9可知，u和 Su随着 的增大均呈上升趋势。对