為研究凍融作用對(duì)大口徑不銹鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的影響，以大口徑不銹鋼管截面類型及凍融循環(huán)次數(shù)為參數(shù)對(duì)凍融循環(huán)作用后大口徑不銹鋼管混凝土短柱的力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。研究表明：凍融作用對(duì)大口徑不銹鋼管混凝土短柱的力學(xué)性能如極限承載力、位移延性以及約束系數(shù)等有重大的影響，主要表現(xiàn)為在凍融循環(huán)后，不銹鋼方管混凝土短柱極限承載力及約束系數(shù)隨著凍融次數(shù)增加而減小，而不銹鋼圓管混凝土短柱的極限承載力及約束系數(shù)隨著凍融次數(shù)的增加而變大;此外，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，不銹鋼方管混凝土短柱的延性隨著凍融次數(shù)的增大先減小后增大，而圓大口徑不銹鋼管混凝的延性相對(duì)于凍融次數(shù)而言較為離散。相比之下，圓大口徑不銹鋼管混凝土相對(duì)于方大口徑不銹鋼管混凝土而言具有更好的抗凍性、更髙的承載能力以及更好的約束性能，因此，在實(shí)際工程應(yīng)用中，圓大口徑不銹鋼管混凝土構(gòu)件可優(yōu)先被考慮作為承載構(gòu)件。

目前,不鎊鋼管混凝土結(jié)構(gòu)由于其強(qiáng)度高、維護(hù)費(fèi)用低、耗材少和耐火性能好等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛地應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域。此外，由于大口徑不銹鋼管混凝土結(jié)構(gòu)具有抗凍性能好、耐腐蝕性好的特點(diǎn)，因此大口徑不銹鋼管混凝土結(jié)構(gòu)被考慮用于海港工程、橋梁工程及海上工程等易受到凍融影響的領(lǐng)域。

對(duì)于不鎊鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，國內(nèi)外學(xué)者都展開了研究,并取到了一定的成果。文獻(xiàn)對(duì)設(shè)肋方矩形不鎊鋼管混凝土軸壓短柱的力學(xué)性能進(jìn)行了研究,并進(jìn)行了有限元模擬。文獻(xiàn)對(duì)用封閉插銷連接不鎊鋼管混凝土柱與碳素鋼梁的可行性進(jìn)行了研究,并分析了不同的因素對(duì)該結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的破壞模式、初始剛度、抗彎強(qiáng)度以及轉(zhuǎn)動(dòng)能力的影響。文獻(xiàn)[3]研究了海水海砂混凝土填充的GFRP和不鎊鋼管的力學(xué)性能。文獻(xiàn)進(jìn)行了18根焊接不鎊鋼方管混凝土短柱的軸壓性能試驗(yàn),分析了試件的混凝土強(qiáng)度、高寬比及寬厚比對(duì)試件承載力的影響。文獻(xiàn)[5]進(jìn)行了17個(gè)熱成型不銹鋼圓管混凝土短柱的軸壓性能試驗(yàn)研究，分析了試件的混凝土強(qiáng)度、大口徑不銹鋼管壁厚及高徑比對(duì)熱成型不銹鋼圓管混凝土短柱的軸壓性能的影響。文獻(xiàn)進(jìn)行了12個(gè)大口徑不銹鋼管再生混凝土試件和2個(gè)大口徑不銹鋼管普通混凝土試件對(duì)比試驗(yàn)研究，比較了兩種試件的彎曲性能。此外，更多關(guān)于不鎊鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究也在進(jìn)行中。

凍融作為一種嚴(yán)重的自然災(zāi)害，其對(duì)于工程領(lǐng)域的混凝土結(jié)構(gòu)有著極為惡劣的影響，因此許多學(xué)者研究了不同混凝土結(jié)構(gòu)受凍融的影響。文獻(xiàn)進(jìn)行了15個(gè)方鋼管混凝土短柱及15個(gè)圓鋼管混凝土短柱的凍融試驗(yàn)后的力學(xué)性能研究，分析了試件的凍融次數(shù)及管壁厚度對(duì)凍融后試件承載力的影響。文獻(xiàn)進(jìn)行了凍融循環(huán)作用下CFRP加固混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性研究。文獻(xiàn)進(jìn)行了凍融循環(huán)作用下玄武巖纖維混凝土性能試驗(yàn)研究。文獻(xiàn)進(jìn)行了凍融循環(huán)作用下玻璃纖維布加固混凝土梁受力性能研究。

然而,不鎊鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在凍融循環(huán)作用下的性能研究尚未見報(bào)道，為填補(bǔ)這一空白，本文研究了凍融作用下大口徑不銹鋼管混凝土短柱的軸壓性能，主要包括大口徑不銹鋼管混凝土短柱的截面類型及凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)大口徑不銹鋼管混凝土短柱凍融循環(huán)后的力學(xué)性能的影響。

1試件概況

1.1試件設(shè)計(jì)

為分析凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)不鎊鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的影響,本試驗(yàn)共設(shè)計(jì)10個(gè)試件,分別為4個(gè)不鎊鋼方管混凝土短柱,4個(gè)不鎊鋼圓管混凝土短柱以及1個(gè)方空管短柱和1個(gè)圓空管短柱。試驗(yàn)采用C30混凝土，水泥強(qiáng)度等級(jí)為32.5R,標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)下，實(shí)測(cè)混凝土立方體標(biāo)準(zhǔn)試塊（150mmx150mmx150mm),抗壓強(qiáng)度35.4MPa。管材均米用201奧氏體不銹鋼，其中不銹鋼方空管的邊長為80mm,不銹鋼圓空管的直徑為89mm,試件高度均為300mm,壁厚均為1.5mm。試件編號(hào)與具體參數(shù)見表1,C/S代表試件截面類型是圓型/方型,N0代表凍融循環(huán)次數(shù)為0次，如C-N50代表不銹鋼圓管混凝土試件，凍融循環(huán)次數(shù)為50。其中SHT代表方空管短柱,CHT代表圓空管短柱。

2試驗(yàn)過程

混凝土澆筑完畢，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28d后，進(jìn)行凍融試驗(yàn)。由于各國均沒有頒布有關(guān)于大口徑不銹鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的凍融試驗(yàn)方法，因此本試驗(yàn)在參考《普通混凝土長期性能和耐久試驗(yàn)方法》(GB/T50082-2009)及中華人民共和國建筑工業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《混凝土抗凍試驗(yàn)設(shè)備》（JG/T243-2009)的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際情況，提出了適用于本試驗(yàn)中的大口徑不銹鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的凍融試驗(yàn)方法，具體內(nèi)容如下:①每次凍融循環(huán)在4~6h內(nèi)完成，凍與融之間轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間不應(yīng)超過20min。此外，在凍融過程中，由于混凝土被大口徑不銹鋼管約束而處于相對(duì)密實(shí)狀態(tài)，因此未考慮其動(dòng)彈性模量及質(zhì)量損失，且每25次循環(huán)完成后，試件都經(jīng)擦拭及振搗后換向重新放入凍融機(jī)中。當(dāng)有試件被取出時(shí)，預(yù)制的混凝土試塊被放入凍融箱中以保證凍融實(shí)驗(yàn)設(shè)備處于滿載狀態(tài)。凍融試驗(yàn)完成后，不銹鋼方管混凝土試件外層大口徑不銹鋼管有輕微的彎曲變形，而不銹鋼圓管混凝土試件無明顯現(xiàn)象。

凍融試驗(yàn)完成后，所有試件包括兩空管均置于1000kN液壓萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行壓力試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置如圖1。試驗(yàn)之前，所有試件的端部均由打磨機(jī)磨平，以最大程度上保證試件處于軸壓狀態(tài);試驗(yàn)過程采取分級(jí)加載的方式，加載速度控制在0.5kN/s，以減少加載速度過快而引起的沖擊產(chǎn)生的誤差。對(duì)于不銹鋼方管混凝土試件，其承載力達(dá)到峰值后，承載力急劇下降，機(jī)器自動(dòng)停止;而對(duì)于不銹鋼圓管混凝土試件，其承載力接近某一值時(shí)，承載力上升幅度十分小，但此時(shí)縱向位移急劇增加，因此，在圓型試件壓力試驗(yàn)中，當(dāng)縱向位移達(dá)到25mm時(shí)，認(rèn)為該試件已經(jīng)破壞，此時(shí)停止加載。

2試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1試件破壞模式及現(xiàn)象

凍融對(duì)不銹鋼方管混凝土短柱的破壞現(xiàn)象及模式無明顯影響，其破壞現(xiàn)象均表現(xiàn)為:在其承載力達(dá)到峰值前，其外部大口徑不銹鋼管端部的邊緣開始發(fā)生褶皺彎曲變形，并隨著荷載的增加，其變形愈來愈明顯，最終導(dǎo)致試件角部開裂而破壞，其破壞模式均為端部屈曲開裂，見圖2。

凍融對(duì)不銹鋼圓管混凝土短柱的破壞現(xiàn)象及模式也無明顯影響，其破壞現(xiàn)象均表現(xiàn)為：當(dāng)承載力達(dá)到一定值時(shí)，試件中部開始產(chǎn)生褶皺現(xiàn)象，而隨著荷載增加，其承載力上升幅度愈來愈小，但其縱向位移急劇變大，此時(shí)試件中部的褶皺現(xiàn)象愈來愈明顯，且向兩端擴(kuò)散，最終表現(xiàn)為以中部為基點(diǎn)的細(xì)微彎曲變形，其破壞模式表現(xiàn)為中部彎曲且褶皺，并沿兩邊擴(kuò)散，見圖3。

對(duì)比兩種不同截面類型大口徑不銹鋼管混凝土試件，凍融對(duì)其破壞模式及現(xiàn)象均無明顯影響。當(dāng)荷載達(dá)到一定值時(shí)，不銹鋼方管混凝土試件最終發(fā)生角部破裂，導(dǎo)致承載力基本完全喪失，而不銹鋼圓管混凝土試件雖產(chǎn)生褶皺現(xiàn)象，但承載力在接近峰值時(shí)，僅縱向位移會(huì)急劇變化，而承載力保持一段時(shí)間。相比之下，凍融前后的不銹鋼圓管混凝土試件的延性及約束性能均比不銹鋼方管混凝土試件好。

2.2荷載一位移曲線

試件試驗(yàn)結(jié)果見表2，其中由于不銹鋼圓管混凝土試件的承載力在位移急劇增加時(shí)變化十分小，因此取20mm為不銹鋼圓管混凝土試件的破壞位移，對(duì)應(yīng)的荷載稱為其極限承載力，而屈服極限及屈服位移均由割線剛度法確定。為更好表示凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)大口徑不銹鋼管混凝土短柱的荷載-位移曲線的的影響，在荷載一位移曲線中，將凍融試件的荷載與未經(jīng)凍融試件的極限承載力作比，得到兩者比值，稱其為凍融影響因子，并將其作為荷載一位移曲線的縱坐標(biāo)，見圖4。而對(duì)于凍融對(duì)試件極限承載力的影響，在此用不同試件的極限承載力與未經(jīng)凍融試件的極限承載力做比值，從而得到凍融影響因數(shù)以及凍融影響因數(shù)與凍融次數(shù)的關(guān)系，見圖5。

在凍融前后，不銹鋼圓管混凝土試件的延性系數(shù)均相對(duì)高于不銹鋼方管混凝土試件2倍左右，對(duì)于不銹鋼方管混凝土試件，其延性系數(shù)隨著凍融次數(shù)增加先變小后增加，而對(duì)于不銹鋼圓管混凝土試件，其延性系數(shù)變化趨勢(shì)較為不明顯，表現(xiàn)出較大的離散型。由圖4可知，在本試驗(yàn)范圍內(nèi)，凍融次數(shù)為75次的不銹鋼方管混凝土試件的初始剛度最大，而其他凍融試件的初始剛度較未凍融試件均小，而對(duì)于不銹鋼圓管混凝土試件，凍融對(duì)其初始剛度影響較小。由圖5及表2,可得知隨著凍融次數(shù)的增加，不銹鋼方管混凝土試件的極限承載力逐漸減小，且凍融循環(huán)次數(shù)越大，試件承載力下降幅度愈明顯;而對(duì)于不銹鋼圓管混凝土試件，其極限承載力隨凍融次數(shù)增加而變大，且基本呈現(xiàn)直線上升趨勢(shì)，相比之下，不銹鋼圓管混凝土試件的極限承載力較不銹鋼方管混凝土試件高，延性較不銹鋼方管混凝土試件好。

凍融次數(shù)相同時(shí)，不銹鋼圓管混凝土試件的約束系數(shù)比不銹鋼方管混凝土試件大;對(duì)于不銹鋼圓管混凝土試件，其約束系數(shù)隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加而變大，且上升趨勢(shì)接近直線，而對(duì)于不銹鋼方管混凝土試件，其約束系數(shù)隨凍融次數(shù)增加而變小，且凍融循環(huán)次數(shù)越大，降低趨勢(shì)越明顯。

3結(jié)語

①凍融對(duì)大口徑不銹鋼管混凝土短柱的破壞現(xiàn)象沒有明顯的影響，其中不銹鋼方管混凝土短柱的破壞模式均表現(xiàn)為端部屈曲且破裂，而不銹鋼圓管混凝土短柱的破壞模式表現(xiàn)為中部權(quán)皺且彎曲。

②凍融循環(huán)對(duì)大口徑不銹鋼管混凝土短柱的極限承載力有重大的影響，其中具體表現(xiàn)為不銹鋼方管混凝土短柱的極限承載力隨凍融次數(shù)的增加而減小，且凍融次數(shù)越大，影響越明顯，而對(duì)于不銹鋼圓管混凝土短柱，其極限承載力隨凍融次數(shù)增加而變大，且基本呈直線上升趨勢(shì)。不銹鋼方管混凝土試件的延性系數(shù)隨凍融次數(shù)的增加先減小后增加，而不銹鋼圓管混凝土試件的延性系數(shù)受凍融次數(shù)影響較為離散。相比之下，不銹鋼圓管混凝土試件的極限承載力比不銹鋼方管混凝土試件大，且延性比不銹鋼方管混凝土試件好。

③大口徑不銹鋼管混凝土短柱的約束系數(shù)受凍融影響較大，具體表現(xiàn)為:不銹鋼方管混凝土試件的約束系數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小，而不銹鋼圓管混凝土試件的約束系數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而變大，且在相同凍融循環(huán)次數(shù)下，不銹鋼圓管混凝土試件的約束系數(shù)較不銹鋼方管混凝土試件的約束系數(shù)高。