• 第一作者介绍

张童 博士

辽宁工程技术大学，工学博士、硕士研究生导师，主持省级基金项目1项，参与国家自然科学基金项目 (51208246) 1项、陕西省混凝土结构安全与耐久性重点实验室基金项目 (XJKFJJ201902) 1项，以及企业委托项目多项。参编制行业标准《加气混凝土用铁尾矿》(YBIT 4774-2019) 1部，参编教材2部。发表SCI/SSCI检索10余篇。主要从事工程结构分析、结构耐久性与安全评估等方面的研究。

• 通讯作者介绍

高山 博士

哈尔滨工业大学，工学博士、副教授、博士生导师，国家一级注册结构工程师、重庆大学博士后、日本东京大学访问学者。陕西省科技特派员、重庆大学及火箭军工程大学兼职硕导、中国钢结构协会钢-混凝土组合结构分会理事、中国工程建设标准化协会轻型钢结构专业委员会委员、陕西省混凝土结构安全与耐久性重点实验室学术委员会委员；省优青、省高校青年杰出人才、省高校青年创新团队负责人、省中青年科技创新领军人才。《工程科学与技术》《铁道科学与工程学报》《材料科学与工艺》《应用力学学报》、多本期刊首届青年编委。获科技奖励3项，发明专利8项；参编国家行业标准3本、出版学术专著2部，主编教材2部。主持国家自然科学基金项目3项、黑龙江省自然科学基金优秀青年项目等省部级纵向科研项目。发表SCI/SSCI检索论文110余篇，其中ESI高被引论文3篇。入选2023年度全球前2%顶尖科学家榜单 (World's Top 2% Scientists 2023, singleyr)。

文章导读

煤矸石粗集料表面微裂纹多、孔隙率高、结构疏松，其力学性能或耐久性不如传统混凝土。因此将带有煤矸石的混凝土浇筑在钢管中制成钢管煤矸石混凝，由钢管对内部混凝土进行约束，以此来提高结构的承载力。锈蚀在自然环境中频繁发生，会降低钢材的屈服强度和耐久性，对服役期内结构构件的安全应用带来了极大挑战。辽宁工程技术大学张童博士团队联合哈尔滨工业大学高山副教授在 Materials 期刊发表的文章 (Axial Compressive Behaviours of Coal Gangue Concrete-Filled Circular Steel Tubular Stub Columns after Chloride Salt Corrosion)，针对圆钢管煤矸石混凝土锈蚀损伤问题进行数值模拟，探究其在轴压下的力学性能指标的变化规律并提出承载力设计方法，该项研究对锈蚀环境下钢管煤矸石混凝土构件的应用具有重要意义。

研究过程与结果

作者针对圆钢管煤矸石混凝土轴压短柱锈蚀损伤问题进行了数值模拟，即采用Abaqus软件对带有煤矸石取代率和钢管锈蚀率下的钢管混凝土柱进行数值模拟。首先，建立了一种模拟钢管煤矸石混凝土锈蚀损伤的有限元模型，为验证所建模型的适用性，作者通过利用该模型的结果从破坏模式、荷载-位移曲线趋势、极限承载力三个方面，与试验数据进行了对比。基于此模型，作者分析了钢管混凝土柱锈蚀损伤的非线性行为，包括应力发展和荷载-变形曲线关系，其中构件的荷载-位移曲线按不同的受力状态分为4个阶段 (图1)，即弹性阶段、弹塑性阶段、强化阶段、下降阶段；接着作者对混凝土强度等级、钢材强度等级、煤矸石取代率和锈蚀率对短柱的极限承载力进行参数敏感性分析 (图2)，分析发现钢材屈服强度和试件含钢率越大，由钢材锈蚀造成的承载力损失越大，这可能是由于钢材的锈蚀率对钢管与混凝土之间的约束作用影响较大，钢管对混凝土的约束作用损失变大。最后结合有限元分析结果，作者提出了考虑锈蚀影响的钢管煤矸石混凝土柱轴压极限承载力设计方法，研究结果显示预测值与模拟值之间的误差在±9%以内，平均值为0.990，方差为0.001，变异系数为0.035，表明本文提出的预测计算方法适用性较好 (图3)，为后续锈蚀环境下钢管煤矸石混凝土柱的设计与应用提供了一定的参考意义。

图1. 荷载-位移曲线

图2. 煤矸石取代率、钢材屈服强度、混凝土强度、含钢率对构件承载力的影响规律

图3. 预测值与模拟值对比

研究总结

通过数值分析方法研究了钢管煤矸石混凝土短柱在锈蚀损伤下的力学响应。主要结论如下：

1.当载荷超过钢管屈服强度时，随着锈蚀速率的增加，试样将进入不同的特征区域。在相同的特征点上，由于试件的承载能力降低，钢管的承载力会随着锈蚀速率的增加而降低。

2.混凝土强度、钢材屈服强度和含钢率与试件的抗压承载力呈正相关。钢材屈服强度和含钢率的提高不会减少锈蚀对短柱极限承载力的影响。

3.锈蚀率和替代率与试件的极限承载力呈负相关。在本研究的参数范围内，当煤矸石集料的替代率值从0增加到100%时，虽然煤矸石的力学性能较差，但钢管煤矸石构件的极限承载力值最大仅降低3.91%。

4.提出了锈蚀环境下钢管煤矸石混凝土柱轴压极限强度的设计方法。模拟值与预测值的误差在9%以内，表明该公式的预测效果是合理的。

阅读英文原文：https://www.mdpi.com/2820418

进入期刊英文主页：https://www.mdpi.com/journal/materials

Materials 期刊介绍

主编：Maryam Tabrizian, McGill University, Canada

主要关注材料科学与工程研究相关各个领域的最新研究成果，包括但不限于高分子、纳米材料、能源材料、复合材料、碳材料、多孔材料、生物材料、建筑材料、陶瓷、金属等，以及材料物理化学、催化、腐蚀、光电应用、结构分析和表征、建模等。

2023 Impact Factor：3.1(JCR Q1*, Q2**)

2023 CiteScore：5.8

Time to First Decision：15.5 Days

Acceptance to Publication：3.4 Days

*JCR Q1 at “METALLURGY & METALLURGICAL ENGINEERING”

**JCR Q2 at “MATERIALS SCIENCE, MULTIDISCIPLINARY”