《Case Studies in Construction Materials》：Behavior of stud connections in steel-concrete composite structures under freeze-thaw cycles
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冻融循环（Freeze-thaw cycles，FTCs）对寒区钢-混凝土组合结构的安全性与服役性能具有显著影响。研究人员针对受FTCs作用的钢-混凝土组合桥面板中栓钉连接件（stud connections）的受力行为展开研究，系统考察了FTCs次数、水胶比
冻融循环（Freeze-thaw cycles，FTCs）对寒区钢-混凝土组合结构的安全性与服役性能具有显著影响。研究人员针对受FTCs作用的钢-混凝土组合桥面板中栓钉连接件（stud connections）的受力行为展开研究，系统考察了FTCs次数、水胶比（Water-to-binder ratio，W/B）、栓钉直径及冻融介质（Freeze-thaw medium，FTM）对连接件破坏模式、抗剪强度、抗剪刚度与荷载-滑移（load-slip）响应的影响。研究结果表明：FTCs后，由于混凝土材料劣化，栓钉连接件的失效模式主要由混凝土板控制；经历50次与100次FTCs后，抗剪强度分别降低约26.0%与34.0%，采用海水作为FTM时退化进一步加剧。降低W/B比是提升冻融后抗剪性能的有效策略，而增大栓钉直径的影响相对有限。研究人员建立了有限元模型（Finite element models，FEM）并开展参数分析，进而提出可用于估算冻融后界面强度与刚度的解析公式，为寒区组合结构连接件设计提供理论参考。
研究背景与问题提出
钢-混凝土组合桥面板依靠栓钉连接件实现钢梁与混凝土板协同受力，其界面抗剪可靠性直接决定结构整体刚度与承载安全。寒区桥梁在长期服役中承受反复冻融作用，孔隙水结冰产生内应力，使混凝土微结构逐渐损伤，进而削弱钢-混界面传力能力。既有研究多关注FTCs次数单一变量，且常以淡水为冻融介质，对海水盐结晶耦合损伤、混凝土配比与栓钉构造参数的系统认知仍不充分，工程设计中缺乏可量化评估冻融后界面强度与刚度的实用方法。
研究人员以多因素试验与数值建模为手段，揭示冻融环境下栓钉连接件的性能退化规律，建立预测方程，服务于冷区与近海桥梁的耐久性设计。
主要技术方法
研究人员制备8个推出试件（push-out specimens），采用HW200型钢梁与两侧混凝土板构造，参数覆盖FTCs次数（0、50、100）、W/B比（0.35、0.42、0.50）、栓钉直径（10、13、16 mm）及冻融介质（淡水与青岛沿海海水）。通过快速冻融试验机执行温度介于–17±2℃至5±2℃的循环，每50次检测质量损失、动态弹性模量（Dynamic elastic modulus，DEM）与立方体抗压强度；随后采用推出试验，配合位移计（LVDT）记录相对滑移，获取屈服荷载、极限抗剪承载力、抗剪刚度与荷载-滑移曲线。基于试验结果标定有限元模型，开展混凝土材料参数化分析，并回归得到界面强度与刚度解析表达式。
研究结果
3.1 破坏模式（Failure mode）
经表面劣化观察与试件解剖，研究人员发现：未冻融与50次FTCs试件以混凝土板劈裂（splitting failure，SC）为主；100次FTCs后转为混凝土压碎（crushing failure，CC）主导。海水介质加剧表层砂浆剥落与粗骨料外露。低W/B比试件裂缝较浅，说明密实微结构可延缓冻融损伤；小直径栓钉可轻微缓解劈裂倾向。
3.2 荷载-滑移关系（Load-slip relationship）
研究人员将曲线归纳为三阶段：弹性段近似线性，屈服段非线性软化，破坏段滑移剧增且荷载陡降。FTCs主要削弱后两阶段，降低峰值荷载与延性；低W/B比提升初始与残余刚度；栓钉直径改变对曲线形态影响较弱；海水冻融使初始刚度与极限强度同步下降。
3.3 抗剪强度（Shear strength）
以原点至极限点连线最大偏差法确定屈服荷载。结果显示：相对未冻融基准，50次与100次FTCs极限抗剪分别下降约12%与34%；W/B由0.50降至0.35，冻融后强度明显恢复；海水介质下100次循环强度较淡水同组降低约6%。栓钉直径由10 mm增至16 mm，强度增益有限，证明混凝土退化是控制因素。
3.4 抗剪刚度与参数影响
抗剪刚度随FTCs增加持续衰退，与动态弹性模量退化趋势一致。W/B比是最有效可调因素，海水环境最不利，栓钉直径影响不显著。
讨论与结论
研究人员指出，冻融损伤本质集中于混凝土侧，使失效机制由“栓钉剪断”转向“混凝土基体失效”，因此传统仅按栓钉截面计算承载力的方法在寒区场景中偏不安全。降低W/B比通过减少可冻水与孔隙率提升抗冻性，是性价比最高的构造对策；近海工程须额外考虑盐结晶耦合侵蚀。所建FEM能复现试验刚度与强度退化，参数研究进一步明确混凝土强度与冻融次数是敏感变量。提出的解析方程将FTCs折减系数引入界面强度与刚度计算，弥补了现行规范对环境劣化工况的缺失。该成果为寒区及海洋环境组合结构提供了可落地的连接件评估框架与耐久性设计依据。
研究结论翻译
冻融循环显著劣化钢-混凝土组合结构中栓钉连接件的界面抗剪性能；失效模式由混凝土材料退化主导，并随循环次数从劈裂转向压碎；50次与100次冻融后抗剪强度分别下降约26%与34%，海水介质进一步放大损伤；降低水胶比可有效恢复冻融后承载力与刚度，增大栓钉直径收益有限；基于试验与有限元建立的解析模型可合理预估冻融后界面强度与刚度，对冷区桥梁工程具有直接参考价值。
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