《Case Studies in Construction Materials》：Pouring Test and Void Numerical Simulation Analysis of Steel–Concrete–Steel Composite Structures with Self-Compacting Concrete
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钢-混凝土-钢(SCS)组合结构因其优异的力学性能和结构性能在工程中被广泛应用。为研究浇筑过程中形成的自密实混凝土(SCC)空洞缺陷的分布特征，研究人员设计了14个具有不同结构参数和浇筑条件的试件。结果表明，空洞缺陷主要集中在T形加劲肋附近和四个角落。减少排气
钢-混凝土-钢(SCS)组合结构因其优异的力学性能和结构性能在工程中被广泛应用。为研究浇筑过程中形成的自密实混凝土(SCC)空洞缺陷的分布特征，研究人员设计了14个具有不同结构参数和浇筑条件的试件。结果表明，空洞缺陷主要集中在T形加劲肋附近和四个角落。减少排气孔数量、增大连接件孔间距、布置T形加劲肋、增大SCC屈服应力以及采用过高的浇筑速度均会增加空洞体积，而排气孔直径和高度以及栓钉间距在研究所涉及范围内对浇筑结果影响相对有限。基于流体体积法(VOF)建立了相应的数值模型以模拟新拌SCC的流动行为并预测空洞缺陷的形成。该数值模型通过坍落扩展度和L型箱试验进行了验证，相对误差分别为1.24%和1.47%。大多数试件的空洞体积率相对误差约为10%，且模拟的空洞分布特征与试验结果基本一致。这些发现可为实际工程应用提供设计参考。
研究背景：钢-混凝土-钢(SCS)组合结构由两侧外包钢板和内部混凝土核心组成，钢板内表面通常布置剪力连接件以确保钢材与混凝土紧密粘结和协同工作性能，优化两种材料的优势。该结构能提高强度和延性，混凝土为钢板提供支撑以延迟局部屈曲，钢板对混凝土核心形成外部约束避免裂缝暴露，并能有效降低人工成本、提高施工效率，已广泛应用于桥梁、高层建筑、海底隧道、防护结构和核电厂等实际工程。现有研究主要集中在SCS组合结构的抗震性能、力学性能和理论模型，但浇筑过程中易在钢-混凝土界面形成空洞缺陷，影响粘结性能和组合作用。随着结构形式日益复杂，空洞缺陷风险可能进一步增加，因此研究空洞缺陷的形成和分布特征并提出结构优化策略对实际工程具有重要意义。
作者为开展研究用到的主要关键技术方法：研究人员基于缩尺舱室结构设计了6组试验SCS试件，探究不同构造对SCC浇筑产生空洞缺陷体积和分布的影响。应用流体体积法(VOF)模拟SCC流动性和试件浇筑过程以评估数值模型可行性。建立两组数值模型考察SCC屈服应力和浇筑速度的影响，为相关工程应用提供高效可靠途径，显著减少对物理试验的依赖并节省时间和成本。
研究结果：
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引言
通过文献综述和工程背景分析，指出SCS组合结构广泛应用但浇筑中易产生空洞缺陷的问题，提出结合试验与数值模拟研究SCC流动行为和空洞分布特征，并定量评估VOF方法在SCS组合结构SCC浇筑分析中的适用性。
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理论与方法
2.1 SCC流变本构模型
研究人员将新拌SCC视为具有屈服应力和塑性粘度的非牛顿流体，采用Herschel-Bulkley模型描述其剪切行为，当流动行为指数n=1时对应宾汉姆模型(Bingham model)。
2.2 VOF方法
引入体积分数函数α(x, t)划分混凝土与空气两相分布，流体运动由纳维-斯托克斯(N-S)方程描述，满足连续性方程和动量方程，假设流体不可压缩且不互溶，表面张力采用连续表面力(CSF)模型。
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试验设计
基于缩尺舱室结构设计了6组试验SCS试件，研究不同结构配置对浇筑过程中空洞缺陷体积和分布的影响。
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数值模型验证
通过坍落扩展度和L型箱试验验证数值模型，相对误差分别为1.24%和1.47%，表明模型准确可靠。
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参数影响分析
基于VOF方法模拟SCC流动性和试件浇筑过程，评估了结构参数和浇筑条件的影响。结果表明减少排气孔数量、增大连接件孔间距、布置T形加劲肋、增大SCC屈服应力以及采用过高浇筑速度均会增加空洞体积；排气孔直径和高度以及栓钉间距在考察范围内影响相对有限。
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结论
总结研究主要发现，空洞缺陷主要集中在T形加劲肋附近和四个角落。减少排气孔数量、增加连接件孔间距、布置T形加劲肋、增大SCC屈服应力以及采用过高浇筑速度会增加空洞体积，而排气孔直径和高度以及栓钉间距影响较小。VOF数值模型能有效预测空洞缺陷形成，模拟空洞分布特征与试验结果基本一致，为实际工程提供设计参考。
讨论部分总结：研究人员结合试验与数值模拟，系统分析了SCS组合结构中SCC浇筑空洞缺陷的形成机制与分布规律。通过14个试件试验明确了空洞易发位置及结构参数、浇筑条件的影响，建立了基于VOF方法的数值模型，验证了其在模拟SCC流动和预测空洞缺陷方面的准确性。该研究方法为复杂SCS结构的浇筑质量控制和优化设计提供了理论依据和高效可靠的分析工具，可显著减少物理试验依赖，节省时间与成本。
研究结论翻译：
钢-混凝土-钢(SCS)组合结构因其优异的力学性能和结构性能在工程中被广泛应用。为研究浇筑过程中形成的自密实混凝土(SCC)空洞缺陷的分布特征，研究人员设计了14个具有不同结构参数和浇筑条件的试件。结果表明，空洞缺陷主要集中在T形加劲肋附近和四个角落。减少排气孔数量、增加连接件孔间距、布置T形加劲肋、增大SCC屈服应力以及采用过高的浇筑速度均会增加空洞体积，而排气孔直径和高度以及栓钉间距在研究所涉及范围内对浇筑结果影响相对有限。基于流体体积法(VOF)建立了相应的数值模型以模拟新拌SCC的流动行为并预测空洞缺陷的形成。该数值模型通过坍落扩展度和L型箱试验进行了验证，相对误差分别为1.24%和1.47%。大多数试件的空洞体积率相对误差约为10%，且模拟的空洞分布特征与试验结果基本一致。这些发现可为实际工程应用提供设计参考。
