《Cold Regions Science and Technology》：Shear performance of RC columns under cyclic loading at cryogenic temperatures: Test, simulation and formulation
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针对极寒环境下钢筋混凝土柱（RC柱）抗震性能研究不足的问题，本文通过循环加载试验和微观模拟，系统分析轴压比、剪跨比及箍筋率对-90℃至20℃环境下RC柱抗剪承载力、变形能力和破坏机制的影响。研究发现低温显著提高剪切承载力但严重削弱变形能力，导致脆性剪切破坏风险增加；现行规范公式在低温下的预测精度显著下降，最终基于试验与模拟数据提出了考虑低温效应的改进承载力计算公式。
吴文轩|郭世达|卢波|谢晨曦|刘金|张彬林|杜秀丽
教育部城市安全与灾害工程重点实验室，北京工业大学，北京100124，中国
摘要
随着钢筋混凝土（RC）结构在高纬度和高海拔寒冷地区的应用日益增多，暴露在极寒环境中的RC柱的抗震性能亟需系统研究。为了探索RC柱在低温下的抗震性能，本研究通过循环加载试验和介观尺度模拟系统研究了轴压比、剪跨比和箍筋比的影响。研究结果表明，随着温度的降低，抗剪能力增加；然而，变形能力（如位移比和延性系数）显著下降，裂缝分布趋于倾斜，剪切变形的比例增加，RC柱更容易发生脆性剪切破坏。当轴压比增加时，抗剪能力在室温和低温下先增加后减小。但与室温下的约0.5的阈值相比，-60°C时的轴压比阈值降低到0.4。无论在低温还是室温下，随着箍筋比的增加，抗剪能力和变形能力均呈上升趋势。最后，评估了现有标准（GB 50010-2010、ACI 318-19和CSA A23.3:19）中的抗剪能力计算公式。比较结果表明，现有标准在低温下的预测准确性有所下降。为此，建立并验证了一个考虑低温效应的RC柱抗剪能力改进计算公式。本研究可为极寒环境中混凝土结构的设计和性能提升提供参考。
引言
近年来，混凝土材料和结构在各种暴露于极寒环境的工程结构中得到了广泛应用（Yan等人，2024；Kang等人，2023；Huang等人，2025）。例如，在高纬度地区，正在大规模建设能源开发项目（如北极的亚马尔LNG基地），其中的混凝土结构面临接近-70°C的最低温度威胁（Xie等人，2023）。高纬度和高海拔寒冷地区的交通基础设施（如混凝土路面和桥梁）经常遭受极寒温度（最低温度接近-50°C）和冻融循环的影响（He等人，2025；Yan，2024；Wu等人，2025；Liu等人，2025c；Jin等人，2026a）。另一方面，这些高纬度和高海拔寒冷地区的混凝土结构在其使用寿命期间也可能遭受地震灾害。根据中国地震台网的统计，自2012年以来，青藏地区记录到31次震级≥6.0的地震（代表性地震如2025年的日喀则M6.8地震）。在北极圈附近和北极圈内的地区，记录到15次震级≥6.0的地震（代表性地震如2020年的西伯利亚M6.4地震），如图1所示。因此，寒冷地区的混凝土结构可能面临极寒温度和地震共同作用下的更高风险。因此，迫切需要对混凝土构件在此类条件下的抗震性能进行深入系统的研究，这是安全设计和大规模应用混凝土结构的基础。
与室温相比，混凝土材料在低温下的力学性能会发生显著变化，主要是由于孔隙水冻结、组成材料的不均匀收缩和非线性热应力（Liu等人，2025a；Liu等人，2023；Liu等人，2023）。根据现有低温试验的统计（如图2所示）（Yu等人，2024），随着温度的降低，混凝土的抗压和抗拉强度可以达到室温下的2-3倍。然而，混凝土破坏表现出强烈的脆性特征，延性变形显著减少（Kang等人，2023；Xie等人，2023；Jin等人，2022）。Chen和Shi（2021）的一项最新研究系统量化了冻融循环对混凝土动态断裂能力的降低，并将其与微观孔隙裂缝损伤演变联系起来，为寒冷地区地震情景下的混凝土安全性评估提供了有价值的材料级参考。在结构层面，关于钢筋与混凝土之间的界面粘结行为，低温下孔隙冰的形成以及钢筋和混凝土的热变形会显著影响界面摩擦、化学粘结和机械咬合力。随着温度的降低，粘结强度会提高（Schroeder和Wood，1996；Xie等人，2014；Jin等人，2023；Zhang等人，2023a；Jin等人，2026c）。上述低温下材料性能和粘结性能的变化会影响混凝土构件的整体力学性能，其与温度的关系将变得更加复杂。
最近，对RC柱进行了大量的室温地震试验和数值模拟（Zhang等人，2020；Xie等人，2018；Huang等人，2019；Verderame等人，2008）。对预制与现浇梁柱接头的补充反向循环试验进一步将柱相关研究扩展到结构层面，突出了施工条件对破坏模式和变形能力的影响（Hou等人，2024）。然而，对RC柱在低温下的抗震性能的研究仍然有限，只有少数初步研究报道。Sloan（2005）在22°C、-20°C、-37°C和-40°C的温度下对直径为457.2毫米的RC圆柱进行了地震试验。他发现温度的降低显著提高了构件的强度，但滞回阻尼性能未受到低温的显著影响。Montejo等人（2009a，2009b）通过实验比较了-40°C~20°C温度范围内RC桥柱和钢筋混凝土填充钢管柱的抗震性能，发现低温下抗弯强度和初始刚度显著提高，但耗散性能没有显著变化。然而，Guo和Qian（2016）在16°C和-30°C的温度下对两根RC柱（尺寸为300×300×950毫米）进行了地震性能测试，发现低温后裂缝和极限承载能力分别下降了26%和19%。从这些研究中可以看出，暴露在极寒温度和循环荷载共同作用下的RC柱的承载能力变化规律和机制尚不明确。抗震性能指标的低温效应主要集中在承载能力上，对变形特性的关注较少。此外，现有规范中的承载能力计算公式在低温环境下的适用性尚未得到评估。如何考虑低温对结构设计的影响是一个亟待解决的问题。
为了解决这些研究空白，本研究在-90°C至20°C的温度范围内对RC柱进行了系列准静态试验和介观尺度模拟，定量揭示了低温、轴压比、剪跨比和箍筋比对承载能力、能量耗散、延性系数和位移比等抗震性能指标的影响。测量了总侧向变形中各个变形分量（剪切、滑移和弯曲变形）的比例，以揭示低温下的破坏机制。评估了现有标准中各种温度下RC柱抗剪能力计算公式的准确性。最后，基于试验和模拟得到的箍筋、混凝土和轴向力的剪切贡献比例，提出了一个考虑低温效应的RC柱抗剪能力改进计算公式（基于GB 50010-2010（2015））。本研究可为极寒环境中混凝土结构的设计和性能提升提供参考。
章节片段
试件设计
在本研究中，所有测试的RC柱具有相同的几何尺寸，截面尺寸为200×200毫米，剪跨比为3.0，混凝土保护层厚度为15毫米。纵向钢筋比和箍筋比分别为2.26%和0.28%。RC柱的详细几何尺寸和钢筋布置如图3a所示。为了研究温度和轴压比的影响，选择了四个温度（T=20°C~?90°C）和六个轴压比
最终破坏模式
图6展示了不同轴压比下RC柱在不同温度下的最终破坏模式。对于相同的轴压比0.2，随着温度的降低，裂缝分布更加集中，裂缝数量减少。斜向主裂缝的宽度增加，其倾斜角度也增加。在低温下，剪切斜裂缝传播更快，并伴有局部混凝土的突然破坏。为了准确确定
低温介观建模方法
混凝土是一种由骨料、界面过渡区（ITZ）、砂浆基质和初始缺陷等组成的多相复合材料（Wang等人，2025；Yu等人，2025；Zhang等人，2025b）。由于各组分的熱参数不同，在冷却过程中会产生非线性应力场，这会影响RC柱的力学性能（Zhang等人，2023b；Marcela等人，2024）。然而，传统的宏观模型假设混凝土是
与现有标准的比较
在现有标准中，RC柱的抗剪能力计算公式形式几乎相同，仅有细微差异，这些差异可以视为混凝土的剪切贡献、轴向力和箍筋。本节选择了三个代表性标准GB 50010-2010（2015）、ACI 318-19（2019）和CSA A23.3（2019）进行比较，如表7所示。为了便于比较，相同的变量使用相同的符号
结论
本研究在各种温度下对RC柱进行了系列准静态力学破坏试验和介观尺度模拟，分析了低温、轴压比、剪跨比和箍筋比对承载能力和变形能力的影响。可以得出以下结论：
1)从+20°C到?90°C，剪切变形的比例几乎翻倍，达到30%，而弯曲变形的比例
局限性
本文仅考虑了温度、轴压比、剪跨比和箍筋比的影响，未来需要进一步研究其他影响因素。由于缺乏RC柱在低温下的相关试验数据，基于GB50010-2010提出的改进计算公式需要更多的试验结果进行验证。此外，本文还研究了RC柱的抗震行为和抗剪能力计算方法
作者贡献声明
吴文轩：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，方法论，研究，资金获取。郭世达：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，可视化，研究。卢波：撰写——初稿，研究。谢晨曦：可视化，方法论，概念化。刘金：监督，项目管理，资金获取。张彬林：可视化，研究。杜秀丽：监督，项目管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢以下项目的财政支持：1）国家自然科学基金（52508563）；2）北京建筑大学工程韧性实验室和多功能振动台实验室的科学研究基金（2024MFSTL06）；以及3）北京工业大学重点实验室的开放项目（2024B05）。
