腐蚀后钢管混凝土力学性能研究进展

研究背景

Research background

钢管混凝土因具有强度高、韧性好、抗震性能优良和施工便捷等特点,而被广泛应用于建筑结构、地下工程、桥梁结构、石油钻井平台以及输电塔等结构中。研究发现,沿海环境、潮湿和酸雨气候服役的钢管混凝土易出现腐蚀,见图 1。腐蚀会造成钢材力学性能的劣化,降低钢材强度和延性,引起承载力、塑性变形能力和组合弹性模量降低。因此,腐蚀后钢管混凝土力学性能研究是工程界亟需解决的问题之一,也是进一步研究在役钢管混凝土结构耐久性的重要问题。

图 1 腐蚀后的钢管混凝土

腐蚀后钢管混凝土力学性能的研究,主要集中在整体腐蚀和局部腐蚀对钢管混凝土性能的影响,包括荷载、环境、腐蚀等多因素耦合下钢管混凝土性能的研究,并对腐蚀后钢管混凝土的加固方法进行了讨论。总结国内外学者研究成果,本文深入分析了腐蚀对钢管混凝土轴压、轴拉、偏压和抗震性能的影响规律,对腐蚀形貌、计算理论及有限元分析方法进行了对比总结。并对未来的发展趋势提供了建议及展望,为腐蚀后钢管混凝土的安全评估和维护加固提供参考。

1 腐蚀形貌研究

腐蚀形貌研究主要是对截面面积、腐蚀深度、粗糙度、分形维数和功率谱密度函数等参数进行评价分析。学者主要通过自行编制形貌分析程序、建立腐蚀深度随机场模型与腐蚀坑随机分布模型、借助扫描仪重构三维图等方法进行腐蚀形貌研究。

腐蚀板有不规则表面,见图 2,并根据等效公式可将腐蚀坑在一定程度上等效为特定厚度的均匀腐蚀。为提高分析效率,研究人员通过形貌扫描提取关键参数后编制形貌分析程序,采用图形识别算法获取腐蚀坑的宽度,此方法仅能识别理想圆形蚀坑, 无法确定不规则蚀坑及蚀坑深度等三维信息。自编程序引导 WLI 仪器识别腐蚀坑位置的方法可以确定深度、宽度等,但仅适合于早期点蚀特征的精细化分析。采用新型 Weibull 函数可以描述坑蚀深度随时间的变化趋势,计算的坑蚀平均深度近似等于腐蚀平均深度。

a-不规则表面；b-腐蚀表面模拟。

图 2 腐蚀板不规则表面

基于钢板腐蚀特征的统计分析建立了腐蚀深度随机模型,该模型运用公式对扫描数据进行处理,计算得到平均腐蚀深度及腐蚀深度标准差,通过随机模型的形式表征腐蚀深度。Teixeira 等提出了腐蚀深度随机场理论,该方法利用不同位置的腐蚀数据,建立蚀坑的空间分布,得到腐蚀后钢板强度,研究表明随机场理论能够替代传统的厚度折减法。基于钢材截面轮廓数据建立的伪二维腐蚀深度随机场模型无法考虑腐蚀深度与长度在各方向的相关性,因而其重建形貌与真实形貌存在较大差别。根据测量数据提出的腐蚀坑分布模型,忽略了实际腐蚀坑形状变异性与参数统计规律,因此准确性难以得到保证。

研究表明钢材局部腐蚀后的性能取决于腐蚀位置、最大腐蚀深度和面积。通过统计钢材局部最大腐蚀深度和粗糙度,建立 W-M 分形模型来对钢材腐蚀形貌进行模拟,建立了腐蚀坑尺寸参数、形状参数和统计参数,为腐蚀后钢材的性能预测奠定了基础。

借助 ST400 三维非接触表面形貌仪对加速腐蚀的钢板试件进行表面形貌测量,在获取腐蚀深度随机分布特征及二维功率谱密度函数方程后,发现腐蚀深度大致服从正态分布,建立了腐蚀深度随机场模型和腐蚀坑随机分布模型,研究表明通过表面扫描仪扫描后进行三维形貌重构的方法能够准确地模拟腐蚀后钢结构的腐蚀特征。局部腐蚀最大蚀孔深度也服从 Gumbel 分布函数。研究表明:通过质量损失比建立的随机分布函数和时变模型可以很好地描述腐蚀过程,证明质量损失比符合正态分布。

目前腐蚀形貌的表征方法主要有三大类:1) 通过编制程序引导采集仪识别腐蚀坑位置的方法,该类方法优势在于能够精确其深度和宽度,但仅适合于轻度腐蚀的精细化分析,存在一定局限性。2) 运用新型 Weibull 函数、粗糙度、分形维数和功率谱密度函数等表征腐蚀形貌的方法,该类方法与实际腐蚀形貌存在较大差别。3) 运用三维表面扫描仪可以对腐蚀后钢管混凝土表面形貌进行三维重构,该类方法精度较高。

2 腐蚀后钢管混凝土静力性能

2.1 腐蚀后钢管混凝土轴压性能

近年来相关学者对腐蚀后钢管混凝土的轴压性能进行了广泛的研究,主要包括整体腐蚀和局部腐蚀后钢管混凝土柱的轴压性能。腐蚀后钢管混凝土的轴压承载力的计算方法通常采用叠加理论或统一理论。

2.1.1 整体腐蚀后钢管混凝土轴压性能

腐蚀使钢管壁变薄,钢管对混凝土的约束效应减弱,随着腐蚀率增加,钢管混凝土的承载力、钢材强度、变形能力都有不同程度的降低。钢材的抗拉强度和屈服强度随着腐蚀率的增加而降低,不同强度等级钢材的弹性模量和伸长率的下降趋势基本相同,见图 3。试件破坏模式会随着腐蚀率的增加由剪切型破坏变成腰鼓型破坏。

a—屈服强度; b—抗拉强度; c—弹性模量; d—伸长率。

图 3 腐蚀率对钢材性能的影响

腐蚀后钢管混凝土达到峰值荷载后仍具有一定的塑性变形能力,研究表明:当腐蚀率由 0% 增长为 20%、33.3%、50% 时,钢管混凝土试件的承载力下降幅度增大,分别下降 15.94%、17.97%、26.34%,如图 4a 所示。

a—腐蚀率; b—荷载和腐蚀率。

图 4 不同因素影响下的荷载-位移曲线

在工程中,钢管混凝土会受到多种环境因素的组合作用,如腐蚀环境与长期荷载或冻融环境等因素耦合。研究表明腐蚀的影响要大于冻融或长期荷载的影响。

混凝土强度、冻融循环次数和腐蚀率对腐蚀后钢管混凝土的轴压破坏模式影响不大,但对承载力影响显著。构件延性随冻融循环次数的增加而减小,且腐蚀是影响延性的关键因素。

考虑长期荷载和腐蚀共同作用的钢管混凝土,其钢材屈服强度越大,腐蚀影响越明显;点蚀的出现使构件延性降低。试验表明:在长期轴压荷载和腐蚀耦合作用下的钢管混凝土,当轴压比为 0.6,腐蚀率为 12.5%时,极限强度下降 9.2%,弹性刚度降低 30.1%,同时腐蚀对钢管混凝土的刚度影响显著,如图 4b 所示。

整体腐蚀后钢管混凝土的承载力计算方法主要为统一理论和叠加理论,如陈梦成等基于统一理论,运用《钢管混凝土结构技术规范》中的套箍系数,建立了腐蚀后钢管混凝土轴压极限承载力公式,如式(1):

式中:  N 为极限承载力; f _y 为钢管屈服强度; f _c 为混凝土抗压强度;  f _ck 为混凝土抗压强度标准值;  A _s 为钢管截面面积;  A _c 为混凝土截面面积; θ 为套箍系数; θ ′ 为腐蚀后的套箍系数。

Zhang 等基于叠加理论对试验和有限元结果通过非线性回归分析,得到腐蚀后薄壁钢管混凝土柱的轴压承载力计算公式(2):

式中: k ₁ 和 k ₂ 分别为钢管和混凝土的增强系数。由于核心混凝土可以充分利用钢管的抗压强度, k ₁ 可以设置为 1。

研究表明基于叠加理论提出的腐蚀后薄壁钢管混凝土柱承载力的误差较小,基于统一理论推导薄壁钢管混凝土柱承载力公式平均比试验数据低17%,基于叠加理论提出的计算公式精度更高。

2.1.2 局部腐蚀后钢管混凝土轴压性能

在构件运输、加工和服役过程中容易造成防锈层的局部损坏而引起构件局部腐蚀,局部腐蚀在工程中比较常见。腐蚀位置不同对钢管混凝土试件的轴压承载力的影响程度也不同。腐蚀区域的形状可以通过周向尺寸、纵向尺寸以及沿壁厚的局部腐蚀率来描述,其中局部厚度腐蚀对钢管混凝土试件的剩余承载力的影响最大。

研究发现当腐蚀率和面积相同时,局部腐蚀位于构件中部位置时承载力削弱最大;有两个腐蚀坑时,其夹角越大构件承载力越大。钢管混凝土的局部腐蚀可以通过机械开口的方法进行模拟,研究发现开口方向与试件承载力有密切关系,有水平切口和斜缺口的试件刚度下降严重,有垂直缺口的试件影响较小。

许多学者运用 CFRP 加固局部腐蚀的钢管混凝土,发现腐蚀角度和深度对腐蚀后加固 CFRP 的试件的承载力影响较大,腐蚀的长度影响较小。使用 CFRP 布加固有开口的圆钢管混凝土短柱,发现开孔会影响试件的破坏模式,且 CFRP 在加载过程中会突然断裂,试件的延性随着开孔的长度增加而降低。通过 CFRP 对整体腐蚀后的钢管混凝土柱进行加固,发现钢管屈服后 CFRP 仍能够对试件起约束作用,且 CFRP 加固层数对提高试件的扭转和弯曲能力有显著的影响。

在高温潮湿下的构件,加固 CFRP 后可以密封桩基础,能够有效地防止腐蚀物进入,使用更多层的CFRP 可以更好地提高桩的耐腐蚀性能和承载能力,且干湿交替区是最严重的腐蚀区。

2.2 腐蚀后钢管混凝土轴拉性能

腐蚀后的试件在拉伸荷载从加载开始到加载结束时其延性都在不断增加,没有明显的屈服平台现象。且钢管与混凝土的组合作用使构件的极限抗拉强度提高了 5% ~ 10%。对腐蚀和长期轴拉荷载共同作用下的试件建立有限元模型,发现腐蚀会导致轴拉承载力下降,并且发现腐蚀后钢管混凝土试件的承载力下降的幅度比空钢管下降幅度略低,表明核心混凝土能一定程度地提高轴拉承载力。

2.3 腐蚀后钢管混凝土偏压性能

研究表明偏心距和腐蚀率是影响腐蚀后钢管混凝土偏压承载力的主要因素。腐蚀后钢管混凝土的偏压试验发现弯矩主要由钢管承担。钢管混凝土的偏压试验中,当腐蚀率大于 20% 时,由于焊接区域的腐蚀损伤,引起钢管焊缝处过早开裂,导致承载力迅速降低。腐蚀率相同时,构件刚度随着偏心距增加而降低,如图 5 所示。

图 5 不同腐蚀率下的荷载-位移曲线

腐蚀后钢管混凝土轴压性能的研究主要集中在整体腐蚀、局部腐蚀、CFRP 加固及多因素耦合作用对其轴压性能的影响,并建立了腐蚀后轴压承载力公式,轴压性能的研究已经相对成熟。目前对腐蚀后钢管混凝土的轴拉和偏压性能的研究主要为整体腐蚀对其性能的影响,而局部腐蚀后钢管混凝土轴拉和偏压性能的研究相对较少。相较于整体腐蚀,局部腐蚀引起的失重率很小,但会引起构件应力集中、屈曲提前、承载力降低,严重威胁结构安全。因此,今后有必要增加局部腐蚀影响下钢管混凝土轴拉及偏压性能的研究。