陳夢成，方 葦，黃 宏

(1.華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，南昌 330013；2.軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)維安全與保障技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，南昌 330013)

中國環(huán)境污染相當(dāng)嚴(yán)重，雖然人均排放量低，但污染物的總排放量增長速度驚人。隨著 SO2和H2S等酸性氣體大量的排放(據(jù)統(tǒng)計，每年超過15000萬t，酸雨逐漸成為當(dāng)前世界大氣環(huán)境污染的重要特征，并有漫延及惡化的趨勢。

鋼管混凝土構(gòu)件在服役過程中不可避免地會遭受酸雨等各種自然環(huán)境或人為的影響，發(fā)生外鋼管防銹層脫落，鋼管外壁銹蝕的現(xiàn)象。大量研究結(jié)果表明[1―4]：鋼構(gòu)件會因銹蝕出現(xiàn)表面損傷，進(jìn)而引起力學(xué)性能的下降；嚴(yán)重銹蝕會導(dǎo)致鋼管的有效壁厚變薄、套箍系數(shù)減小，造成鋼管混凝土整體承載力下降，甚至可能成為引起重大工程事故發(fā)生的主要誘因。與此同時，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)因其優(yōu)越的力學(xué)性能和施工便利等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域中，且大多為重要的工程結(jié)構(gòu)，其服役狀態(tài)也常為高應(yīng)力狀態(tài)，任何位置出現(xiàn)紕漏都可能會引起結(jié)構(gòu)的脆性破壞[5]。因此，銹蝕鋼管混凝土構(gòu)件工作性能的研究具有重要的工程意義。

目前，針對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)銹蝕后的性能退化研究已經(jīng)非常成熟，而對銹蝕鋼管混凝土結(jié)構(gòu)性能研究還相對較少。已有的研究成果多是針對與海水接觸所發(fā)生的氯鹽腐蝕，且以鋼管混凝土柱軸向壓/拉性能為主[6―11]。另外，也有單獨針對鋼管[12―14]或者內(nèi)部混凝土[15]的腐蝕研究。而對于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)受酸雨腐蝕后的力學(xué)性能，目前為止研究較少。

本文結(jié)合作者課題組近年來的研究工作，介紹了模擬酸雨環(huán)境下的不同截面形式的銹蝕鋼管混凝土構(gòu)件力學(xué)性能退化規(guī)律。主要包括：銹蝕鋼管混凝土柱協(xié)同工作機(jī)理分析[16―17]、軸壓力學(xué)性能[18―21]、抗彎性能[22―24]和偏壓性能[25―28]。

1 模擬酸雨腐蝕后低碳鋼力學(xué)性能退化規(guī)律研究

了解酸雨腐蝕后鋼片材料的力學(xué)性能退化規(guī)律，是進(jìn)行各種受力作用下酸雨腐蝕后鋼管混凝土構(gòu)件力學(xué)性能研究的基礎(chǔ)。

1.1 試驗方案設(shè)計

本試驗設(shè)計時考慮的主要參數(shù)是鋼材標(biāo)準(zhǔn)拉伸試件的腐蝕程度。試驗中模擬了江西南昌酸雨特征，即使用 Na2SO4、(NH4)2SO4、MgSO4和 Ca(NO3)2溶液進(jìn)行配置，每升模擬酸雨溶液中 Na2SO4、(NH4)2SO4、MgSO4、Ca(NO3)2溶劑的含量分別為0.99 g、0.13 g、0.24 g和0.16 g，pH值用HNO3調(diào)配，pH值為2.3。試驗共選用4組鋼材標(biāo)準(zhǔn)拉伸試件，試件厚度均為4 mm，每組取3片為代表，其中：第一組試件設(shè)定為無腐蝕；第二組試件目標(biāo)腐蝕率設(shè)定為 10%；第三組試件目標(biāo)腐蝕率設(shè)定為20%；第四組試件目標(biāo)腐蝕率設(shè)定為30%。目標(biāo)腐蝕率為鋼管預(yù)計達(dá)到的腐蝕程度，以鋼管厚度的減少作為定義的依據(jù)，實際腐蝕程度無法控制到完全與之吻合。為了方便腐蝕，同時，為了準(zhǔn)確測定腐蝕后鋼材標(biāo)準(zhǔn)拉伸試件的力學(xué)性能，首先，在試件的背面、側(cè)面以及正面的兩端涂抹防腐漆，這樣可以保證僅在試件的正面發(fā)生腐蝕，從而可以定量測量試件腐蝕程度。

鋼材腐蝕后，假定鋼管半徑近似不變，厚度t改變，鋼材體積的變化即可換算為鋼材厚度的變化。依據(jù)重量的物理意義，可用鋼管壁厚減少量來表示腐蝕率ηs，即：

式中：t為鋼管厚度；te為腐蝕后的鋼管厚度。

1.2 試驗結(jié)果

通過單向靜載拉伸試驗，可測定出鋼材的基本力學(xué)性能指標(biāo)，如彈性極限強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、極限抗拉強(qiáng)度、極限延伸率和面積收縮率等。圖1給出了不同腐蝕程度下低碳鋼標(biāo)準(zhǔn)拉伸試件靜力荷載-位移曲線。從圖1曲線比較得知：無腐蝕狀態(tài)下鋼試件具有明顯的屈服臺階和屈服點；當(dāng)試件目標(biāo)腐蝕率為10%，試驗腐蝕率達(dá)到10.44%時，鋼試件雖仍有明顯屈服臺階，但臺階長度縮短，抵抗變形和破壞能力減弱；當(dāng)試件腐蝕率為23.35%時，屈服臺階變短且不明顯，抵抗變形和破壞能力繼續(xù)減??；當(dāng)試件腐蝕率達(dá)到35.44%時，屈服臺階消失，試件的延性嚴(yán)重下降，趨于脆性破壞?？梢?，腐蝕對鋼試件的力學(xué)性能有影響，而且隨著腐蝕程度的加劇，力學(xué)性能退化嚴(yán)重，延性消失，斷裂呈脆性破壞。

圖1 不同腐蝕率的低碳鋼試件靜力拉伸荷載P-Δ曲線Fig.1 Static tensile load P-Δ curves of low carbon steel specimens with different corrosion degree

1.3 腐蝕后材料的力學(xué)指標(biāo)

1)彈性模量

隨著腐蝕率增加，低碳鋼彈性模量呈總體下降趨勢。試驗數(shù)據(jù)雖比較離散，沒有明顯的線性特征，但基本上保持在一定的線性范圍內(nèi)。采用腐蝕率來反映腐蝕低碳鋼彈性模量的變化規(guī)律，經(jīng)線性回歸分析，得到它們的關(guān)系為：

式中：Es為腐蝕后低碳鋼彈性模量；E0為腐蝕前低碳鋼彈性模量。

2)屈服強(qiáng)度

隨著腐蝕率增加，屈服階段逐漸減弱，直至消失。低碳鋼屈服強(qiáng)度隨著腐蝕率的增加呈總體下降趨勢，試驗數(shù)據(jù)基本上保持在一定的線性范圍內(nèi)，通過試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析，得到屈服強(qiáng)度與腐蝕率之間的線性關(guān)系為：

式中：fy為腐蝕后低碳鋼屈服強(qiáng)度；fy0為腐蝕前低碳鋼屈服強(qiáng)度。

3)極限抗拉強(qiáng)度

酸雨腐蝕會削弱低碳鋼極限抗拉強(qiáng)度，降低結(jié)構(gòu)抵抗變形破壞的能力。通過試驗數(shù)據(jù)線性回歸分析，得到回歸方程為：

式中：fu為腐蝕后低碳鋼極限強(qiáng)度；fu0為腐蝕前低碳鋼極限強(qiáng)度。

4)極限延伸率

腐蝕后的低碳鋼延伸率也有明顯地?fù)p失，通過回歸試驗數(shù)據(jù)得：

式中：e為腐蝕后低碳鋼極限延伸率；e0為腐蝕前低碳鋼極限延伸率。

2 軸壓短柱試驗和理論研究

2.1 軸壓短柱的試驗研究

設(shè)計了 31根軸壓短柱試件，主要變化參數(shù)為截面類型(圓形和方形)、核心混凝土的骨料類型(天然骨料、50%天然骨料和50%高鈦重礦渣再生骨料、50%天然骨料和50%普通再生骨料)、鋼管幾何尺寸和環(huán)境類型(不腐蝕、目標(biāo)腐蝕率10%、目標(biāo)腐蝕率20%和目標(biāo)腐蝕率30%)。

對于圓形截面試件，無論腐蝕與否，其破壞形態(tài)相似，均是鋼管表面出現(xiàn)多處嚴(yán)重鼓曲。對于方形截面試件，試件破壞時在鋼管表面出現(xiàn)若干處局部鼓曲，且四個面的鼓曲程度基本相同，部分試件在鼓曲處出現(xiàn)焊縫開裂，腐蝕嚴(yán)重的試件均出現(xiàn)了焊縫開裂，且開裂時間更早。

圖2為不同腐蝕率典型的荷載P-變形Δ曲線的對比圖。圖例中試件編號最后的數(shù)字1、2、3分別表示目標(biāo)腐蝕率為 10%、20%、30%。下同。由圖2曲線可知，隨著腐蝕率的增加，試件極限承載力減小，當(dāng)目標(biāo)腐蝕率不太高(小于 20%)時，彈性階段剛度損失很小，當(dāng)目標(biāo)腐蝕率較高(如接近 30%)時，彈性階段剛度明顯減小。由圖2(b)可見目標(biāo)腐蝕率為30%試件曲線末端出現(xiàn)陡然下降，這是因為焊縫開裂造成。

圖2 不同腐蝕率的軸壓試件P-Δ關(guān)系曲線對比Fig.2 Curves of P-Δof axial compression specimens with different corrosion degree

2.2 軸壓短柱的有限元模擬

利用有限元軟件ABAQUS對試件的荷載-變形全過程關(guān)系曲線進(jìn)行模擬。有限元模型的幾何尺寸按照試件的實際值來選取，對于酸雨腐蝕后的鋼管混凝土，近似地認(rèn)為鋼管均勻腐蝕，按照腐蝕后的鋼管壁厚進(jìn)行模擬計算。圖3給出了典型試件試驗與有限元計算的荷載-縱向應(yīng)變關(guān)系曲線比較圖，計算曲線與試驗曲線一致。圖4給出了所有試件軸壓承載力試驗值與有限元計算值對比，兩者之比的平均值為 0.97，均方差為 0.002。可見，在有限元模擬時，按照壁厚折減的方式來考慮酸雨腐蝕對鋼管混凝土軸壓力學(xué)性能的影響是可行的。

圖3 典型試件試驗與有限元計算的P-ε關(guān)系曲線比較Fig.3 Comparison of the P-ε curves of representative specimen between test and FEM results

圖4 軸壓承載力試驗值與有限元計算值對比Fig.4 Comparison of the axial compression capacity between test and FEM results

2.3 軸壓短柱的承載力計算

分別采用江西省工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn) DB 36/J001－2007《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[29](文中簡稱地標(biāo))和國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50936－2014《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》[30](文中簡稱國標(biāo))中給出的鋼管混凝土軸壓承載力計算公式對本文試驗試件的承載力進(jìn)行計算。對于酸雨腐蝕后的鋼管混凝土，其鋼管壁厚按照腐蝕后的壁厚進(jìn)行計算。圖5給出了軸壓承載力試驗值和公式計算值的對比，其中承載力試驗值與地標(biāo)計算值比值的平均值為 1.02，均方差為0.005，承載力試驗值與國標(biāo)計算值比值的平均值為0.99，均方差為0.003。比較可得，現(xiàn)有規(guī)范結(jié)合壁厚折減的方法可以較準(zhǔn)確估算酸雨腐蝕后鋼管混凝土軸壓承載力，其中江西地標(biāo)計算值略微保守。

圖5 軸壓承載力試驗值與規(guī)范計算值對比Fig.5 Comparison of the axial compression capacity between test and regulations results

3 純彎試驗和理論研究

3.1 純彎構(gòu)件的試驗研究

以截面形狀(圓形和方形)、混凝土骨料類型和腐蝕率(不腐蝕、目標(biāo)腐蝕率10%、目標(biāo)腐蝕率20%)為主要變化參數(shù)共設(shè)計了14個試件。

試驗采用兩點集中力對稱加載，用千斤頂通過反力架施加壓力，由分配梁分配荷載，在跨中形成純彎段，試驗裝置如圖6所示。對于圓鋼管混凝土，由于鋼管采用了無縫鋼管，酸雨腐蝕對圓鋼管(再生)混凝土試件的整體破壞形態(tài)無明顯影響。對于方鋼管混凝土，未腐蝕和低腐蝕率試件的破壞主要是在受壓側(cè)鋼管出現(xiàn)鼓曲或者微小的焊縫開裂；而腐蝕嚴(yán)重的試件(目標(biāo)腐蝕率大于20%)，在接近破壞時會發(fā)出巨響，緊接著焊縫開裂破壞。推測其原因為，酸雨的嚴(yán)重腐蝕，會引起焊縫的明顯損傷。

圖6 純彎試驗裝置圖Fig.6 The pure bending test equipment

圖7給出了不同腐蝕率的圓鋼管混凝土和方鋼管混凝土的跨中彎矩-縱向應(yīng)變關(guān)系曲線圖(圖例中試件編號最后的數(shù)字0表示無腐蝕，數(shù)字1、2、3含義同圖2)。由圖7可知，腐蝕率對鋼管混凝土試件的純彎極限承載力有較大影響。腐蝕率的增加與純彎極限承載力的下降并不成線性，隨著腐蝕率的增加，試件純彎承載力下降幅度加大。此外，所有試件均表現(xiàn)出良好的延性，M-ε曲線未見下降。

3.2 純彎構(gòu)件的有限元模擬

利用有限元軟件ABAQUS對試驗進(jìn)行模擬，分別采用了以下兩種方式來考慮模擬酸雨環(huán)境對鋼管混凝土試件的腐蝕影響：1)壁厚折減，僅考慮酸雨腐蝕造成鋼管壁厚的損失；2)雙重折減，同時考慮酸雨腐蝕引起的鋼管壁厚損失和低碳鋼力學(xué)性能的退化，其中，鋼管的彈性模量和屈服強(qiáng)度采用式(2)和式(3)進(jìn)行折減。圖8給出了分別考慮兩種折減方法進(jìn)行有限元模擬得出的彎矩-跨中撓度曲線，并和試驗結(jié)果進(jìn)行對比。比較圖8的曲線可以發(fā)現(xiàn)：對于無腐蝕試件，有限元方法計算曲線與試驗曲線基本一致；對于腐蝕程度小的試件，兩種方式計算曲線在彈性階段與試驗曲線都較吻合；但對于腐蝕程度較大的試件，僅僅考慮壁厚折減的計算方法高估了彈性和彈塑性階段的剛度及承載力，采用雙重折減的方式可以較準(zhǔn)確地模擬試件彈性階段和彈塑性初期的剛度，但是對承載力估計偏于保守。

圖7 跨中彎矩M-受拉(壓)區(qū)縱向應(yīng)變ε曲線Fig.7 Curves of mid-span moment M-longitudinal strain ε in tension and compressive zone

圖9給出了典型試件在純彎荷載作用下的試驗破壞形態(tài)圖與相應(yīng)的有限元模擬所得的破壞形態(tài)圖。試件呈現(xiàn)出典型的彎曲變形，有限元模擬的試件破壞形態(tài)與試驗結(jié)果一致。

3.3 純彎構(gòu)件的承載力計算

分別采用地標(biāo)和國標(biāo)給出的鋼管混凝土純彎承載力計算公式對本文試驗試件的承載力進(jìn)行計算。其中，酸雨腐蝕對鋼管混凝土的影響分別通過壁厚折減和雙重折減兩種方式來考慮。圖10給出了不同折減方法的純彎承載力計算結(jié)果，其中，試驗純彎承載力取值為受拉最外緣應(yīng)變達(dá)到 0.01時所對應(yīng)彎矩值。由圖10可知，采用壁厚折減計算承載力與試驗值較為接近，采用雙重折減所得計算結(jié)果偏于保守。對比圖10(a)和圖10(b)可以看出，根據(jù)地標(biāo)計算公式所得結(jié)果偏于安全。

圖8 試驗與有限元計算的M-μm曲線比較Fig.8 Comparison of the M-μm curves of representative specimen between test and FEM results

圖9 試驗與有限元模擬破壞形態(tài)比較Fig.9 Comparisons of failure modes between test and FEM element modelling

4 偏壓試驗和理論研究

4.1 偏壓構(gòu)件的試驗研究

以截面形狀(圓形和方形)、偏心距、目標(biāo)腐蝕率和骨料類型為變化參數(shù)，共設(shè)計了 18個鋼管混凝土偏壓試件，圖11為偏壓試驗裝置圖。偏心距通過移動加載板上刀鉸位置來實現(xiàn)。對于圓鋼管混凝土偏壓試件，腐蝕率對其破壞形態(tài)沒有明顯的影響。但對于方鋼管混凝土，未腐蝕試件鼓曲程度明顯，個別試件出現(xiàn)微小的焊縫開裂；腐蝕的試件在加載過程中，產(chǎn)生不明顯鼓曲時就伴隨不同程度的焊縫開裂，且隨著荷載的持續(xù)作用，會聽到一聲巨響，焊縫迅速開裂，承載力快速降低，對于目標(biāo)腐蝕率為20%的試件，焊縫開裂的更明顯，可見，酸雨腐蝕嚴(yán)重時，會造成焊縫的較大損傷。圖12為不同腐蝕程度的方鋼管混凝土試件受壓側(cè)鼓曲位置的剖開圖。由圖12可知：對于無腐蝕試件，核心混凝土明顯被壓碎，即在加載過程中，外鋼管和核心混凝土有較好的協(xié)同作用，共同抵御外部荷載；對于腐蝕的試件，核心混凝土受壓破壞并不明顯，這是由于腐蝕引起外鋼管材性損失和焊縫損傷，加載過程中，試件焊縫開裂，外鋼管較快發(fā)生屈曲，核心混凝土尚未能提供較大的抗壓作用，試件已經(jīng)破壞。此外，加載結(jié)束后，無腐蝕試件的變形較腐蝕試件更大也佐證了上述推測。

圖10 純彎承載力簡化計算值與試驗值的比較Fig.10 Comparison of simplified calculation values and test values of pure bending capacity

圖11 偏壓試驗裝置圖Fig.11 The eccentric compression test equipment

圖12 方鋼管混凝土受壓區(qū)混凝土破壞圖Fig.12 Failure diagram of concrete in compression zone of concrete-filled square steel tubular

圖13給出了不同腐蝕率的圓鋼管混凝土和方鋼管混凝土的荷載P與受壓和受拉區(qū)跨中邊緣纖維處應(yīng)變關(guān)系曲線圖。由圖13可知，偏壓試件的承載力隨著腐蝕率的增加呈降低的趨勢，且隨著腐蝕率的增加，承載力下降幅度也增加。目標(biāo)腐蝕率為20%的試件承載力降低幅度明顯大于10%的試件。腐蝕使試件彈性階段的剛度有一定程度的降低，隨著腐蝕率的增加，試件后期的延性也明顯降低。

圖13 偏壓試件荷載P-受拉(壓)區(qū)應(yīng)變ε曲線Fig.13 Curves of load P-strain ε in tension and compressive zone of eccentric compression specimens

4.2 偏壓構(gòu)件的有限元模擬

利用 ABAQUS軟件對上述鋼管混凝土偏心受壓試件進(jìn)行模擬。分別采用了壁厚折減法和雙重折減法來考慮酸雨環(huán)境對鋼管混凝土試件的腐蝕。圖14為考慮兩種折減法的有限元計算荷載P-壓縮率Δ/L關(guān)系曲線與試驗曲線的比較圖。曲線分析結(jié)果顯示，采用壁厚折減法的有限元計算曲線與試驗曲線吻合較好，采用雙重折減的方法略顯保守。

圖14 不同腐蝕率的偏壓試件的P-Δ/L關(guān)系曲線對比Fig.14 Curves of P-Δ/L of eccentric compression specimens with different corrosion degree

4.3 偏壓構(gòu)件的承載力計算

分別采用地標(biāo)中給出的鋼管混凝土承載力計算公式對本文偏壓試驗試件的承載力進(jìn)行了計算。采用了壁厚折減和雙重折減兩種方式來考慮酸雨環(huán)境對鋼管混凝土腐蝕的影響，圖15給出了承載力計算值與試驗值的比較，采用壁厚折減計算承載力與試驗值較為接近，采用雙重折減所得結(jié)果略偏于保守。

圖15 偏壓承載力簡化計算值與試驗值的比較Fig.15 Comparison of simplified calculation values and test values of eccentric bearing capacity

5 結(jié)論

(1)酸雨腐蝕后的低碳鋼標(biāo)準(zhǔn)拉伸試驗表明，腐蝕會使低碳鋼的力學(xué)性能退化。隨腐蝕率變化，材料的屈服強(qiáng)度、彈性模量、極限抗拉強(qiáng)度和極限延伸率都會發(fā)生變化。

(2)酸雨腐蝕率達(dá)到 20%后，方鋼管混凝土的焊縫產(chǎn)生腐蝕損傷，表現(xiàn)為加載后期受壓區(qū)焊縫處(純彎和偏壓試驗中)突然開裂。

(3)隨著腐蝕率的增加，鋼管混凝土試件(軸壓、純彎、偏壓)的承載力降低幅度呈非線性增長。

(4)在利用有限元軟件 ABAQUS建模對試件的荷載-變形關(guān)系曲線進(jìn)行模擬時，采用壁厚折減的方法考慮腐蝕的影響，可以較好地模擬軸壓和偏壓試件的試驗曲線和極限承載力以及純彎試件的極限承載力。采用壁厚和材性雙重折減方法可以較好地模擬試驗曲線的彈性階段剛度。

(5)利用江西省地方標(biāo)準(zhǔn)的計算公式結(jié)合壁厚折減的方法，可以較準(zhǔn)確估算酸雨腐蝕后鋼管混凝土軸壓、純彎和偏壓承載力。