徐善華 牟 林 張宗星 李 柔

(西安建筑科技大學(xué)西部綠色建筑國家重點實驗室，西安 710055)(西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，西安 710055)

輕鋼結(jié)構(gòu)以其重量輕、截面性能好等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于工業(yè)和民用建筑[1-3].冷彎薄壁型鋼是普通鋼材經(jīng)冷彎成型制造的型鋼，一般用作冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)的受彎構(gòu)件[4-7].與相同截面的熱軋鋼相比，冷彎型鋼的回轉(zhuǎn)半徑可提高50%以上，慣性矩可提高50%～180%.然而，許多處于腐蝕環(huán)境的冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)難以通過傳統(tǒng)的防護和構(gòu)造措施避免腐蝕，腐蝕對冷彎薄壁結(jié)構(gòu)造成的危害較常規(guī)鋼結(jié)構(gòu)更加嚴(yán)重[8-11].例如，其較薄的厚度容易被腐蝕，導(dǎo)致有效截面減小，降低構(gòu)件的承載力.同時，腐蝕表面存在不規(guī)則的蝕坑，易引起應(yīng)力集中，降低鋼材的塑性變形能力.

目前，鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕研究主要針對普通鋼結(jié)構(gòu)及鋼筋[12-16]，針對薄壁鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕研究則較少.張世驥等[17]通過對2 mm厚的冷彎薄壁鋼板進行銅加速醋酸鹽霧試驗, 發(fā)現(xiàn)腐蝕對鋼板的強度、伸長率均有所影響.徐善華等[18]通過對工業(yè)環(huán)境服役9 a的冷彎薄壁C形檁條進行拉伸試驗發(fā)現(xiàn)，與未銹蝕試件相比，銹蝕率為36%的試件強度下降約36.66%，伸長率下降約70%，說明銹蝕嚴(yán)重影響冷彎薄壁型鋼鋼材的力學(xué)性能.

本文通過對8根銹損冷彎薄壁C形鋼梁進行受彎承載力試驗，研究了銹蝕對冷彎薄壁型鋼梁破壞模式和受彎承載力的影響.參考《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》[4]和《冷彎型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》(征求意見稿)[5]，對現(xiàn)有的設(shè)計方法進行修正，使其適用于銹損冷彎薄壁C形鋼梁承載力計算.

1 試驗

1.1 試件設(shè)計

試件來源于工業(yè)環(huán)境服役9 a的C形鋼檁條.工業(yè)廠房中存在大量廢蒸汽和粉塵，加速了鋼構(gòu)件涂層的老化，降低了涂層壽命及保護效果，導(dǎo)致鋼構(gòu)件在服役過程中出現(xiàn)不同程度的腐蝕.

原始試件C形截面尺寸為220 mm×70 mm×20 mm×3 mm.依據(jù)銹蝕程度相近的原則，將試件分為4組，每組2個，共計8個試件，并將銹蝕最輕的一組作為對照組，這是因為試件來源于實際工程，沒有同批未銹試件.試件編號見表1.

表1 試件編號

1.2 材料屬性

將不同銹蝕程度試件的腹板、彎角部位沿長度方向切割成標(biāo)準(zhǔn)材性試件.標(biāo)準(zhǔn)試件尺寸根據(jù)《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》(GB/T 228.1—2010)[19]設(shè)計，并按照規(guī)范[20]將試件除銹.材性試驗方法按照國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)[19]的要求進行.材性試驗結(jié)果見表2.

表2 材料力學(xué)性能指標(biāo)

由表2可知，彎角部位強度均高于腹板部位，但腹板部位的延性優(yōu)于彎角部位.隨著腐蝕程度的增加，彎角和腹板的強度與延性整體上呈遞減趨勢.與銹蝕最輕試件U1-1相比，銹蝕最重試件U4-2的腹板部位和彎角部位極限強度分別降低了27%和31%.試件U4-2彎角部位的延伸率僅為5.16%，這是因為腐蝕加劇了彎角部位的冷彎效應(yīng)，使材料更加脆化，說明銹蝕對冷彎材料延性的影響需引起重視.此外，由于銹蝕的不均勻性，同一個試件腹板和彎角的銹蝕程度不同.

1.3 試驗裝置及測點布置

每組2個試件采用背對背拼接，試件計算長度為1 700 mm，中間純彎段長800 mm.令a為彎心至腹板外邊緣的距離，則拼接間距為2a.利用壓型鋼板將2根C形鋼梁的非純彎段部位用自攻螺釘拼接，螺釘間距按照我國規(guī)范[4]設(shè)定，并在加載點以及支座處設(shè)置加勁肋，防止其發(fā)生局部破壞.

試驗采用油壓千斤頂手動加載，千斤頂分別與橫梁、傳感器緊密相連.傳感器的讀數(shù)顯示了每級荷載的加載量與試驗的承載力.在支座位置設(shè)置抗側(cè)移夾具，以防止試件發(fā)生側(cè)向失穩(wěn).加載裝置示意圖見圖1.為獲得試件受壓屈曲臨界荷載，在跨中截面A-A上布置32個應(yīng)變片，編號為S1～S16和S21～S36，在距跨中1/2翼緣寬度的截面B-B和C-C上分別布置4個應(yīng)變片，編號分別為S17、S18、S37、S38和S19、S20、S39、S40.應(yīng)變片布置見圖1.

(c) B-B截面

(d) C-C截面

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試驗現(xiàn)象

圖2給出了加載過程中4組試件的破壞模式.由圖可知，試件的破壞位置均發(fā)生在純彎段內(nèi)，加載點及支座均完好，且隨著銹蝕程度的增大，破壞模式表現(xiàn)多樣.

由圖2(a)和(b)可知，試件U1-1首先在跨中附近發(fā)生受壓翼緣與腹板交線的畸變屈曲(受壓翼緣攜帶卷邊外張，卷邊外凸)；繼續(xù)加載，加載點附近的受壓翼緣和腹板發(fā)生局部屈曲(受壓翼緣向內(nèi)凹陷，腹板外鼓)；最終表現(xiàn)為跨中附近受壓翼緣攜帶卷邊發(fā)生畸變屈曲以及加載點附近卷邊、腹板局部屈曲的相關(guān)屈曲破壞模式.試件U1-2首先在加載點附近發(fā)生受壓翼緣和卷邊的局部屈曲(受壓翼緣和卷邊向內(nèi)凹陷)；繼續(xù)加載，受壓腹板局部屈曲(腹板外鼓)，受壓翼緣與腹板交線處出現(xiàn)畸變屈曲(受壓翼緣攜帶卷邊內(nèi)收)；最終表現(xiàn)為靠近加載點處受壓翼緣、卷邊和腹板局部屈曲以及跨中受壓翼緣攜帶卷邊發(fā)生畸變屈曲的相關(guān)屈曲破壞模式.

(a) 試件U1-1

(b) 試件U1-2

(c) 試件U2-1

(d) 試件U2-2

(e) 試件U3-1

(f) 試件U3-2

(g) 試件U4-1

(h) 試件U4-2

由圖2(c)和(d)可知，試件U2-1首先在加載點附近出現(xiàn)受壓翼緣局部屈曲(受壓翼緣輕微向內(nèi)凹陷)；最終表現(xiàn)為加載點附近受壓翼緣、腹板局部屈曲(受壓翼緣凹陷，腹板外鼓)及翼緣輕微畸變的相關(guān)屈曲破壞模式.試件U2-2首先在加載點附近出現(xiàn)腹板的局部屈曲(腹板外鼓)；最終表現(xiàn)為加載點附近腹板局部屈曲及受壓翼緣攜帶卷邊發(fā)生畸變屈曲的相關(guān)屈曲破壞模式.

由圖2(e)和(f)可知，試件U3-1先在跨中附近發(fā)生受壓翼緣與腹板交線的畸變屈曲和卷邊的輕微局部屈曲(受壓翼緣外張明顯，伴隨卷邊凹陷)；繼續(xù)加載，加載點附近卷邊開裂，腹板出現(xiàn)局部屈曲(腹板外鼓)；最終表現(xiàn)為跨中附近受壓翼緣與腹板交線畸變屈曲以及加載點附近腹板局部屈曲的相關(guān)屈曲破壞模式.試件U3-2首先在跨中附近發(fā)生受壓翼緣與腹板交線的畸變屈曲(受壓翼緣攜帶卷邊外張)；繼續(xù)加載，跨中附近卷邊開裂，在加載點附近發(fā)生受壓翼緣和腹板局部屈曲(受壓翼緣外凸，腹板向內(nèi)凹陷)；最終表現(xiàn)為跨中附近受壓翼緣與腹板交線畸變屈曲以及加載點附近受壓翼緣、腹板局部屈曲的相關(guān)屈曲破壞模式.

由圖2(g)和(h)可知，試件U4-1在加載初期，發(fā)出輕微響聲；隨著荷載的增大，跨中附近受壓翼緣攜帶卷邊發(fā)生畸變屈曲(受壓翼緣攜帶卷邊內(nèi)收)；繼續(xù)加載，跨中附近受壓翼緣、腹板局部屈曲(受壓翼緣內(nèi)凹，腹板外鼓)，卷邊開裂；最終表現(xiàn)為跨中附近受壓翼緣與腹板交線畸變屈曲以及跨中截面受壓翼緣、腹板局部屈曲的相關(guān)屈曲破壞模式.試件U4-2在加載初期會發(fā)出輕微響聲，隨著荷載的增大，受拉卷邊外鼓；繼續(xù)加載，受拉翼緣開裂，隨后跨中受壓翼緣、腹板發(fā)生局部屈曲；最終表現(xiàn)為受拉翼緣脆性斷裂的破壞模式.

綜上所述，銹蝕導(dǎo)致試件的破壞模式呈多樣化，甚至出現(xiàn)斷裂破壞.銹蝕最嚴(yán)重的是試件U4-2，試件尚未屈曲，受拉翼緣已被拉斷.出現(xiàn)脆性破壞的原因在于：①試件銹損嚴(yán)重，其本構(gòu)關(guān)系由塑性轉(zhuǎn)為脆性；②銹蝕的不均勻性導(dǎo)致試件局部銹蝕嚴(yán)重，受拉翼緣出現(xiàn)穿孔和裂紋，當(dāng)該薄弱處率先達到臨界強度后，裂紋迅速擴展導(dǎo)致斷裂.

隨著銹蝕程度的增大，試件U3-2、U4-1的受壓翼緣卷邊開裂.究其原因在于，受壓翼緣發(fā)生畸變屈曲，在荷載作用下畸變屈曲顯著，撓度增大，使得卷邊處于小范圍受拉狀態(tài)，同時，銹蝕導(dǎo)致材料抗拉強度下降，卷邊極易達到其抗拉強度后發(fā)生開裂.

試件U1-1、U2-1、U3-1、U3-2則出現(xiàn)多處破壞(跨中附近及加載點附近)，這是因為試件表面銹蝕程度不一.當(dāng)試件某一截面出現(xiàn)屈曲后，隨著荷載的增加，相對較薄截面也達到臨界屈曲荷載，最終試件表現(xiàn)為多處破壞.

2.2 荷載-位移曲線和荷載-應(yīng)變曲線

試件的荷載-位移曲線和荷載-應(yīng)變曲線分別見圖3和圖4.通過荷載-位移曲線和荷載-應(yīng)變曲線，可確定鋼梁的極限荷載、屈服荷載和臨界屈曲荷載.極限荷載為試件最大試驗荷載；屈服荷載根據(jù)受拉翼緣荷載-應(yīng)變曲線中材性試驗屈服應(yīng)變所對應(yīng)的荷載來確定，鑒于腐蝕的隨機性，應(yīng)變片的屈服載荷略有不同，選擇最小值作為梁的屈服載荷；臨界屈曲荷載為荷載-應(yīng)變曲線中受壓處兩側(cè)壓應(yīng)變出現(xiàn)分叉時所對應(yīng)的荷載.各試件承載力見表3.

圖3 試件的荷載-位移曲線

(a) 試件U1-2

(b) 試件U2-1

(c) 試件U4-2

表3 試驗結(jié)果

由表3可知，銹蝕導(dǎo)致試件的屈服荷載、屈曲荷載和極限荷載降低，并且下降幅度隨著銹蝕程度的增加而加劇.與試件U1-1相比，試件U4-2的屈服荷載和極限荷載分別降低了21.7%和26.0%，試件U4-1的屈服荷載、極限荷載和臨界屈曲荷載分別降低了20.7%、26.0%和43.1%，表明腐蝕對屈曲載荷的影響最明顯.

隨著銹蝕程度的增加，試件U3-2和U4-1在屈服前已發(fā)生屈曲破壞.銹蝕程度最重的試件U4-2的受拉翼緣發(fā)生脆性斷裂，受壓區(qū)并未屈曲.這表明隨著銹蝕程度的增加，試件破壞模式由先屈服后屈曲向直接屈曲或脆性斷裂轉(zhuǎn)變.

由圖4可知，對于銹蝕較輕的試件，在加載初期，試件同一位置處兩側(cè)應(yīng)變曲線并不重合，應(yīng)變速率發(fā)展不一，這是由試件表面的不均勻銹蝕以及初始缺陷導(dǎo)致的.隨著加載的進行，受壓區(qū)凹側(cè)應(yīng)變迅速增長，凸側(cè)應(yīng)變增長相對較慢，甚至出現(xiàn)反向增長，說明試件相應(yīng)位置發(fā)生屈曲.當(dāng)加載荷載迅速下降時，試件破壞，加載結(jié)束.應(yīng)變片S16和應(yīng)變片S12的應(yīng)變在達到極限荷載后近似沿原路返回，說明受拉區(qū)尚未屈服，處于彈性階段.

如圖4(c)所示，對于脆斷試件U4-2，隨著荷載的增大，受壓區(qū)及腹板位置、受拉區(qū)均保持線性增長.當(dāng)荷載達到80 kN時，受壓區(qū)及腹板部位無明顯變化，而受拉區(qū)應(yīng)變片S13的應(yīng)變增長迅速，說明構(gòu)件受拉區(qū)邊緣已接近破壞.當(dāng)加載荷載下降時，試件發(fā)生斷裂破壞.

3 承載力分析

3.1 計算值與試驗值對比

現(xiàn)有冷彎薄壁C形鋼梁設(shè)計方法主要有文獻[4]中的有效寬度法、文獻[5]中的有效寬度法和直接強度法.按照這3種方法分別計算銹蝕梁承載力，并將計算結(jié)果與試驗結(jié)果進行比較，結(jié)果見表4.由表可知，這3種方法的計算結(jié)果與試驗結(jié)果的比值均大于1，說明采用這3種方法計算銹損后冷彎薄壁C形鋼梁的受彎承載力偏于不安全.

表4 現(xiàn)有設(shè)計方法計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比

3.2 修正的有效寬度法

現(xiàn)有設(shè)計方法未考慮銹蝕試件厚度不均勻性，因此其計算結(jié)果和實驗結(jié)果偏差較大.本文采用等效厚度折減系數(shù)對有效寬度法[5]進行修正，使其適用于銹蝕鋼梁受彎承載力計算.圖5給出了厚度折減系數(shù)和質(zhì)量損失率的關(guān)系，再通過數(shù)值回歸分析，得到等效厚度折減系數(shù)計算公式為

(1)

圖5 厚度折減系數(shù)和質(zhì)量損失率的關(guān)系

基于有效寬度法[5]，得到修正公式為

(2)

式中

α=1.15-0.15ψ

式中，b為板件寬度；be為板件的有效寬度；bc為板件受壓區(qū)寬度；ψ為壓應(yīng)力分布不均勻系數(shù)，當(dāng)ψ<0時，α=1.15；σ1為最大壓應(yīng)力，按規(guī)范[5]確定；k為板件受壓穩(wěn)定系數(shù)；k1為板組約束系數(shù)；d=(1-Ds)t為板件殘余厚度，其中t為板件原始厚度.

基于修正公式(2)得到承載力計算結(jié)果，將其與試驗結(jié)果進行對比，結(jié)果見表5.由表可知，計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好，兩者比值平均數(shù)為0.95, 標(biāo)準(zhǔn)差為0.023 3，平均偏差幅值約為5%.說明本文提出的修正公式(2)可用于銹損冷彎薄壁C形鋼梁承載力計算.

表5 修正公式結(jié)果和試驗結(jié)果對比

4 結(jié)論

1) 通過對8根銹損冷彎薄壁C形鋼梁進行承載力試驗，研究了銹蝕程度對銹損冷彎薄壁型鋼梁受彎承載力、破壞模式的影響.發(fā)現(xiàn)銹蝕會改變試件的破壞模式，鋼梁試件出現(xiàn)多處屈曲.隨著銹蝕增加，試件破壞模式由先屈服后屈曲向直接屈曲或脆性斷裂轉(zhuǎn)變.

2) 銹蝕導(dǎo)致鋼梁的屈服荷載、屈曲荷載和極限荷載降低，且下降幅度隨銹蝕程度的增加而加劇，這是由材料厚度減小以及腐蝕不均勻造成的.與試件U1-1相比，試件U4-2的屈服荷載和極限荷載分別降低21.7%和26.0%，試件U4-1的屈服荷載、極限荷載和臨界屈曲荷載分別降低20.7%、26.0%和43.1%.

3) 對于銹損冷彎薄壁C形鋼梁受彎承載力，現(xiàn)有設(shè)計方法無法得出可靠安全的預(yù)測.基于修正公式(2)得到的承載力計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好，說明修正公式能為既有冷彎薄壁型鋼構(gòu)件承載力評估提供重要參考.