趙儉斌,王 啟,2,張延年,公彥法,穆鵬華

(1.沈陽(yáng)建筑大學(xué)土木工程學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110168;2.吉林建筑科技學(xué)院土木工程學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130114；3.中冀建勘集團(tuán)有限公司,河北 石家莊 050200)

地下管道是城市生存發(fā)展的基礎(chǔ)。鑄鐵管強(qiáng)度高，耐久性能好，是地下管道材料的首選[1]。但土壤中的鹽離子，如Cl-半徑較小，可穿透防腐層滲入金屬基材。當(dāng) Cl-質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于 0.515%時(shí)，局部腐蝕最為嚴(yán)重[2]。土壤pH值也屬于腐蝕評(píng)價(jià)指標(biāo)，一般認(rèn)為酸性越大越易腐蝕[3]。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于受侵蝕管道力學(xué)性能已有過(guò)一定研究。K.Miyazaki等[4-8]對(duì)腐蝕后的管道進(jìn)行了受彎特征分析，基本研究出腐蝕后管道的受彎破壞特征及腐蝕參數(shù)對(duì)地下管道有關(guān)失效荷載的影響，但其研究層面多集中于管道管體本身，且存在一定爭(zhēng)議。H.A.Atika等[9-10]先后提出了計(jì)算鑄鐵管內(nèi)表面與外表面腐蝕應(yīng)力強(qiáng)度因子的方法，對(duì)內(nèi)壓和表面載荷作用下的裂紋及有腐蝕缺陷中的裂紋進(jìn)行了分析。針對(duì)更易于受腐蝕的球墨鑄鐵管接口的研究，秦嚴(yán)嚴(yán)等[11-12]分別對(duì)球墨鑄鐵管柔性接口進(jìn)行了抗拉與抗彎分析，得出了最大軸向拉力計(jì)算方法與抗彎力學(xué)模型。周靜海等[13]通過(guò)對(duì)承插式接口的拉拔試驗(yàn)研究，建立了水壓和接口位移模型。谷偉等[14]通過(guò)堿性氯鹽溶液對(duì)球墨鑄鐵雙法蘭連接的腐蝕試驗(yàn),獲得了球墨鑄鐵管法蘭連接在堿性氯鹽侵蝕下的彎曲力學(xué)特征。球墨鑄鐵管本身具有良好的耐腐蝕性能，但管件之間的連接部分易受到侵蝕破知，當(dāng)前研究多為管體本身及柔性接口抗腐蝕與力學(xué)性能研究，對(duì)于常用的球墨鑄鐵雙法蘭短管法蘭連接的研究較少。而球墨管法蘭連接易受土壤中Cl-侵蝕，在實(shí)際工程中存在安全隱患。基于此，因中性土壤占有較大比重，筆者研究中性氯鹽腐蝕對(duì)球墨鑄鐵管法蘭連接的受彎性能影響，進(jìn)行干濕循環(huán)腐蝕處理，然后對(duì)其進(jìn)行抗彎試驗(yàn)，對(duì)比不同腐蝕程度下各試件的極限承載力、極限彎矩、屈服彎矩和抗彎剛度，解決地下管道腐蝕的有關(guān)力學(xué)問(wèn)題。

1 試 驗(yàn)

1.1 試件設(shè)計(jì)

試件規(guī)格參數(shù)如表1所示，形狀及尺寸如圖1所示。根據(jù)《水及燃?xì)夤艿烙们蚰T鐵管、管件和附件》(GB/T 13295—2008),試件全部選用工程中常用的球墨鑄鐵管，連接螺栓為4.8級(jí)M16的普通螺栓。試件共6個(gè)，其中2個(gè)是標(biāo)準(zhǔn)試件，另外4個(gè)是經(jīng)中性NaCl溶液不同循環(huán)次數(shù)處理后的試件，試件分組如表2所示。

表1 試件參數(shù)一覽表Table 1 Specimen parameters List mm

圖1 試件的形狀及尺寸Fig.1 The shape and dimensions of the specimen

表2 試件分組Table 2 Test group

1.2 試驗(yàn)方案

中性鹽溶液為蒸餾水配制的質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%的NaCl溶液，并在25 ℃加稀鹽酸調(diào)節(jié)到pH=7。干濕循環(huán)過(guò)程：先將試件浸泡在鹽溶液中12 h，后取出試樣，將其放置在溶液上方12 h。在干濕循環(huán)腐蝕結(jié)束后，先用稀硝酸去除管件上的腐蝕物，再用清水洗凈試件吹干。

1.3 加載方案

1.3.1 加載裝置

采用3等分兩點(diǎn)加載方式，在沈陽(yáng)建筑大學(xué)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室完成。試驗(yàn)裝置包括1 000 kN拉壓千斤頂、600 kN豎向反力架、承載車(chē)床、數(shù)據(jù)采集器等(見(jiàn)圖2)。

圖2 加載設(shè)備Fig.2 Loading equipment

試件上下為兩個(gè)厚50 mm鋼板焊接制成的弧形支座，且為防止弧形支座中間由于焊縫等凸起引起受力集中，在弧形處粘上一層10 mm厚橡膠。

1.3.2 測(cè)點(diǎn)布置

為了得到試件的整體的位移-荷載曲線。試驗(yàn)過(guò)程共布置3個(gè)豎向位移計(jì)，管身6個(gè)，法蘭12個(gè)，共18個(gè)應(yīng)變片，用來(lái)測(cè)量試件位移。a為管身測(cè)點(diǎn)布置；b為法蘭測(cè)點(diǎn)布置(見(jiàn)圖3)。

圖3 試件的測(cè)點(diǎn)布置Fig.3 Specimen measuring points

1.3.3 試驗(yàn)加載

試驗(yàn)采用分級(jí)加載,并進(jìn)行預(yù)加載，以0.5 kN/s速率連續(xù)加載至4 kN，持荷2 min，然后再均勻卸載至零，記錄初始值。加載速率0.5 kN/s，每級(jí)荷載增量為5 kN，持荷2 min，待穩(wěn)定后記錄位移，再進(jìn)行下一級(jí)加載，直至試件破壞，然后均勻卸載至零。

2 試驗(yàn)現(xiàn)象

加載過(guò)程中，試件的變形相差不大。試件先經(jīng)歷彈性階段，該階段法蘭接口的主要變形來(lái)自于上部橡膠墊圈擠壓。試件的屈服階段有一定差異，試件現(xiàn)象如表3所示，試件破壞情形如圖4所示。

圖4 試件破壞情形Fig.4 Destruction scenario of specimen

表3 試件現(xiàn)象Table 3 Phenomena of specimen during test

標(biāo)準(zhǔn)試件在屈服階段出現(xiàn)響聲是因?yàn)槁菝睌D壓螺桿上的螺紋，而經(jīng)侵蝕后的試件因腐蝕生銹，未出現(xiàn)聲響。標(biāo)準(zhǔn)試件屈服階段主要變形來(lái)自螺栓中螺帽的滑絲。隨著施加荷載的增大跨中撓度也逐漸加大，法蘭連接的下端可以看出明顯的變形。試件B-ZY-25與試件B-ZY-50可以明顯在加載中看到法蘭下部與下部螺栓擠壓，螺帽陷入法蘭中。而試件B-ZY-75與B-ZY-100沒(méi)有明顯看到螺帽陷入法蘭中。

3 結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

試件彎矩的計(jì)算式：

式中：M中為跨中彎矩；F為荷載;L為長(zhǎng)度。

試件彎矩值如表4所示。

表4 試件彎矩Table 4 Bending moment of specimen

圖5為彎矩-跨中撓度曲線。

圖5 試件的彎矩-跨中撓度曲線Fig.5 Moment-deflection curves of specimen

經(jīng)侵蝕試件的屈服彎矩、極限彎矩、極限彎矩與屈服彎矩的比值均隨著侵蝕次數(shù)的增加而減小。

3.2 承載力分析

圖6為極限承載力衰減曲線。標(biāo)準(zhǔn)件的極限承載力并不是最大，是因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)試件由于螺栓的滑絲，沒(méi)有像經(jīng)過(guò)腐蝕處理的試件破壞產(chǎn)生于法蘭盤(pán)與管身連接處。但對(duì)比經(jīng)腐蝕處理的試件可見(jiàn)，隨著干濕循環(huán)侵蝕次數(shù)的增多，試件承載力逐漸下降，腐蝕確會(huì)大幅降低球墨鑄鐵管道的承載能力。

圖6 極限承載力衰減曲線Fig.6 Ultimate strength decay curves

3.3 抗彎剛度分析

圖7為試件的抗彎剛度曲線，試件抗彎剛度隨荷載增大呈明顯的反比例關(guān)系，而隨著侵蝕程度的加劇亦有減小的趨勢(shì)。干濕循環(huán)侵蝕下試件的抗彎剛度受到較大影響，使得試件破壞時(shí)變形過(guò)大。

圖7 試件的抗彎剛度Fig.7 Flexural rigidity of the specimen

3.4 應(yīng)變分析

3.4.1 法蘭盤(pán)應(yīng)變分析

法蘭應(yīng)變?nèi)鐖D8所示。法蘭盤(pán)布置應(yīng)變片12個(gè)，序號(hào)1-12，以逆時(shí)針為序。其中應(yīng)變片5、6布置在下部螺栓周?chē)詼y(cè)量受拉螺栓對(duì)法蘭盤(pán)的影響；應(yīng)變片11、12布置在上部螺栓周?chē)?，以測(cè)量受壓螺栓對(duì)法蘭盤(pán)的影響。

圖8 法蘭盤(pán)應(yīng)變分布Fig.8 Strain curves of flange plate

通過(guò)法蘭盤(pán)的應(yīng)變分布可知，應(yīng)變隨荷載增大，變化較大。在達(dá)到屈服階段后，應(yīng)變速率加劇。比較各處應(yīng)變絕對(duì)值發(fā)現(xiàn)，整體上，法蘭盤(pán)受拉螺栓周?chē)贾玫膽?yīng)變片4、5、6、7應(yīng)變相對(duì)較大，法蘭盤(pán)受壓螺栓周?chē)贾玫膽?yīng)變片1、10、11、12應(yīng)變較小，其他位置應(yīng)變介于二者之間，越靠近螺栓處應(yīng)變?cè)酱螅且驗(yàn)槁菟孜恢么嬖趹?yīng)力集中。

3.4.2 管身應(yīng)變分析

布置應(yīng)變片6個(gè)，序號(hào)13-18，于法蘭盤(pán)根部與距法蘭盤(pán)80 mm的管身處，并分別在管身的上、中、下部對(duì)稱布置。其中應(yīng)變片13、14布置在管身上部受壓側(cè)，應(yīng)變片13緊貼法蘭盤(pán)，應(yīng)變片14距法蘭盤(pán)88 mm，以測(cè)量管身受壓側(cè)的應(yīng)變；應(yīng)變片17、18布置在管身下部受拉側(cè)，應(yīng)變片17緊貼法蘭盤(pán)，應(yīng)變片18距法蘭盤(pán)88 mm。以測(cè)量管身受拉側(cè)的應(yīng)變。圖9為管身應(yīng)變分布。管身應(yīng)變隨荷載增大，變化明顯，進(jìn)入屈服階段后應(yīng)變速率加快。管身上部和下部受壓、拉作用較大的部位應(yīng)變較大。整體上受壓側(cè)應(yīng)變片13、14的應(yīng)變大于受拉側(cè)應(yīng)變片17、18的應(yīng)變，分析試件頂部受壓區(qū)在加載過(guò)程中出現(xiàn)局部屈曲破壞，致使變形過(guò)大。

圖9 管身應(yīng)變分布Fig.9 Strain curves of the pipe surface

為避免受壓區(qū)存在屈曲破壞對(duì)法蘭近端與遠(yuǎn)端應(yīng)變大小對(duì)比的干擾，僅對(duì)比受拉區(qū)應(yīng)變片17與18可以發(fā)現(xiàn)，法蘭盤(pán)近端的應(yīng)變整體上小于法蘭盤(pán)遠(yuǎn)端的應(yīng)變。

整體上管身中部的應(yīng)變遠(yuǎn)大于法蘭處，因此管身的變形明顯大于法蘭連接的變形。而試驗(yàn)過(guò)程觀察發(fā)現(xiàn)，試件破壞從法蘭盤(pán)根部開(kāi)始，驗(yàn)證法蘭連接處更易受腐蝕而破壞，是整個(gè)球墨管道的薄弱點(diǎn)。

通過(guò)各組試件間應(yīng)變分布對(duì)比可知，隨著侵蝕次數(shù)的增加，應(yīng)變有增大的趨勢(shì)，即受腐蝕程度加深會(huì)使得構(gòu)件破壞變形加劇，若周?chē)邢噜徑?構(gòu))筑物，如基礎(chǔ)、管廊等，可能會(huì)對(duì)其產(chǎn)生附加應(yīng)力，造成工程事故。

3.5 法蘭接口的安全儲(chǔ)備分析

通過(guò)極限彎矩和屈服彎矩及其比值(見(jiàn)表4)，可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)腐蝕處理的試件，其極限彎矩與屈服彎矩的比值約在1.3左右，且隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增多而變小。是因?yàn)楦g次數(shù)增加使管壁變薄，極限彎矩比屈服彎矩下降略快，此外螺栓銹跡更重導(dǎo)致屈服極彎矩相對(duì)于極限彎矩增大。

4 結(jié) 論

(1)地下球墨鑄鐵管道最易腐蝕部位為其法蘭連接處，隨著腐蝕程度加大，試件彎曲撓度越大，法蘭盤(pán)變形越明顯，彈性階段縮短，更趨向脆性破壞，僅考慮受腐蝕試件，其極限承載力亦隨之降低，試件中間法蘭連接受彎下降，兩端上翹，變形更大，破壞后果加劇。

(2)隨著荷載增大，試件抗彎剛度呈明顯的反比例關(guān)系，而隨著腐蝕程度的加劇亦有減小的趨勢(shì)。

(3)法蘭界面的極限彎矩與屈服彎矩的比值隨著腐蝕加劇而變小，其安全儲(chǔ)備也越小。

(4)對(duì)于法蘭盤(pán)而言，越靠近螺栓處，其應(yīng)力集中越大，越易破壞，同時(shí)受腐蝕程度加深會(huì)使得構(gòu)件破壞變形加劇。對(duì)于管身而言，受腐蝕后上部受壓區(qū)發(fā)生屈曲破壞，同樣產(chǎn)生較大變形，甚至可能對(duì)相鄰建(構(gòu))筑物產(chǎn)生附加壓力而存在隱患。