CFRP 加固氯離子腐蝕后圓鋼管混凝土短柱軸壓性能研究

鄭致遠，呂學濤，劉 鑫

（佛山科學技術學院交通與土木建筑學院，廣東 佛山 528225）

鋼管混凝土是鋼管用混凝土填充形成的復合結構構件，通過外部鋼管和內部核心混凝土共同承載，大大提升了構件的整體力學性能，且經濟效應顯著，是建設各類型橋梁墩柱的理想結構形式［1-2］。目前，國內外橋墩普遍采用鋼管混凝土結構，然而長期處在潮濕、鹽霧、酸雨或海洋等環(huán)境中的鋼管混凝土構件極易遭受腐蝕出現(xiàn)表面損傷，銹蝕會導致外鋼管的截面面積變小，進而使核心混凝土受到的套箍效應減弱，最終造成構件整體的承載力下降，引發(fā)安全事故［3-4］。在海洋環(huán)境中，根據橋梁結構部件所處環(huán)境條件不同，所發(fā)生的腐蝕形式和特點也各不相同，可分為大氣區(qū)、浪濺區(qū)、潮差區(qū)、水下區(qū)和泥下區(qū)5 種區(qū)域［5-6］。其中浪濺區(qū)和潮差區(qū)是腐蝕最為嚴重的區(qū)域，鋼管外側防腐蝕涂層極易損壞，鋼管在氯離子腐蝕環(huán)境下開始發(fā)生局部腐蝕，所產生的腐蝕物會進一步破壞涂層的物理和化學穩(wěn)定性［7］，從而使防腐涂層發(fā)生大面積脫皮或剝落。鋼管大面積腐蝕后會導致鋼管整體壁厚變薄，力學性能降低，最終破壞鋼管和混凝土的協(xié)同工作。因此有必要研究氯離子腐蝕后的鋼管混凝土受力性能，并針對實際情況研究腐蝕后鋼管混凝土的加固方法。

目前針對氯離子腐蝕環(huán)境下的鋼管混凝土構件已有了較為系統(tǒng)的研究，韓林海等［8-10］對在長期荷載和氯離子腐蝕耦合下的鋼管混凝土進行了試驗研究和理論分析，具體包括受拉、受壓和受彎，在利用ABAQUS 建立考慮長期荷載下混凝土收縮徐變以及惡劣環(huán)境導致鋼管腐蝕影響的有限元模型的基礎上，揭示了構件受力機理，進行了參數分析，并提出對應的簡化計算公式。結果表明長期荷載和腐蝕會顯著降低鋼管混凝土的剛度、承載力和延性，嚴重影響結構的安全性。

受纖維增強復合材料（FRP）加固有原始缺陷的鋼管混凝土柱的啟發(fā)［11-14］，近年來陸續(xù)有學者研究了FRP 加固對腐蝕鋼管混凝土柱的受力性能的影響，F(xiàn)RP 加固結構物的關鍵在于使二者能夠協(xié)調共同受力形成一體。黃海家［15］采用碳纖維增強復合材料（CFRP）布加固機械開孔圓鋼管混凝土短柱，分別研究了機械開孔模擬局部腐蝕對圓鋼管混凝土軸壓短柱受力性能的影響和CFRP 布包裹層數對局部腐蝕圓鋼管混凝土加固效果的影響。試驗結果表明局部開孔會降低圓鋼管混凝土短柱的軸壓承載力、剛度和延性，且隨著開孔長度的增加，降低幅度有所提高。采用CFRP 布加固局部開孔圓鋼管混凝土短柱能夠提高試件的承載力，采用兩層CFRP 布加固時，試件的延性得到明顯改善，整體加固效果更好，試件受力性能接近于未開孔的圓鋼管混凝土。

大量試驗以及工程實踐證明，海水對CFRP 材料各力學性能的影響較?。?6-17］?；诖?，本文先通過氯離子腐蝕后的低碳鋼力學性能試驗，分析了氯離子腐蝕對鋼管力學性能的影響規(guī)律。在鋼管混凝土本構關系中引入氯離子腐蝕對外鋼管彈性模量和屈服強度的折減公式后，利用ABAQUS 分別建立氯離子腐蝕后圓鋼管混凝土軸壓短柱有限元模型和CFRP 加固的氯離子腐蝕后圓鋼管混凝土軸壓短柱有限元模型。對腐蝕后圓鋼管混凝土軸壓短柱進行了受壓分析，對比不同試件在不同銹蝕率下的軸向荷載-位移曲線，研究其全過程受壓機理。最后通過參數分析，提出氯離子腐蝕后圓鋼管混凝土軸壓短柱承載力計算公式與CFRP 加固的氯離子腐蝕后圓鋼管混凝土軸壓短柱承載力計算公式。

1 氯離子腐蝕后低碳鋼力學性能試驗

1.1 試驗概況

鋼材的力學性能是評估鋼管混凝土承載力以及對鋼管混凝土進行受力機理分析的關鍵參數，在海洋環(huán)境中裸露在外的鋼管易遭受到氯離子腐蝕，因此分析氯離子腐蝕對鋼管力學性能的影響規(guī)律就顯得非常重要。

鋼材由Q345B 無縫鋼管上截取，根據規(guī)范《金屬材料拉伸試驗》（GB/T228.1-2010）［18］，設計并制作拉伸試驗試件。由于鋼管混凝土這種特定的組成方式，鋼管暴露于外界環(huán)境，為了考察外部鋼管的腐蝕后力學性能，在拉伸試件的除正面外的其他表面涂抹防腐漆，這樣可以保證銹蝕僅僅在試件的正表面,同時保持試件背面的平整無損。

鋼材腐蝕試驗采用通電加速腐蝕方法進行，穩(wěn)流電源的正極連接到拉伸試件，負極連接到導電金屬，腐蝕速度根據Faraday 定律理論公式控制，腐蝕裝置如圖1 所示。人工海水溶液按照文獻［18］配制，將配置好的人工海水溶液置于試驗容器中。試驗Q345B 鋼材標準拉伸試件厚度分別為2.4 mm、3.4 mm和4.5 mm（分別對應102 mm 直徑的含鋼率為10%、15%、20%的鋼管混凝土墩柱），每組試驗取3 個平行試樣，共27 片拉伸試件。本試驗采用測量腐蝕鋼材殘余質量的方法測定鋼材的銹蝕率，如公式（1）所示。其中γ 為腐蝕率，%；Δm 為因腐蝕鋼材質量的減少值，g；m0為鋼管初始質量，g；m1為腐蝕后鋼管質量，g；參考文獻［19］中的經驗，試驗電流強度控制為0.2×10-3A/cm2。通過腐蝕試驗，可以得到銹蝕率γ 分別為0、10%、20%的試件。

圖1 腐蝕試驗裝置連接示意圖

1.2 腐蝕鋼材力學性能指標

通過單調力學性能加載試驗，可得到鋼材的基本力學性能指標。根據以往研究可知，腐蝕鋼材的力學指標主要集中于屈服強度、抗拉強度、彈性模量以及伸長率。從圖2 中可以看出試驗數據雖然離散，但整體上鋼材屈服強度、彈性模量、抗拉強度和伸長率都隨著銹蝕率的增加呈線性下降趨勢。因此將試驗數據利用最小二乘法擬合，得到銹蝕鋼材彈性模量、屈服強度、極限抗拉強度、極限延伸率折減公式。

圖2 腐蝕鋼材力學性能指標與腐蝕率的關系

彈性模量折減式為

屈服強度折減式為

極限抗拉強度折減式為

極限延伸率折減式為

其中，Ese為鋼材有效彈性模量，GPa；Es為鋼材初始彈性模量，GPa；fye為鋼材有效屈服強度，MPa；fy為鋼材初始屈服強度，MPa；fue為鋼材有效抗拉強度，MPa；fu為鋼材初始抗拉強度，MPa；fδe為鋼材有效極限延伸率，%；fδ為鋼材初始極限延伸率，%；γ 為銹蝕率，% 。

各簡化公式計算值與試驗值基本誤差在15%以內，即本公式可以為低碳鋼力學性能損傷評估提供理論基礎和科學依據。

2 有限元計算模型

2.1 鋼材應力-應變關系模型

在文獻［1］提出的五段式的二次塑流模型的基礎上，按照腐蝕后鋼材強度的變化進行修正，采用鋼材彈性模量和屈服強度折減法，折減計算式見式（2）、（3），提出考慮腐蝕影響的鋼材應力-應變關系模型，具體表達式為

式中，εe=0.8 fye/Ese，εe1=1.5 εe，εe2=10εe1，εe3=100 εe1，A=0.2fy（εe1-εe）2，B=2Aεe1，，Ese=（1-0.537γ）Es，fye=（1-0.676）fy。雖然鋼管腐蝕率普遍根據鋼管腐蝕前后質量的變化進行計算，但是鋼管的銹蝕率也可以通過鋼管壁厚的減少表示［19］，γ=Δt/ ts，Δt=ts-tse，Δt 為因腐蝕鋼管壁厚的減少值，mm；ts為鋼管初始壁厚，mm；tse為腐蝕后鋼管有效壁厚，mm。

2.2 混凝土應力-應變關系模型

本文混凝土本構模型采用劉威提出的塑性損傷模型［20］，用于計算鋼管混凝土軸壓墩柱的力學性能。具體公式為

式中，σ0和ε0分別為混凝土應力-應變關系的峰值應力及峰值應變；fc'為混凝土圓柱體抗壓強度，MPa；fcu為混凝土立方體抗壓強度，MPa；fck為混凝土軸心抗壓強度，MPa；ξe為腐蝕后鋼管混凝土有效套箍系數；αe為腐蝕后含鋼率；Ase為腐蝕后鋼管截面面積，mm2；Ac為混凝土截面面積，mm2。

2.3 CFRP 本構模型

CFRP 為纖維與樹脂膠構成的復合材料，相對于構件整體尺寸，其材料厚度小，且只有纖維方向受力，可將CFRP 看作是理想的彈性材料，其應力-應變關系滿足線彈性關系

式中，σcf為CFRP 環(huán)向拉應力，MPa；Ecf為CFRP 沿纖維方向彈性模量，GPa；εcf為CFRP 環(huán)向拉應變。

考慮本文所模擬CFRP 主要承受沿著纖維方向的拉力，橫向受力可以忽略不計，CFRP 本構采用Lamina 彈性材料，采用Hashin Damage 準則定義斷裂失效，碳纖維布在斷裂之前為線彈性，斷裂之后強度迅速降低為零。因此假定碳纖維布為各向同性的線彈性材料，彈性模量為241 GPa，泊松比為0.3。

2.4 相互作用、邊界條件及網格劃分

采用一端固定一端自由的邊界條件，模型的兩端均設置剛性端板，對模型下端板約束3 個平動自由度以及2 個轉動自由度，上端板約束2 個平動自由度，轉動自由度與下端板一致，對上端板施加豎向位移荷載。外鋼管與混凝土之間采用面-面接觸，相互作用分別為切向摩擦和法向硬接觸；其中切向屬性采用罰函數，法向屬性選擇硬接觸，即表面接觸壓力不受限制。CFRP 布與鋼管之間采用Tie 接觸?；炷梁蜕舷露税宀捎萌S實體單元C3D8R 模擬，鋼管和CFRP 布采用殼單元S4R 模擬，本模型的網格大小取鋼管直徑的1/10，單元尺寸為10 mm×10 mm，如圖3 所示。

圖3 有限元模型的網格劃分和邊界條件示意圖

2.5 模型驗證

對文獻［4］中不同銹蝕率下鋼管混凝土軸壓短柱軸壓承載力進行了模擬和對比；圖4 給出了有限元計算結果與試驗結果對比，計算與試驗結果吻合較好。

圖4 氯離子腐蝕后鋼管混凝土軸壓試件模型驗證

本文對文獻［11］中不同CFRP 包裹層數下鋼管混凝土軸壓短柱軸壓承載力進行了模擬和對比；圖5 給出了有限元計算結果與試驗結果對比，計算與試驗結果吻合較好。

圖5 CFRP 約束鋼管混凝土軸壓試件模型驗證

通過有限元計算結果和試驗結果的對比，可以驗證本文模型的可靠性，進而為后續(xù)軸壓承載力的受力機理分析、參數分析、和構件設計提供理論基礎。

3 軸壓極限承載力計算式

3.1 受力全過程分析

在有限元模型的有效性得到驗證后，對腐蝕后鋼管混凝土試件進行受壓分析，基本參數為：D=100 mm，t=3.2 mm，L=300 mm，fy=235 MPa，fcu=60 MPa，α=0.14。為研究不同銹蝕率對鋼管混凝土柱受壓性能的影響規(guī)律，考慮到銹蝕率γ 的變化，設置0、10%、20%、30%其4 種銹蝕率。圖6 為3.2 mm 壁厚典型試件在經歷氯離子腐蝕作用后，圓鋼管混凝土墩柱的軸向荷載-位移受力全過程曲線。

由圖6 可知，試件在經歷氯離子腐蝕作用后，軸向荷載-軸向位移曲線走勢基本一致；根據宏觀荷載和軸向變形的變化特征分析，在軸向荷載-應變曲線上可確定4 個特征點：O 點為試件加載初始點，A點為鋼管屈服極限，B 點為試件峰值荷載，C 點為荷載下降到峰值荷載的85%所對應的點。則鋼管混凝土受力全過程曲線大致可分為3 個階段：彈性階段（OAi）、彈塑性階段（AiBi）、下降階段（BiCi）。與銹蝕率為0 的試件相比，經歷氯離子腐蝕作用后的試件較早結束彈性階段，且試件的彈性模量隨著銹蝕率增加逐漸減少，這是因為銹蝕率越高，試件外鋼管相應的屈服強度與彈性模量也越小，進而影響試件在彈性階段的力學性能。此外，與銹蝕率為0 的試件相比，腐蝕減小了鋼管的有效壁厚，使得核心混凝土受到的約束效應變弱，經歷氯離子腐蝕作用的試件會提前達到極限承載力，而且隨著銹蝕率的增加，試件極限承載力逐漸降低，達到極限承載力的時間也越早。

圖6 3.2 mm 壁厚典型試件軸向荷載-位移全過程曲線

3.2 參數分析

承載力是試件最基本的力學性能之一，建立圓鋼管混凝土墩柱有限元模型，對海水腐蝕區(qū)鋼管混凝土墩柱軸壓承載力Nu進行參數分析，分析含鋼率α、混凝土立方體抗壓強度fcu、鋼管屈服強度fy、CFRP 包裹層數及銹蝕率γ 對軸壓承載力Nu的影響規(guī)律。

試件基本參數信息為D×t×L=100×3.2×300 mm，α=0.14，fcu=60 MPa，fy=235 MPa。各參數的取值范圍分別為α=0.10～0.20，fcu=40～80 MPa，fy=235～460 MPa，CFRP 包裹層數0～2（每層厚度0.17 mm），γ=0～30%。具體取值詳見表1。

表1 圓鋼管混凝土墩柱軸壓承載力參數分析取值

圖7 給出不同參數對試件軸壓承載力Nu的影響規(guī)律曲線。從圖7 中可見，Nu與γ 的曲線近似呈線性下降關系。當銹蝕率γ 相同時，圓鋼管混凝土柱的軸壓承載力隨著含鋼率、鋼材屈服強度以及混凝土強度的增大而增大，這說明含鋼率、材料強度、腐蝕率是影響海水腐蝕區(qū)圓鋼管混凝土軸壓墩柱軸壓承載力的主要參數。CFRP 布加固顯著增加了腐蝕后的鋼管混凝土軸壓承載力Nu，且包裹層數越多，試件軸壓承載力Nu越大。對應銹蝕率為0、10 %、20 %、30 %的試件，包裹1 層CFRP 布后試件相較未加固的試件軸壓承載力Nu分別提高了50.76 %、59.54 %、66.54 %、65.83 %，包裹2 層CFRP 布后試件相較未加固的試件軸壓承載力Nu分別提高了81.64 %、89.93 %、100.65 %、104.72 %。這是因為腐蝕率的增大雖然使得有效套箍系數ξe減小，但隨著鋼管和核心混凝土橫向變形的增大，CFRP 被拉緊而提供較強的側向約束，提高了混凝土的整體約束效應，進而使試件軸壓承載力Nu大幅增大。

圖7 軸壓強度承載力的影響規(guī)律圖

3.3 軸壓承載力設計方法

在《鋼管混凝土結構技術規(guī)范》（GB50936-2014）［21］中給出的圓鋼管混凝土短柱軸心受壓承載力的計算公式里代入有效套箍系數ξe。

其中，B、C 分別為截面形狀對套箍效應的影響系數，B=0.176 fye/213+0.974；C=-0.104 fck/14.4+0.031；fck為混凝土軸心抗壓強度，MPa；fye為腐蝕后鋼材屈服強度，MPa。

圖8a 給出了海水腐蝕區(qū)圓鋼管混凝土墩柱軸壓承載力的公式計算值Nu1與有限元模擬值Nf1對比，Nu1／ Nf1的平均值為0.990，方差為0.001，按GB50936-2014 規(guī)范的計算值與模擬值和試驗值整體上分布在對稱軸兩側，偏差值相對較小，在15 %以內，說明此規(guī)范適用性較好。

對采用CFRP 加固的試件，還應當考慮CFRP 對試件的約束效應系數。當CFRP 拉斷時，環(huán)向應力取屈服強度fy，CFRP 的環(huán)向拉應力σcf達到其峰值ff，代入有鋼管有效套箍系數ξe，根據文獻［13］，試件軸壓承載力計算公式為

式中，ξf、ξe分別定義CFRP 和鋼管對核心混凝土的有效套箍系數，ff為CFRP 的抗拉強度，MPa；Af為鋼管混凝土外包CFRP 的截面積，mm2；fc'為混凝土圓柱體軸心抗壓強度，MPa。

圖8b 給出了按式（19）計算的CFRP 加固氯離子腐蝕后圓鋼管混凝土計算值Nu2與有限元模擬值Nf2的對比，Nu2/Nf2的平均值為0.952，方差為0.004 4，簡化公式計算值與模擬值基本誤差在15 %以內。

圖8 軸壓強度承載力簡化公式計算值與模擬值的對比

4 結論

本文在對常溫下鋼管混凝土的材料本構進行修正的前提下，利用ABAQUS 分別建立了氯離子腐蝕后圓鋼管混凝土與CFRP 加固氯離子腐蝕后圓鋼管混凝土軸壓短柱有限元模型。通過模擬軸壓荷載作用下試件的軸壓荷載-縱向應變曲線，闡釋了腐蝕后圓鋼管混凝土短柱的受壓機理。在有限元計算結果的基礎上，通過參數分析，分別提出氯離子腐蝕后圓鋼管混凝土軸壓短柱極限承載力計算公式與CFRP加固氯離子腐蝕后圓鋼管混凝土軸壓短柱極限承載力計算公式，得出結論如下：

（1）氯離子腐蝕后，鋼材力學性能指標值離散程度相對較大，但整體上屈服強度、彈性模量、抗拉強度和伸長率都隨著腐蝕率的增加呈下降趨勢。

（2）氯離子腐蝕后鋼管混凝土軸壓墩柱的軸向荷載-位移全過程曲線走勢基本相同，大致可分為3個階段：彈性階段、彈塑性階段及下降階段。在其他條件相同的情況下，試件隨著銹蝕率的增加，提前進入各個受力階段。

（3）銹蝕率、含鋼率、混凝土及鋼材強度與外包CFRP 包裹層數是影響氯離子腐蝕后圓鋼管混凝土軸壓墩柱極限承載力的主要參數。外包CFRP 布加固能有效解決外鋼管銹蝕帶來的整體約束效應降低的問題，并大幅提高試件整體極限承載力。

（4）在考慮銹蝕損傷的條件后，本文的有限元模擬計算值與GB50936-2014 規(guī)范和文獻［13］的計算值吻合度較好，可采用修正后的極限承載力公式計算承載力，為后續(xù)實際應用和工程評估提供參考。