隨機(jī)點(diǎn)蝕圓鋼管柱力學(xué)性能試驗(yàn)與應(yīng)用分析

楊明飛，董悅奇，程華瑞，沙志平，陳宜網(wǎng)

（1.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.中國(guó)二十冶集團(tuán)有限公司工程設(shè)計(jì)研究院，上海 201900；3.安徽圣沃建設(shè)集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230001）

鋼的耐腐蝕性較差，尤其在潮濕環(huán)境中更容易發(fā)生腐蝕損傷，其中以點(diǎn)蝕損傷最為常見(jiàn)。點(diǎn)蝕又稱為孔蝕，是一種集中于金屬表面很小的范圍并深入到金屬內(nèi)部的腐蝕形態(tài)。由于鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件中大陰極與小陽(yáng)極這種腐蝕電池的存在，使得構(gòu)件局部鹵素離子不斷入侵，金屬離子不斷析出，最終形成了陽(yáng)極區(qū)域局部高度集中的腐蝕形式。點(diǎn)蝕損傷會(huì)影響構(gòu)件的屈服荷載和彈性模量等力學(xué)屬性，從而影響結(jié)構(gòu)的安全。從人類社會(huì)大量使用鋼結(jié)構(gòu)至今，許多國(guó)內(nèi)外專家、學(xué)者已經(jīng)對(duì)鋼材發(fā)生點(diǎn)蝕損傷進(jìn)行了大量研究[1-4]。Nakai 等[5]分析了海洋環(huán)境中船舶的點(diǎn)蝕損傷，研究了腐蝕坑的形態(tài)，提出了不同腐蝕坑形狀隨時(shí)間的作用。馬厚標(biāo)等[6]研究了高強(qiáng)度鋼材表面的點(diǎn)蝕損傷對(duì)鋼材力學(xué)性能的影響，得出點(diǎn)蝕損傷導(dǎo)致的局部應(yīng)力集中是引起鋼材屈服平臺(tái)消失和力學(xué)性能衰退的主要原因。Rahbar-Ranji 等[7]采用非線性有限元方法比較了不規(guī)則腐蝕板和均勻腐蝕板的極限強(qiáng)度，并引入折減系數(shù)，為評(píng)價(jià)腐蝕構(gòu)件的強(qiáng)度提供了依據(jù)。Silva等[8]和Karagah 等[9]研究了隨機(jī)腐蝕厚度分布對(duì)單軸壓縮無(wú)筋矩形鋼板極限強(qiáng)度的影響。徐善華等[10]采用三維形貌測(cè)量技術(shù)測(cè)得不同銹蝕程度鋼板表面點(diǎn)蝕坑幾何參數(shù)，并通過(guò)單調(diào)拉伸試驗(yàn)和有限元數(shù)值分析研究了點(diǎn)蝕損傷對(duì)鋼板延性的影響。吳兆旗等[11]對(duì)局部銹蝕的圓鋼管構(gòu)件進(jìn)行軸壓力學(xué)性能正交試驗(yàn)，研究了環(huán)向銹蝕比例、軸向銹蝕比例和銹蝕時(shí)間等因素對(duì)圓鋼管中長(zhǎng)柱軸壓性能的影響。此外，一些國(guó)內(nèi)專家、學(xué)者通過(guò)試驗(yàn)及利用有限元軟件模擬對(duì)點(diǎn)蝕損傷構(gòu)件的力學(xué)性能做了進(jìn)一步研究[12-15]。

本文設(shè)計(jì)了隨機(jī)點(diǎn)蝕圓形鋼管柱軸壓試驗(yàn)，考慮了內(nèi)徑（Rn）和點(diǎn)蝕損傷強(qiáng)度（DOP）對(duì)圓形鋼管柱力學(xué)性能的影響。利用ANSYS 有限元軟件分別建立了損傷構(gòu)件和非損傷構(gòu)件的數(shù)值模型；接著進(jìn)行非線性分析，通過(guò)控制點(diǎn)蝕參數(shù)和改變點(diǎn)蝕損傷位置，確定了點(diǎn)蝕損傷對(duì)構(gòu)件屈服載荷的影響；最后，通過(guò)分析得出了一些有價(jià)值的結(jié)論。

1 點(diǎn)蝕損傷構(gòu)件試驗(yàn)分析

1.1 試驗(yàn)參數(shù)與工況

試驗(yàn)中構(gòu)件高度L 為0.5 m，壁厚T 為0.004 m。點(diǎn)蝕損傷構(gòu)件如圖1 所示。

圖1 點(diǎn)蝕損傷構(gòu)件

隨機(jī)點(diǎn)蝕損傷構(gòu)件上的點(diǎn)蝕坑深d 為0.003 m，半徑r 為0.004 m，點(diǎn)蝕區(qū)域?yàn)?L/5 柱腳。將點(diǎn)蝕區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，點(diǎn)蝕坑的具體位置根據(jù)ANSYS 有限元軟件中的隨機(jī)函數(shù)確定。同時(shí)，點(diǎn)蝕坑的數(shù)量P 由DOP 決定，按照構(gòu)件基本參數(shù)選擇合理的點(diǎn)蝕損傷強(qiáng)度。這里，DOP 根據(jù)式（1）計(jì)算。

Api為第i 個(gè)坑的截面積，由式（2）計(jì)算；di是坑的直徑；A 為局部點(diǎn)蝕區(qū)面積，在此截面模型中，由式（3）計(jì)算。

軸向壓縮試驗(yàn)在安徽理工大學(xué)地下結(jié)構(gòu)工程實(shí)驗(yàn)室電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（100 t）上進(jìn)行。試驗(yàn)采用分級(jí)加載方法：第一階段采用理論計(jì)算得到的設(shè)計(jì)極限荷載的1/10 進(jìn)行預(yù)緊。在此之后，加載速率保持在2 mm/min。當(dāng)試件在經(jīng)度方向的位移達(dá)到25 mm 時(shí)，宣告試驗(yàn)結(jié)束。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 試驗(yàn)結(jié)果

1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

1.2.1 屈服荷載分析

三種不同內(nèi)徑損傷構(gòu)件的屈服荷載隨DOP 變化的曲線如圖2 所示。

圖2 屈服荷載-DOP 曲線

由圖2 可知，隨著DOP 的增大，三種不同內(nèi)徑損傷構(gòu)件的屈服荷載均近似呈現(xiàn)線性下降趨勢(shì)。

當(dāng)Rn 為16 mm 時(shí)，隨著DOP 的增大，損傷構(gòu)件的承載能力逐漸被削弱，屈服荷載分別下降了5.27%、7.52%、12.31%，影響較為顯著。當(dāng)Rn 為36 mm 時(shí)，隨著DOP 的增大，屈服荷載下降趨勢(shì)較低，屈服荷載分別下降了1.53%、5.79%、4.56%，影響相對(duì)較?。籇OP 為3%時(shí)的屈服荷載為358.72 kN，屈服荷載僅下降了4.56%，下降幅度約為前者三分之一，影響較小。構(gòu)件發(fā)生點(diǎn)蝕損傷時(shí)，內(nèi)徑越小構(gòu)件屈服荷載下降越大。

1.2.2 彈性模量分析

三種不同內(nèi)徑損傷構(gòu)件的彈性模量隨DOP 變化的曲線如圖3 所示。

圖3 彈性模量-DOP 曲線

由圖3 可知，隨著DOP 的增大，三種不同內(nèi)徑損傷構(gòu)件的彈性模量均顯著下降，下降趨勢(shì)可以近似用線性表示。并且，彈性模量下降幅度與內(nèi)徑大小顯著相關(guān)。

當(dāng)DOP 為3%時(shí)，Rn 為16 mm 的損傷構(gòu)件的彈性模量?jī)H為180.34 GPa，降低了14.92%；而Rn為36 mm 的損傷構(gòu)件的彈性模量為197.75 GPa，僅降低了7.12%，下降幅度僅為前者一半左右。DOP對(duì)內(nèi)徑較小損傷構(gòu)件的彈性模量影響較大，對(duì)內(nèi)徑較大損傷構(gòu)件的彈性模量影響較小。

1.2.3 應(yīng)變分析

應(yīng)變測(cè)點(diǎn)T1 位于環(huán)向點(diǎn)蝕坑之間，T2 位于縱向點(diǎn)蝕坑之間，如圖4 所示。應(yīng)變測(cè)點(diǎn)處布置單向應(yīng)變片，并用靜態(tài)應(yīng)變儀測(cè)出應(yīng)變值。三種內(nèi)徑的隨機(jī)點(diǎn)蝕損傷構(gòu)件，在DOP 為4%時(shí)，對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變發(fā)展趨勢(shì)大致相同。以內(nèi)徑為26 mm 的損傷構(gòu)件為例，測(cè)點(diǎn)T1、T2 的荷載-應(yīng)變曲線如圖5 所示。

圖4 測(cè)點(diǎn)位置

圖5 荷載-應(yīng)變曲線

由圖5 可知，環(huán)向點(diǎn)蝕坑之間T1 的應(yīng)變發(fā)展迅速，構(gòu)件達(dá)到屈服狀態(tài)時(shí)應(yīng)變?yōu)?5 100με；縱向點(diǎn)蝕坑之間T2 的應(yīng)變發(fā)展較為緩慢，構(gòu)件達(dá)到屈服狀態(tài)時(shí)應(yīng)變僅為-1 833με。構(gòu)件發(fā)生隨機(jī)點(diǎn)蝕損傷時(shí)，構(gòu)件環(huán)向應(yīng)變發(fā)展明顯快于縱向應(yīng)變發(fā)展。

2 點(diǎn)蝕損傷構(gòu)件數(shù)值分析

2.1 無(wú)損圓形鋼管柱

根據(jù)試驗(yàn)中的無(wú)損圓形鋼管柱參數(shù)建立其數(shù)值模型，模型中鋼材使用SHELL 181 單元模擬，泊松比為0.3，彈性模量為206 GPa，材料假設(shè)為彈塑性體，采用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型（BKIN）。

無(wú)損圓鋼管柱構(gòu)件試驗(yàn)變形情況與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致，其中內(nèi)徑為36 mm 的構(gòu)件的荷載-位移試驗(yàn)曲線與數(shù)值曲線如圖6 所示。

圖6 荷載-位移曲線

由圖6 可以清楚地看出，試驗(yàn)構(gòu)件的荷載-位移曲線與數(shù)值分析得到的曲線吻合較好。試驗(yàn)曲線上屈服荷載為375.87 kN，數(shù)值曲線上屈服荷載為371.36 kN。試驗(yàn)和數(shù)值分析的其余結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 無(wú)隨機(jī)點(diǎn)蝕損傷圓形鋼管柱的屈服荷載

由圖7 可知，當(dāng)內(nèi)徑為36 mm，DOP 為2%時(shí)，通過(guò)數(shù)值模型得到的荷載-位移曲線與試驗(yàn)得到的荷載-位移曲線吻合較好。試驗(yàn)曲線上屈服荷載為354.10 kN，數(shù)值曲線上屈服荷載為358.23 kN。試驗(yàn)和數(shù)值分析的其余結(jié)果見(jiàn)表3。

圖7 荷載-位移曲線

表3 中屈服荷載的試驗(yàn)值由荷載-位移曲線得到。由表3 可知，在9 個(gè)誤差數(shù)據(jù)中，數(shù)值與試驗(yàn)值的最大誤差為-11.78%，最小誤差僅為1.17%。從以上分析可以看出，損傷和未損傷構(gòu)件的數(shù)值模型是合理的，可以用于后續(xù)的分析。

表3 隨機(jī)點(diǎn)蝕損傷圓形鋼管柱的屈服荷載

3 點(diǎn)蝕損傷構(gòu)件應(yīng)用分析

井架一般位于露天環(huán)境中，井架構(gòu)件在長(zhǎng)期服役過(guò)程中受到雨水沖刷等環(huán)境因素影響，易發(fā)生點(diǎn)蝕損傷造成構(gòu)件承載能力降低，進(jìn)而影響井架結(jié)構(gòu)的安全性，如圖8 所示。

圖8 井架

3.1 參量設(shè)置

在井架結(jié)構(gòu)的服役過(guò)程中，其底部柱子由于接近地面，更易受到點(diǎn)蝕損傷。為了對(duì)柱子進(jìn)行更好的防護(hù)，需要研究柱子的點(diǎn)蝕損傷敏感區(qū)。因此，沿縱向?qū)p傷范圍分別設(shè)為L(zhǎng)/5、2L/5、3L/5，如圖9所示。

圖9 局部點(diǎn)蝕損傷區(qū)域

t 為點(diǎn)蝕坑深度，T 為未損壞圓形鋼管柱的壁厚。

在分析中，M0L0 被定義為未損壞構(gòu)件，M1L1是DOP 不同的損壞構(gòu)件。壁厚損傷因子α 按比例增大考慮對(duì)屈服荷載的影響。同時(shí)，根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)情況，柱腳處出現(xiàn)局部點(diǎn)蝕破壞。因此，以L/5柱腳損傷為例，所有參數(shù)設(shè)置如表4 所示。

表4 L/5 柱腳點(diǎn)蝕損壞情況

3.2 工況分析

未損壞構(gòu)件M0L0 的屈服荷載為2 038.30 kN。當(dāng)α 為常數(shù)時(shí)，屈服載荷-DOP 曲線如圖10 所示。

由圖10 可知，當(dāng)α 為常數(shù)時(shí)，隨著DOP 的增加，不同點(diǎn)蝕區(qū)域下圓鋼管柱的屈服荷載均呈下降趨勢(shì)，但下降幅度差別顯著。

當(dāng)α 為0.2、DOP 為23.61%時(shí)，L/5 柱腳處，屈服荷載為2 032.13 kN，僅下降了0.30%；2L/5～3L/5柱腳處，屈服荷載為1 965.32 kN，下降了3.58%，下降幅度明顯大于前者。

當(dāng)α 為0.8、DOP 為23.61%時(shí)，L/5 柱腳處，屈服荷載為1 982.41 kN，僅下降了2.74%；2L/5～3L/5柱腳處，屈服荷載為1 488.80 kN，下降了26.96%，下降幅度明顯大于前者。

由圖10 及以上分析可知，構(gòu)件發(fā)生點(diǎn)蝕損傷時(shí)，文中所選損傷區(qū)域屈服荷載的下降幅度順序 為：2L/5～3L/5 柱 腳＞L/5～2L/5 柱 腳＞L/5 柱 腳。2L/5～3L/5 柱腳處隨機(jī)點(diǎn)蝕損傷對(duì)構(gòu)件屈服荷載的影響最大，故2L/5～3L/5 柱腳處是點(diǎn)蝕損傷的敏感區(qū)，在實(shí)際工程中應(yīng)對(duì)構(gòu)件的該區(qū)域重點(diǎn)防護(hù)。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)隨機(jī)點(diǎn)蝕圓鋼管柱軸壓試驗(yàn)，考慮了不同的內(nèi)徑和點(diǎn)蝕損傷強(qiáng)度對(duì)圓鋼管柱力學(xué)性能的影響，利用ANSYS 有限元軟件建立構(gòu)件的數(shù)值模型并進(jìn)行了校核。接著分析了點(diǎn)蝕損傷區(qū)域?qū)?gòu)件屈服荷載的影響。得出以下結(jié)論：

在《財(cái)政部關(guān)于規(guī)范金融企業(yè)對(duì)地方政府和國(guó)有企業(yè)投融資行為有關(guān)問(wèn)題的通知》（財(cái)金〔2018〕23號(hào)）下發(fā)后，受金融企業(yè)不得提供債務(wù)性資金作為地方建設(shè)項(xiàng)目、政府投資基金或PPP項(xiàng)目資本金要求的影響，目前商業(yè)銀行參與PPP項(xiàng)目的合規(guī)途徑是傳統(tǒng)的項(xiàng)目貸款模式。

（1）在文中所選點(diǎn)蝕損傷范圍內(nèi)，隨著DOP 的增大，圓鋼管柱的屈服荷載和彈性模量均近似呈現(xiàn)線性下降趨勢(shì)，并且DOP 對(duì)內(nèi)徑較小構(gòu)件屈服荷載和彈性模量的影響均較為明顯。

（2）當(dāng)DOP 為4%時(shí)，構(gòu)件點(diǎn)蝕坑之間環(huán)向應(yīng)變發(fā)展明顯快于縱向應(yīng)變發(fā)展。

（3）根據(jù)試驗(yàn)構(gòu)件參數(shù)，利用ANSYS 有限元軟件分別建立了無(wú)損傷構(gòu)件和損傷構(gòu)件的數(shù)值模型，利用試驗(yàn)結(jié)果對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行校核，最大誤差分別為-4.17%和-11.78%，說(shuō)明文中所建立的數(shù)值模型合理。

（4）L/5 柱腳處隨機(jī)點(diǎn)蝕損傷對(duì)構(gòu)件屈服荷載的影響最小，2L/5～3L/5 柱腳處隨機(jī)點(diǎn)蝕損傷對(duì)構(gòu)件屈服荷載的影響最大，說(shuō)明2L/5～3L/5 柱腳處是點(diǎn)蝕損傷的敏感區(qū)，在實(shí)際工程中應(yīng)對(duì)構(gòu)件的該區(qū)域重點(diǎn)防護(hù)。