銹蝕腳手架鋼管軸壓穩(wěn)定性試驗(yàn)研究

胡曉鵬,仲帥,彭剛,范永風(fēng)

（1. 西安建筑科技大學(xué) a.土木工程學(xué)院； b. 結(jié)構(gòu)工程與抗震教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710055；3. 甘肅建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系，蘭州 730050）

由于施工便利、循環(huán)性高等優(yōu)點(diǎn)，扣件式鋼管腳手架在實(shí)際工程中得到了普遍應(yīng)用[1]。近年來(lái)，建筑施工過(guò)程中腳手架倒塌事故頻發(fā)，造成大量人員傷亡和巨額財(cái)產(chǎn)損失[2-4]。長(zhǎng)期反復(fù)使用過(guò)程中，鋼管銹蝕會(huì)導(dǎo)致鋼管承載能力降低，是誘發(fā)腳手架體系倒塌的重要原因之一。

在銹蝕對(duì)鋼材表面形貌影響方面，商鈺[5]通過(guò)比較銹蝕鋼板二維輪廓和三維形貌量測(cè)結(jié)果，認(rèn)為三維分析可以更加直觀地反映銹蝕鋼管表面形貌特征。Gathimba等[6]對(duì)海水銹蝕條件下的鋼管樁三維表面形貌進(jìn)行測(cè)試，分析了不同海水銹蝕條件對(duì)表面形貌參數(shù)的影響。王友德等[7]建立了銹蝕深度隨機(jī)場(chǎng)模型和蝕坑隨機(jī)分布模型，實(shí)現(xiàn)了一般大氣環(huán)境下鋼結(jié)構(gòu)表面特征的準(zhǔn)確模擬。基于銹蝕鋼材表面形貌逆向建模的有限元模擬可以準(zhǔn)確分析不同銹蝕程度鋼構(gòu)件的力學(xué)性能[8-9]。為減少數(shù)值計(jì)算成本，Chun等[10]基于鋼材表面形貌特征，利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)鋼材的有效厚度進(jìn)行了預(yù)測(cè)，采用有限單元法對(duì)鋼材強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算。

對(duì)于鋼管的軸壓承載性能，學(xué)者們開(kāi)展了大量研究[11-13]?？紤]復(fù)雜環(huán)境下鋼管的銹蝕現(xiàn)象，Cinitha等[14-15]研究了銹蝕和高溫共同作用對(duì)鋼管構(gòu)件的破壞模式、承載能力的影響規(guī)律，認(rèn)為銹蝕會(huì)導(dǎo)致鋼管截面面積的非均勻損失、極限承載力顯著降低。Nazari等[16]以銹蝕區(qū)域深度、長(zhǎng)度、寬度等參數(shù)表征了鋼管局部銹蝕損傷，借助數(shù)值模擬研究了局部銹蝕鋼管構(gòu)件的軸壓力學(xué)行為，結(jié)果表明，銹蝕嚴(yán)重部位會(huì)產(chǎn)生鋼管局部屈曲，從而影響鋼管的承載能力。宋鋼[17]對(duì)比了室外酸性鹽霧周期噴淋和自然銹蝕鋼管構(gòu)件的表面形貌及成分，認(rèn)為加速銹蝕試驗(yàn)?zāi)軌蛑噩F(xiàn)鋼材在自然環(huán)境下的銹蝕情況，并通過(guò)鋼管軸心受壓試驗(yàn)研究了鋼管失重率對(duì)其屈服承載力和極限承載力的影響。Wang等[18]提出了一種局部電加速銹蝕方法，研究了鋼管構(gòu)件外壁局部銹蝕對(duì)鋼管軸壓承載力的影響。吳兆旗等[19]采用正交試驗(yàn)法研究了近海大氣環(huán)境下局部銹蝕參數(shù)對(duì)圓鋼管軸壓柱力學(xué)性能的影響，并提出了局部銹蝕圓鋼管軸壓承載力的計(jì)算公式。

目前，銹蝕鋼管軸壓力學(xué)性能的研究已取得了一定成果。但由于腐蝕環(huán)境的不同，鋼管構(gòu)件內(nèi)、外壁的銹蝕演化存在明顯差異，目前的研究未涉及這一因素；現(xiàn)有成果研究對(duì)象大多為長(zhǎng)細(xì)比較小的鋼管，其研究成果是否適用于長(zhǎng)細(xì)比較大的腳手架鋼管體系尚需進(jìn)行深入研究。筆者通過(guò)腳手架鋼管加速銹蝕后鋼材的力學(xué)性能與表面形貌測(cè)試、軸心受壓試驗(yàn)，分析腳手架鋼管內(nèi)、外壁銹蝕形貌演化差異及其對(duì)鋼材力學(xué)性能的影響規(guī)律，建立了銹蝕鋼管軸壓承載性能的計(jì)算模型。

1 試驗(yàn)概況

1.1 鋼管加速銹蝕試驗(yàn)

參照《建筑施工扣件式腳手架安全技術(shù)規(guī)范》（JGJ 130—2011）中相關(guān)規(guī)定，試驗(yàn)采用鋼管規(guī)格為Φ48×3.5 mm，長(zhǎng)度1.2 m，鋼材型號(hào)為Q235B。試驗(yàn)按照《金屬和合金的腐蝕 戶外周期噴淋暴露試驗(yàn)方法》（GB/T 24517—2009）的要求，采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的中性氯化鈉溶液作為腐蝕溶液，通過(guò)均勻布置在試件上方的噴水管道對(duì)試件進(jìn)行間斷噴淋，每隔2 d翻動(dòng)一次試件，以確保試件處于干濕交替環(huán)境且銹蝕均勻。加速銹蝕試驗(yàn)過(guò)程如圖1所示。

圖1 加速銹蝕試驗(yàn)Fig. 1 Accelerated corrosion test

將鋼管按照預(yù)定銹蝕時(shí)間分批取出，然后采用酸洗法除銹。按照加速銹蝕時(shí)間的長(zhǎng)短，將試件分為T1～T6等6批，對(duì)應(yīng)銹蝕時(shí)間分別為0、14、26、38、48、60 d，每種銹蝕批次設(shè)3個(gè)試件，其鋼管失重率ηw按式（1）計(jì)算。銹蝕前后鋼管試件的幾何參數(shù)及失重率見(jiàn)表1。

表1 加速銹蝕試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Results of accelerated corrosion test

式中：m0為試件銹蝕前的質(zhì)量，kg；m為試件銹蝕后的質(zhì)量，kg。

1.2 鋼管表面銹蝕形貌測(cè)試及材性試驗(yàn)

對(duì)銹蝕鋼管進(jìn)行切割加工，制作用于表面銹蝕形貌量測(cè)及材料力學(xué)性能試驗(yàn)的試件，試件尺寸見(jiàn)圖2，用于表面形貌測(cè)量的區(qū)域?yàn)?0 mm×8 mm。鋼管表面形貌測(cè)試所用儀器為美國(guó)NANOVEA公司ST400型非接觸式光學(xué)輪廓儀，該儀器通過(guò)其超靈敏探測(cè)器系統(tǒng)接收到樣品表面反射出的不同波長(zhǎng)的漫反射光，根據(jù)準(zhǔn)共聚焦原理得到測(cè)點(diǎn)距離透鏡的垂直距離，再通過(guò)點(diǎn)掃描方式以S路徑獲得鋼管的三維表面形貌特征。通過(guò)Professional 3D軟件對(duì)掃描所得三維形貌進(jìn)行后處理以獲取鋼管表面特征參數(shù)。參照《金屬材料拉伸試驗(yàn) 第一部分：室溫試驗(yàn)方法》（GB/T 228.1—2010）中相關(guān)規(guī)定，在DNS300型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行鋼管材性試件的單調(diào)拉伸試驗(yàn)，加載過(guò)程中控制位移速率，試驗(yàn)過(guò)程中系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)試件變形進(jìn)行量測(cè)。

圖2 拉伸試件尺寸（單位：mm）Fig. 2 Dimensions of tensile specimens (Unit: mm)

1.3 鋼管立桿軸心受壓試驗(yàn)

鋼管試件上下兩端鉸接固定，在試件上方施加沿鋼管軸向的荷載，當(dāng)試件加載至荷載下降至峰值荷載的80%時(shí)，終止試驗(yàn)。為獲得加載過(guò)程中鋼管的軸向變形與側(cè)向變形，在試件中部截面外表面沿軸向均勻布置8組應(yīng)變片，在試件加載端布置2個(gè)側(cè)向位移計(jì)及1個(gè)豎向位移計(jì)，在試件中部沿周長(zhǎng)均勻布置4個(gè)側(cè)向位移計(jì)。試驗(yàn)裝置及測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)裝置及測(cè)點(diǎn)布置Fig. 3 Test device and layout of measuring point

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 銹蝕鋼管表面形貌

圖4為不同銹蝕時(shí)間鋼管試件內(nèi)、外壁表面形貌云圖。云圖左側(cè)及下側(cè)標(biāo)注有掃描區(qū)域尺寸；右側(cè)為云圖標(biāo)尺，反映表面高度，單位為μm。由圖4可知：當(dāng)銹蝕時(shí)間較短時(shí)，鋼管表面整體較為平整，散布有相互獨(dú)立的小體積蝕坑；隨著銹蝕時(shí)間的增加，蝕坑面積和深度逐漸增加，蝕坑間開(kāi)始相互貫通，形成潰瘍狀蝕坑群，表面形貌起伏波動(dòng)越來(lái)越大。由于腐蝕微環(huán)境存在一定的差異，鋼管外壁蝕坑發(fā)展強(qiáng)于內(nèi)壁，且隨著銹蝕時(shí)間的增加，二者差距逐漸增大。

圖4 鋼管表面形貌圖Fig. 4 Surface morphology of steel tubes

采用失重率ηw描述鋼管銹蝕程度，以坑蝕率V、算術(shù)平均高度Sa、均方根高度Sq和最大高度Sz等評(píng)價(jià)指標(biāo)表征銹蝕鋼管表面三維形貌特征，不同銹蝕程度鋼管表面形貌特征參數(shù)見(jiàn)表2。由表2可知：

表2 鋼管表面形貌參數(shù)Table 2 Surface morphology parameters of steel tubes

1）隨著銹蝕時(shí)間的增長(zhǎng)，鋼管失重率ηw逐漸增加。隨著銹蝕程度的增加，均勻銹蝕（剝蝕）程度加深，造成鋼管壁厚t減小。

2）坑蝕率V表示掃描區(qū)域銹坑體積與包圍銹坑的最小長(zhǎng)方體的比值。鋼管內(nèi)、外壁坑蝕率均隨著失重率的提高而逐漸增加，局部銹蝕（坑蝕）程度增強(qiáng)。其中，外壁坑蝕率高于內(nèi)壁，外壁坑蝕率增長(zhǎng)速率較為穩(wěn)定，而在10 ～ 40 d期間內(nèi)壁坑蝕率增長(zhǎng)緩慢；這是由于隨著銹蝕程度的加深，銹蝕產(chǎn)物在表面形成致密保護(hù)層，隨著銹蝕時(shí)間的進(jìn)一步增長(zhǎng)，致密銹蝕產(chǎn)物逐漸分解剝落，銹蝕作用在坑蝕區(qū)域進(jìn)一步發(fā)展，造成坑蝕率迅速增加；由于鋼管外壁長(zhǎng)期處于暴露條件，在鹽霧噴淋及自然條件等因素作用下銹蝕產(chǎn)物更易剝落，銹蝕層對(duì)鋼材表面的保護(hù)作用并未明顯體現(xiàn)。

3）表面最大高差Sz僅體現(xiàn)表面最高點(diǎn)與最低點(diǎn)之間的高度差，由于其采樣特性，導(dǎo)致數(shù)據(jù)離散性相對(duì)較大。

4）表面算數(shù)平均高度Sa和均方根高度Sq可在一定程度上反映采樣區(qū)域試件的粗糙程度，數(shù)值越小則平面越光滑。隨著失重率的增加，Sa、Sq值整體呈上漲趨勢(shì)，表明試樣表面起伏波動(dòng)更大。當(dāng)失重率較小時(shí)，內(nèi)、外壁Sa、Sq值差距不大；隨著銹蝕率的增加，外壁Sa值增長(zhǎng)更迅速。

2.2 銹蝕鋼管的材料力學(xué)性能

通過(guò)不同銹蝕時(shí)間鋼管試件的單調(diào)拉伸試驗(yàn)，得到的鋼管試件的力學(xué)性能參數(shù)見(jiàn)表3，試件力學(xué)性能隨失重率增加的衰減規(guī)律見(jiàn)圖5。對(duì)于不同失重率的試樣，在拉伸過(guò)程中均出現(xiàn)了頸縮現(xiàn)象，隨著銹蝕率的增加，鋼材的極限強(qiáng)度f(wàn)u、屈服強(qiáng)度f(wàn)y、彈性模量E、斷后伸長(zhǎng)率A及斷面收縮率Z近似呈線性下降，鋼管的強(qiáng)度和塑性變形能力都有所降低，塑性變形能力的降低程度更明顯；這主要是因?yàn)榫植夸P蝕會(huì)在鋼材表面形成大小不一且隨機(jī)分布的蝕坑，并且蝕坑體積隨著銹蝕程度的增加而增加。在軸向拉伸時(shí)，蝕坑周圍會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，在坑蝕處過(guò)早地產(chǎn)生裂縫，隨著裂縫的進(jìn)一步發(fā)展，最終導(dǎo)致鋼管材料強(qiáng)度和延性隨失重率增加而逐漸下降。

表3 試件的力學(xué)性能指標(biāo)Table 3 Mechanical properties of specimens

圖5 鋼材力學(xué)性能參數(shù)與失重率的關(guān)系Fig. 5 Relationship between mechanical property parameters and weight loss rate of steel

通過(guò)圖5中回歸關(guān)系，可建立銹蝕鋼管材料力學(xué)性能指標(biāo)與失重率ηw之間的定量關(guān)系，見(jiàn)式（2）。

2.3 銹蝕鋼管的軸心受壓試驗(yàn)結(jié)果

2.3.1 試驗(yàn)現(xiàn)象 試驗(yàn)中不同銹蝕齡期鋼管的軸心受壓破壞形態(tài)主要表現(xiàn)為整體彎曲失穩(wěn)，曲率最大處均位于鋼管中段。在加載初期，鋼管試件側(cè)向位移很小，鋼管形態(tài)無(wú)明顯變化；隨著進(jìn)一步加載，鋼管開(kāi)始表現(xiàn)出彎曲形態(tài)，此時(shí)對(duì)應(yīng)軸向荷載值約為峰值荷載的30%～40%，隨后鋼管撓度緩慢發(fā)展；當(dāng)軸向荷載增加至峰值荷載的75%～90%時(shí)，鋼管側(cè)向位移變形加劇，呈明顯彎曲變形狀態(tài)；在達(dá)到峰值后，軸向荷載迅速下降，鋼管整體失穩(wěn)，喪失承載能力。試驗(yàn)現(xiàn)象及破壞后試樣形態(tài)如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)現(xiàn)象及破壞后試樣形態(tài)Fig. 6 Experimental phenomenon and failure mode of specimens

2.3.2 荷載—應(yīng)變曲線 圖7為不同銹蝕程度鋼管試件跨中截面荷載—應(yīng)變關(guān)系曲線，其中，拉伸應(yīng)變?yōu)檎?，壓縮應(yīng)變?yōu)樨?fù)。不同銹蝕鋼管的跨中截面荷載—應(yīng)變曲線規(guī)律基本一致，即：在加載初期，鋼管應(yīng)變隨荷載的增加而線性增長(zhǎng)，跨中截面各點(diǎn)處于彈性變形階段，截面應(yīng)變以壓縮應(yīng)變?yōu)橹?，各個(gè)方向應(yīng)變值接近；隨著荷載的增加，試件開(kāi)始產(chǎn)生彎曲變形，構(gòu)件出現(xiàn)了拉伸應(yīng)變和壓縮應(yīng)變，且兩個(gè)應(yīng)變均隨荷載的增加而逐漸增長(zhǎng)，壓縮應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率更大；隨著試件彎曲變形的加劇，跨中截面壓縮應(yīng)變、拉伸應(yīng)變均加劇增長(zhǎng)；試件達(dá)到峰值荷載后，跨中截面應(yīng)變繼續(xù)增大，試件發(fā)生整體失穩(wěn)破壞。在彈性階段，不同銹蝕程度的試件荷載—應(yīng)變曲線斜率相差不大，彈性極限隨銹蝕率增大而減??；在荷載下降段，銹蝕鋼管跨中截面應(yīng)變變化速率明顯小于未銹蝕鋼管。

圖7 跨中截面荷載—應(yīng)變曲線Fig. 7 Load-strain curves of mid-span sections

2.3.3 荷載—位移曲線 圖8展示了不同銹蝕程度試件的荷載—側(cè)向位移曲線與荷載—豎向位移曲線。其中，側(cè)向位移為中部各方向側(cè)向位移通過(guò)三角函數(shù)關(guān)系換算得到的跨中最大位移，在加載中后期，位移計(jì)端頭滑出導(dǎo)致部分側(cè)向位移采集不完整，分析其前期規(guī)律可知，銹蝕程度越高，鋼管彈性變形階段越短。荷載—豎向位移曲線大體可以分為3個(gè)階段，即彈性階段、彈塑性階段、破壞階段。在彈性階段，隨著荷載的增大，豎向位移呈線性增長(zhǎng)；隨著荷載的增大，試件進(jìn)入彈塑性階段，荷載增長(zhǎng)不大，而豎向位移卻迅速增長(zhǎng)，對(duì)于體系中長(zhǎng)細(xì)比較大的腳手架鋼管，這一階段非常短暫；荷載達(dá)到峰值后，試件進(jìn)入破壞階段，豎向位移迅速增長(zhǎng)而荷載急劇下降，此時(shí)鋼管迅速失去承載能力，試件發(fā)生整體失穩(wěn)破壞。對(duì)比不同銹蝕程度鋼管的荷載位移曲線，可知各試件上升段斜率較為接近，即鋼管整體剛度差異不大；鋼管的銹蝕程度越高，試件的彈塑性階段越短，且峰值荷載對(duì)應(yīng)的豎向位移越小。

圖8 荷載—位移曲線Fig. 8 Load-displacement curve

2.3.4 極限承載力劣化規(guī)律 試件極限承載力Pu與失重率關(guān)系如圖9所示。由圖9可知，隨著鋼管失重率的增加，極限承載力基本呈線性下降；鋼管平均失重率由0%增加至14.61%時(shí)，極限承載力降幅達(dá)到了19.81%。鋼管極限承載力降低的原因：一是由于鋼材銹蝕后鋼管截面面積減??；二是銹蝕導(dǎo)致鋼材力學(xué)性能下降；三是由于腐蝕微環(huán)境存在差異，橫截面各點(diǎn)銹蝕會(huì)有一定的差別，導(dǎo)致鋼管均勻性下降，鋼管試件更易產(chǎn)生失穩(wěn)破壞。

圖9 荷載隨失重率的變化曲線Fig. 9 Change curve of load with weight loss rate

2.3.5 銹蝕鋼管軸壓承載力計(jì)算模型 在《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》（JGJ 130—2011）（以下簡(jiǎn)稱規(guī)范）中，鋼管立桿穩(wěn)定性按照式（3）進(jìn)行驗(yàn)算。

式中：N為立桿軸向力設(shè)計(jì)值，N；φ為軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定性系數(shù)；A為鋼管截面面積，mm2；f為鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm2。

鋼管立桿銹蝕主要包括均勻銹蝕與局部銹蝕。均勻銹蝕會(huì)導(dǎo)致鋼管壁厚減小，改變鋼管幾何參數(shù)。以失重率描述鋼管銹蝕程度，發(fā)現(xiàn)局部銹蝕程度逐漸加深，進(jìn)而造成鋼材性能退化。因此，銹蝕后鋼管立桿穩(wěn)定性系數(shù)φ、鋼管截面面積A和鋼材強(qiáng)度f(wàn)均會(huì)出現(xiàn)不同程度的劣化，造成鋼管立桿極限承載能力的降低。實(shí)際工程中，由于銹蝕的不均勻性，截面損傷較難準(zhǔn)確測(cè)量，加上銹蝕鋼材力學(xué)性能試驗(yàn)存在一定難度，計(jì)算實(shí)際工程銹蝕腳手架體系承載力時(shí)，建議不對(duì)式（3）中的3個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，直接截取一段鋼管稱重計(jì)算鋼管失重率，并通過(guò)銹蝕影響系數(shù)K對(duì)銹蝕鋼管軸壓承載力進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式為

N≤KφAf（4）

式中：K為銹蝕影響系數(shù)，可從圖9中擬合得到，K=1-0.013 68ηw（擬合相關(guān)系數(shù)R2=0.954）；φ、A、f按照未銹蝕鋼管情況進(jìn)行取值。

3 結(jié)論

對(duì)銹蝕鋼管立桿開(kāi)展表面形貌測(cè)試、材料性能試驗(yàn)、軸心受壓試驗(yàn)，研究鋼管內(nèi)、外壁形貌特征、鋼材性能退化及銹蝕鋼管承載力特性，提出銹蝕鋼管立桿穩(wěn)定性的計(jì)算公式，得到以下主要結(jié)論：

1）隨著鋼管失重率的增加，鋼管表面坑蝕面積和深度逐漸增加，分布方式也由獨(dú)立蝕坑向潰瘍狀蝕坑群發(fā)展；鋼管外壁蝕坑體積、粗糙程度均大于鋼管內(nèi)壁。

2）銹蝕導(dǎo)致鋼材強(qiáng)度與塑性變形能力下降，相比于強(qiáng)度降低，銹蝕對(duì)鋼材塑性變形能力的影響更嚴(yán)重。

3）不同銹蝕程度的鋼管軸壓破壞模式均為整體彎曲失穩(wěn)。隨著失重率ηw的增加，極限荷載Pu線性下降，同時(shí)，峰值荷載點(diǎn)對(duì)應(yīng)的軸向位移值逐漸降低。鋼管失重率ηw由0%增加到14.61%時(shí)，極限承載力降幅為19.81%。

4）通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果分析，提出銹蝕鋼管立桿穩(wěn)定性的計(jì)算公式。在工程中，通過(guò)測(cè)定鋼管失重率便可利用該公式對(duì)銹蝕鋼管立桿穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算。