酸雨環境下鋼管混凝土柱軸壓性能研究

陳夢成，張凡孟，黃宏，羅晶

（華東交通大學土木建筑學院，江西南昌330013）

酸雨環境下鋼管混凝土柱軸壓性能研究

陳夢成，張凡孟，黃宏，羅晶

（華東交通大學土木建筑學院，江西南昌330013）

摘要：通過通電方法對鋼管混凝土試件進行加速腐蝕，分析混凝土強度、長細比和酸雨溶液pH值等參數對受酸雨腐蝕后鋼管混凝土柱的軸壓力學性能影響，并與未腐蝕鋼管混凝土柱的軸壓力學性能進行對比。分析結果表明：鋼管腐蝕會引起鋼管混凝土柱的套箍系數降低，從而導致鋼管混凝土柱承載力和剛度下降，最終影響結構的安全性；酸雨腐蝕后鋼管混凝土柱的承載力隨內填混凝土的強度等級提高而增大；隨鋼管混凝土短柱的長細比增大而減小。

關鍵詞：鋼管混凝土；酸雨腐蝕；軸壓試驗；承載力

由于鋼管混凝土具有承載力高、抗震性能好和施工方便等優點，近些年來在工程實踐中得到了廣泛應用。然而，隨著環境的持續惡化，酸雨現象越來越普遍，酸雨會對鋼管造成一定的腐蝕，引起鋼管混凝土構件力學性能發生劣化，最終導致其失去承載力。

國內外學者［1-4］對鋼管混凝土的軸壓性能進行了大量的理論和試驗研究，然而關于鋼管混凝土在腐蝕環境下力學性能方面的研究相對較少。王大為和范穎芳［5］研究了我國典型城市酸雨的化學組成并試驗模擬研究了酸雨對受彎鋼筋混凝土梁的影響。魯軍凱［6］采用干濕交替法試驗考察了酸雨對再生混凝土的影響。Hou和Han等［7］通過對方鋼管混凝土短柱和梁在荷載和氯離子腐蝕同時作用下進行了有限元分析，并得到了受酸雨腐蝕鋼管混凝土構件在長期荷載作用下強度計算的簡化公式。Han等［8］試驗研究了方鋼管混凝土構件在荷載和氯離子耦合作用下的力學性能變化，并將結果與DBJ/T13-51-2010和EC4-2004等規范相對比，比較結果表明：這兩個規范要比試驗結果偏于保守，計算結果比試驗結果低了10 %～15 %。田宇［9］試驗研究了尺寸對鋼管混凝土軸壓短柱破壞模式、承載力、橫向變形系數、峰值應變、延性的影響規律。

為研究酸雨對鋼管混凝土柱軸壓性能的影響，通過通電方法對鋼管混凝土柱進行加速腐蝕，將腐蝕后鋼管混凝土試件軸壓破壞并與未腐蝕鋼管混凝土試件進行對比，討論參數如混凝土強度、長細比和酸雨溶液pH值等對鋼管混凝土柱在酸雨腐蝕作用下軸壓力學性能的而影響，并和未腐蝕鋼管混凝土柱的軸壓力學性能進行比較。

1　試驗研究

1.1試驗概況

試件設計時的主要參數有：混凝土強度等級、長細比和pH值。試驗共進行12個圓鋼管混凝土軸壓構件，構件試驗變化參數如表1所示。

表1　試驗參數表Tab.1 Test parameters

制作鋼管混凝土試驗試件時，鋼管采用焊縫管。制作兩個厚15 mm的方形鋼板作為試件兩端的蓋板。圓鋼管切割后實際尺寸比設計尺寸多5 mm，鋼管兩端在機床上打磨平整。先焊接下蓋板，待澆筑好混凝土后再焊接上蓋板。

采用人工拌制混凝土，澆筑時將試件豎立。試件自然養護兩周后用高強環氧砂漿抹平端口（配合比為：環氧樹脂：固化劑∶水泥∶砂=1∶0.5∶2∶2）。待環氧砂漿硬化后打磨平整，焊上上蓋板。

鋼片拉伸試驗獲得鋼材的屈服極限（fy）、抗拉強度極限（fu）及彈性模量（Es）分別為260.04，362.50 MPa 和200 GPa。

混凝土材料性能：混凝土的立方體抗壓強度fcu由與試件同條件養護的150 mm×150 mm×150 mm立方體標準試塊養護28天測得。C50混凝土的用料為水、普通硅酸鹽水泥、中砂和碎石。碎石最大粒徑為25 mm。混凝土配合比為水泥：水∶砂∶碎石=1∶0.46∶1.39∶2.82，fcu=54.96 MPa。C40混凝土的用料為水、普通硅酸鹽水泥、中砂和碎石。碎石最大粒徑為25 mm。配合比為水泥∶水∶砂∶碎石=1∶0.38∶1.2∶2.56，fcu=41.02 MPa。

1.2試驗方法

1.2.1酸雨腐蝕實驗

考慮到酸雨中主要造成鋼管混凝土腐蝕的離子是硫酸根，因此鋼管混凝土腐蝕試驗中所用酸雨用MgSO4，Na2SO4，（NH4）2SO4調配。每升酸雨溶液中MgSO4，Na2SO4，（NH4）2SO4溶劑的含量分別為0.24，0.99 g 和0.13 g，pH值用HNO3調試。為了加快鋼管混凝土酸雨腐蝕進程，采用恒定電流控制方法，進行通電加速腐蝕，通電強度為2.8 A。

1.2.2靜力試驗

靜力軸壓試驗在華東交通大學結構試驗室NYL-500型液壓式試驗機進行。在試驗試件中段截面間隔90度分別布置4對直角應變花，用于測試加載過程中鋼管中段受力和變形情況。在鋼板斜對角線上布置兩個百分表，用于觀測試件在軸力荷載作用下的壓縮位移。試驗過程中通過數據采集儀進行數據采集。

試驗時采用分級加載制，鋼管屈服前每級荷載為預計極限荷載的1/10，當鋼管屈服后每級荷載約為預計極限荷載的1/ 15，每級荷載的持荷時間約為2 min∶3 min，試件接近破壞時慢速連續加載。應變和位移均采用計算機數據采集系統自動采集。

1.3實驗現象與實驗結果

圖1給出了試件的最終的破壞形態。由圖可知：鋼管混凝土試件在酸雨腐蝕后軸壓破壞形態和普通鋼管混凝土試件的破壞形態相似，鋼管產生了環向及縱向屈曲。試件加載初期，荷載與位移呈線性增長，當臨近極限荷載時，荷載仍繼續增加但增幅放緩，當達到極限荷載后鋼管混凝土試件的承載力降低同時發生塑性變形，隨后荷載下降緩慢，鋼管內混凝土出現脆性破壞，最終導致鋼管混凝土試件局部失穩但并沒有出現斷裂破壞。這是由于被壓碎的混凝土將鋼管產生的鼓曲空間迅速填充，鋼管繼續發揮對核心混凝土的約束作用，使鋼管混凝土能夠繼續工作。對比長細比較大的兩組：CFST1號3號4號和CFST2號5號6號，可見未腐蝕構件的鼓曲較靠近端部，而腐蝕后試件的鼓曲則靠近中部，這是由于在通電腐蝕過程中鋼管中部的腐蝕程度要大于端部，從而導致中部鋼管對混凝土的約束程度降低較大，在軸向壓力作用下，隨著試件的軸向位移增加，鼓曲首先在中部產生；對比長細比較小的兩組：CFST7號9號10號和CFST8號11號12號，則可見試件鼓曲均靠近端部，這是由于對長細比較小的短柱而言，其端部附近的Saint-Venant效應占主導地位。

圖1　試件破壞形態Fig.1 Specimen failure modes

試驗過程中，4個縱向應變的變化基本一致。圖2繪出了試驗獲得的鋼管混凝土試件的軸壓力（N）~平均縱向應變（ε）關系曲線圖。由圖2可見，荷載-縱應變曲線包括3個階段：第一階段是縱應變隨著荷載增加呈近似線性增長，且腐蝕程度越小上升幅度越大；第二階段縱向應變增長加快，但荷載增加相對減緩；第三階段是荷載達到極限荷載后，荷載出現下降段但縱向應變迅速變大，最終導致鋼管混凝土試件局部屈曲但并沒有出現試件斷裂破壞。

未腐蝕鋼管混凝土構件的軸壓力學性能與腐蝕后鋼管普通混凝土試件的軸壓力學性能存在明顯差異。試驗表明，pH、混凝土強度和長細比對試件的力學性能有較大影響。鋼管混凝土受酸雨腐蝕時pH值取值不同，鋼管混凝土試件的極限承載力值不同，承載力隨著pH的降低而下降。這是由于隨著pH值的降低，鋼管混凝土的鋼管壁的腐蝕程度增大，鋼管的壁厚變薄，從而試件的套箍系數降低，鋼管對核心混凝土的套箍效應變小。而且鋼材的屈服強度也會降低，試件剛度減小；鋼管混凝土的承載力隨內填混凝土的強度等級增加而增大，隨長細比的增大而減小。

圖2　試件軸力（N）~平均縱向應變（ε）圖Fig.2 Specimen axial force（N）~ average longitudinal strain（ε）diagram

2　　結論

由鋼管混凝土試件在酸雨腐蝕作用下的軸壓試驗研究可得到以下結論：

1）酸雨腐蝕后鋼管混凝土柱的受力與變形過程和破壞形態與普通鋼管混凝土柱的具有相似性。受力-變形過程分為三個階段：第一階段為荷載近似線性增長階段，荷載增長較變形增長速度快；第二階段荷載非線性增長階段，荷載增長速度減緩，二變形增長速度加快；第三階段荷載下降階段，荷載下降速度較緩，變形增長速度較快。長細比較大的鋼管混凝土長柱局部屈曲破壞發生在構件中部，而長細比較小的鋼管混凝土短柱局部屈曲破壞發生在構件端部附件。

2）pH值、混凝土強度和長細比等級等參數對酸雨腐蝕后圓鋼管混凝土柱的軸壓荷載下承載力和剛度影響明顯。鋼管混凝土試件承載力隨著pH的降低而下降；隨內填混凝土的強度等級增加而增大；隨長細比的增大而減小。

參考文獻：

[1]丁發興,周林超,余志武,等.鋼管混凝土軸壓短柱非線性有限元分析[J].中國科技論文在線,2009,4(7):472-479.

[2]黃宏,張安哥,李毅,等.帶肋方鋼管混凝土軸壓短柱試驗研究及有限元分析[J].建筑結構學報,2011,32(2):75-82.

[3] YANG, Y F,HAN L H. Compressive and flexural behavior of recycled aggregate concrete filled steel tubes(RACFST) under shortterm loadings[J]. Steel and Composite Structures,2006,6(3):257- 284.

[4]黃宏,李婷,陳夢成.方中空夾層鋼管混凝土壓彎扭構件數值模擬[J].華東交通大學學報,2013,30(4):24-29.

[5]范穎芳,王大為,欒海洋.模擬酸沉降環境混凝土梁承載性能研究[J].工程力學,2014,31(4):147-154,177.

[6]魯軍凱,查曉雄.鋼管再生混凝土的抗凍耐久性研究[J].建筑鋼結構進展,2012,14(3):53-59.

[7] HOU C,HAN L H,ZHAO X L. Full-range analysis on square CFST stub columns and beams under loading and chloride corrosion [J]. Thin-Walled Structures,2013,68:50-64.

[8] HAN L H,HOU C,WANG Q L. Square concrete filled steel tubular (CFST) members under loading and chloride corrosion: Experi?ments[J]. Journal of Constructional Steel Research,2011,71:11-25.

[9]田宇.圓鋼管混凝土短柱軸壓性能尺寸效應試驗研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2014.

（責任編輯王建華）

Research on Axial Compression Performance of Concrete-filled Steel Tubular Columns under Acid Rain

Chen Mengcheng, Zhang Fanmeng, Huang Hong, Luo Jing
(School of Civil Engineering and Architecture, East China Jiaotong University,Nanchang 330013,China)

Abstract:By laboratory accelerated corrosion tests and the electrochemical method, this study analyzes influences of concrete strength, slenderness ratio and the acid rain solution pH value on the axial compression performance of concrete-filled steel tubular columns under acid rain corrosion, and then compares with that of uncorroded con?crete-filled steel tubular columns. Experimental results show that the decrease of confinement coefficient caused by steel tube corrosion leads to the decline of the column bearing capacity and its stiffness, impacting its structural safety. The bearing capacity of concrete-filled steel tubes under acid rain corrosion increases with the increase of internal concrete strength grade but decreases with the increasing slenderness ratio.

Key words:concrete filled steel tube; acid rain corrosion; axial compression experiment; bearing capacity

作者簡介：陳夢成( 1962—)，男，教授，博導，主要研究方向為工程結構材料耐久性,組合結構。

基金項目：國家自然科學基金項目(51378206,51468017);江西省自然科學基金項目(20143ACB20008)

收稿日期：2015-02-05

文章編號：1005-0523（2015）03-0086-05

中圖分類號：TU317.1

文獻標志碼：A