銹蝕鋼材偏心受壓鋼柱承載性能退化規律

徐善華，王　皓，薛　南

(西安建筑科技大學 土木工程學院, 710055 西安)

?

銹蝕鋼材偏心受壓鋼柱承載性能退化規律

徐善華，王皓，薛南

(西安建筑科技大學 土木工程學院, 710055 西安)

摘要:為研究腐蝕損傷對偏心受壓鋼柱承載性能的影響，首先對7根H型鋼構件進行了最長達3 a的戶外暴露鹽霧加速腐蝕試驗，并從各銹蝕鋼構件端部截取板材試樣進行力學性能試驗，建立了各項力學性能參數與銹蝕率的關系式.然后分別對2根未銹蝕H型鋼柱和7根銹蝕H型鋼柱進行承載力試驗，結果表明：隨著銹蝕程度的不斷加深，H型鋼柱的承載力、剛度、位移延性系數呈逐漸下降趨勢，對應失穩變形呈逐漸增大趨勢；腐蝕損傷削弱了銹蝕鋼柱的剛度和應變強化效應，影響了銹蝕鋼柱的塑性性能，導致塑性發展系數隨銹蝕率的增大而減小.最后，利用驗證后的有限元模擬方法對不同截面尺寸和長度的壓彎鋼柱進行數值計算分析，建立了偏心受壓鋼柱的整體穩定承載力、塑性發展系數隨銹蝕率的退化規律公式.

關鍵詞:H型鋼柱；銹蝕；偏心受壓；承載性能；退化規律

工業及海洋大氣環境下鋼結構極易產生腐蝕，腐蝕將改變鋼材的幾何和力學特性，致使構件性能退化，承載力及剛度降低，導致結構在偶遇荷載作用下更易發生破壞，嚴重影響結構的耐久性.雖然，國內外學者對鋼材腐蝕進行了大量研究，但是大多僅停留在材料層面：文獻[1]通過對4種不同腐蝕環境下的鋼板進行拉伸試驗，分別研究了銹蝕鋼材各項力學性能指標的退化規律；文獻[2-3]采用有限元模擬和試驗的方法，討論了點蝕尺寸參數對銹蝕鋼材屈服強度、極限強度的影響規律.

目前，關于腐蝕環境下鋼構件承載性能的研究有了一定進展：文獻[4-5]研究了腐蝕環境下影響銹蝕受彎構件承載性能的主要因素；文獻[6]通過對等邊角鋼試件進行擬靜力試驗，發現腐蝕損傷使得構件承載力和剛度顯著減小，延性和耗能能力降低； 文獻[7]通過對多根電化學腐蝕下的角鋼進行抗壓承載性能試驗，得到了角鋼銹蝕與其抗壓承載力之間的關系.

腐蝕對壓彎構件的影響主要體現在兩方面：截面面積損耗和材料力學性能退化.本文從以上兩個角度出發，對銹蝕鋼材偏心受壓柱的整體穩定受力性能退化規律展開研究.通過對7根H型鋼構件進行最長達3 a的自然暴露鹽霧加速腐蝕試驗以及偏心受壓整體失穩承載力試驗，討論了銹蝕鋼柱的各項整體穩定承載性能參數隨銹蝕率的變化趨勢，分析了腐蝕損傷導致偏心受壓鋼柱承載性能發生劣化的原因，并結合有限元數值計算分析確定了整體穩定承載力和塑性發展系數隨銹蝕率的退化規律.

1試驗概況

1.1H型鋼構件加速腐蝕試驗

金屬材料在自然環境下的暴露腐蝕試驗是大氣腐蝕最通常的試驗方法,與大氣腐蝕試驗相比，室內加速腐蝕試驗周期較短，但由于考慮的腐蝕因素不夠全面，與真實腐蝕過程的相關性較差[8-9].為了在較短的試驗周期內較好地重現鋼材在海洋大氣環境下的腐蝕形態，采用中性鹽霧噴淋的方法對暴露于室外的型鋼構件進行加速腐蝕.

首先將7根截面尺寸為HW125×125×6.5×9的Q235熱軋H型鋼構件放置于西安建筑科技大學土木樓樓頂，構件長度均為2 000 mm；然后定期在構件表面均勻噴灑體積分數18%的NaCl溶液進行加速腐蝕.為保證構件翼緣和腹板的腐蝕條件一致，將各個試件的兩側翼緣與地面垂直放置，并且每隔4～5 d翻轉一次，銹蝕周期為3 a.

1.2材性試驗

在中性鹽霧腐蝕環境下，鋼材表面易產生大量大小不均的點蝕坑，導致銹蝕后鋼材的強度和延性發生退化.為此，在進行銹蝕鋼柱偏壓承載力試驗之前需進行材性試驗，研究腐蝕環境作用下Q235鋼材的銹蝕程度及力學性能參數退化規律.

加速腐蝕試驗結束后，從每根銹蝕H型鋼一端切取長度400 mm試件，然后分別從翼緣和腹板部分截取材性試驗所需試件進行酸洗除銹、烘干并稱重，然后按照《金屬材料拉伸試驗第1部分: 室溫試驗方法》[10]相關規定在CSS-WAW300DL型電液伺服萬能試驗機上進行材性試驗，試件取樣及加工尺寸見圖1.

1.3銹蝕H型鋼柱偏壓承載力試驗

為研究銹蝕后偏心受壓鋼柱的整體穩定性能退化規律，將試驗試件分為兩組，A組為上述7根加速腐蝕H型鋼柱，長度為1 600 mm；B組則為2根相同材質和規格的未銹蝕H型鋼柱，用作對比試驗.為避免試驗誤差和加載方式對試驗結果的影響，在所有試件兩端均設置端板和加勁肋，端板與加勁肋尺寸分別為20 mm×250 mm×250 mm和10 mm×150 mm×50 mm.柱與端板、柱與加勁肋之間均采用角焊縫連接，焊腳尺寸和焊縫長度滿足強度要求.

圖1　試件取樣及加工尺寸

本次試驗在2 000 kN的YE-200A型壓力試驗機上進行，由于試驗設定為強軸平面內彎曲的單向偏心偏壓試驗，偏心距為58 mm，柱兩端為鉸接約束，因此，根據文獻[11]建議，采用單刀刀口鉸支座進行加載，且刀口擺放方向與受壓翼緣中心線相吻合,見圖2.為準確測量銹蝕壓彎構件整體失穩破壞過程中試件跨中撓度，在構件跨中和上下兩支座處各設置一個位移計，測量壓彎面內彎曲撓度；在試件中部上下翼緣處各布置3片應變片，用于監測壓彎構件跨中截面在加載過程中的應變狀態.

壓彎試驗開始正式加載時，荷載應分級施加，每級施加荷載約為預計承載力的1/10，加載到7級或8級后，切換每級施加荷載為預計承載力的1/20直至荷載不能繼續增加，當試件達到極限荷載且隨后荷載出現顯著下降( 降至極限荷載的80%以下)時停止試驗.

圖2　加載裝置示意

2結果及分析

2.1銹蝕鋼材力學性能試驗結果及分析

銹蝕鋼材的力學性能退化直接影響壓彎構件的承載性能，因此著重對鋼材屈服強度fy、抗拉強度fu，以及伸長率δ隨銹蝕率的退化規律進行研究，鋼材銹蝕率定義為

(1)

式中：η為銹蝕率，m0為腐蝕前試件理論重量，即按照銹蝕前型鋼規格厚度、密度計算的試件重量，m為腐蝕后試件實際重量.

表1給出了銹蝕鋼板試件力學性能試驗結果，發現隨著銹蝕程度的不斷加深，鋼材的屈服強度、極限強度和伸長率均出現不同程度的下降.

表1　材性試驗結果

根據表1所列試驗數據，分別建立屈服強度比、極限強度比及伸長率比與銹蝕率之間的定量關系：

(2)

(3)

(4)

各表達式與試驗數據的擬合情況見圖3.屈服強度比和極限強度比均隨著銹蝕率的增大呈線性下降趨勢，且極限強度比的退化現象更為明顯,說明腐蝕使得鋼材的應變硬化效應逐漸減弱；伸長率比隨著銹蝕率的增大呈二次曲線下降趨勢，說明銹蝕鋼材的延性逐漸劣化，而脆性性能隨之產生.

圖3　銹蝕鋼材力學性能參數與銹蝕率的關系

2.2銹蝕H型鋼柱偏壓承載力試驗結果及分析

2.2.1破壞形態

對A、B兩組H型鋼柱試件進行偏壓承載力試驗，見圖4.銹蝕試件破壞形態與未銹蝕試件相比沒有發生明顯變化，仍為壓彎平面內的整體失穩破壞.通過對兩組試件跨中截面翼緣處應變進行監測，發現試件失穩時只有受壓翼緣進入塑性，隨著銹蝕程度的不斷加深，極限荷載對應的受壓翼緣應變急劇下降，當銹蝕率從0%增長至24.68%時，極限應變從0.002 393降至0.001 693，說明腐蝕嚴重限制了跨中截面在極限狀態下的塑性發展，導致壓彎試件的承載性能退化.

2.2.2承載力和撓度

試驗得到了不同銹蝕程度壓彎試件的荷載N與跨中側向撓度Δ之間關系曲線，見圖5.在加載初期，各試件的跨中撓度均隨著荷載的增加線性增長，當銹蝕率小于10%時，撓度的增長速率基本保持不變，當銹蝕率大于10%時，N-Δ曲線的斜率明顯變小，說明腐蝕損傷累計到一定程度后會對試件截面彈性剛度產生較大影響；隨著荷載的持續施加，銹蝕試件先于未銹蝕試件進入彈塑性工作階段，且銹蝕試件達到極限狀態時對應的荷載隨著銹蝕率的增大不斷減小；在承載力下降階段，A、B兩組試件的荷載均隨著撓度的增長緩慢下降，說明銹蝕后試件仍然具有一定的延性，但銹蝕試件的撓度增長速率大于未銹蝕試件，證明腐蝕造成了壓彎試件失穩后抗彎剛度的急劇衰減.

圖4　試件破壞模式

圖5　荷載-撓度曲線

為進一步研究壓彎試件整體穩定性能隨銹蝕率的退化規律，分別測得各試件的銹蝕率η、屈服撓度Δy、極限荷載Nu及其對應的跨中撓度Δu，列于表2(其中各試件的銹蝕率根據文獻[12]的建議選為受壓翼緣銹蝕率).根據表2內容，分別建立了極限荷載Nu、跨中撓度Δu、剛度Nu/Δu以及延性系數Δu/Δy與銹蝕率η之間的變化趨勢圖(見圖6)，從圖6(a)可發現，腐蝕越嚴重，壓彎試件的材料強度和有效截面積減少越多，試件的極限承載力下降越明顯.在圖6(b)、(c)中，腐蝕初期，腐蝕損傷對試件剛度和撓度的影響較小，且由于表1中銹蝕鋼材彈性模量E呈現出一種波動性，這甚至導致銹蝕試件剛度略微增長，撓度變小；但隨著腐蝕損傷的累積，銹蝕試件的翼緣和腹板厚度逐漸減小，使得銹蝕試件的截面抗彎剛度明顯下降，跨中撓度增大，導致銹蝕試件在相同荷載下的二階效應加劇，整體穩定性能發生劣化.從圖6(d)可發現隨著銹蝕率的增大，銹蝕試件的延性系數逐漸減小，減小程度最大可達32.5%，說明銹蝕試件的塑性變形能力減弱，延性變差.

表2　偏心受壓試驗結果

圖6　承載性能與銹蝕率的關系

2.2.3截面塑形發展系數

中國《鋼結構設計規范》[13]規定H型截面構件強軸平面內的塑性發展系數為1.05，然而，對于腐蝕環境作用下的壓彎構件，其剛度和材料應變硬化性能均隨著銹蝕率的增大而減小，這嚴重制約了壓彎構件跨中截面塑性區域的擴展[14-15]，上述塑性發展系數限值是否仍然適用需要進一步研究.

圖7　銹蝕鋼柱的塑性發展系數

3整體穩定性能退化規律

本文采用的銹蝕壓彎試件，其截面尺寸和長細比均較單一，為更全面深入研究腐蝕對壓彎鋼柱承載性能的影響，排除試件尺寸效應和試驗誤差的干擾，有必要進行有限元數值模擬分析.

3.1有限元分析模型及驗證

采用有限元分析軟件ABAQUS進行有限元數值模擬計算.根據文獻[17]建議，鋼柱采用S4R三維殼單元，端板采用R3D4三維離散剛體殼單元，單元網格尺寸為試件計算長度L的1%，見圖8；有限元模型的截面尺寸和材料性能均考慮腐蝕的影響，其中翼緣和腹板的厚度按照實測銹蝕率進行折減，而銹蝕鋼材的應力-應變關系則采用圖9所示本構模型(即隨著銹蝕率的增大，屈服平臺逐漸消失)，具體各應力、應變參數取值根據表1的材性試驗結果和文獻[18]的計算方法確定，材料泊松比υ為0.3；對于構件的幾何初始缺陷，通過特征值屈曲分析的結果進行施加，即將擾動量級為1/1 000的一階屈曲模態引入到原始模型中，更新所有單元的節點坐標，再進行非線性屈曲分析.

將采用上述方法計算得到的各試件極限承載力與試驗結果進行對比(見圖10)，有限元計算結果與試驗結果的平均誤差僅為1.75%.

3.2退化規律

本節利用驗證后的有限元數值模擬方法，分別計算不同截面尺寸和長細比的偏心受壓鋼柱在翼緣銹蝕率為0、10%、20%、30%時的極限承載力和塑性發展系數，共計96個算例.其中，算例共包括8種截面尺寸(見表3)，而每種截面尺寸對應3種長細比(λ=30、55、80)；試件的加載方式仍然為單向偏心偏壓加載，偏心距為截面形心至受壓翼緣中心線間距離；銹蝕模型的翼緣和腹板厚度損失量相同，即按照翼緣原始厚度與銹蝕率的乘積對翼緣、腹板厚度進行折減，見圖11.

圖8　有限元模型的網格劃分

圖9　應力-應變關系

圖10　有限元計算結果與試驗結果對比

截面編號H/mmB/mmtw/mmtf/mm偏心距/mmSec-I11251256.5958.0Sec-I22001005.5896.0Sec-I32502509.014118.0Sec-I43402509.014163.0Sec-I53501757.011169.5Sec-I650020010.016242.0Sec-I744030011.018211.0Sec-I870030013.024338.0

圖12分別給出了3種長細比對應的5種截面尺寸試件的極限承載力相對值與銹蝕率之間的對應關系，通過對相同長細比不同截面尺寸試件的模擬結果進行比較可發現，tf/tw相對較大的試件，其承載力退化的現象更為明顯，因為，對于不同截面尺寸的試件，在翼緣板銹蝕率相同的情況下，腹板銹蝕程度隨tf/tw的增大而增大，導致tf/tw較大試件的截面面積和力學性能下降幅度更大；通過對相同截面尺寸不同長細比試件的模擬結果進行比較可發現，試件長細比越小，其極限承載力的退化幅度越大，因為，腐蝕使得板件寬厚比增大，導致銹蝕試件在整個受力過程中發生板件局部屈曲，然而，長細比越大的試件，在整體失穩前越不易產生局部屈曲，故其承載力下降的幅度相對較小.

圖11　翼緣、腹板厚度損失示意

圖12　不同尺寸試件模擬結果對比

如圖13所示，所有算例的極限承載力相對值隨銹蝕率呈線性下降趨勢，而塑性發展系數相對值隨銹蝕率呈指數下降趨勢.試件長細比、tf/tw等參數會對承載性能造成一定影響，但影響程度有限，本文為了提出適用性更為廣泛的承載性能退化規律公式，采用η分別對圖13(a)、(b)中數據點平均值進行擬合，具體表示為：

(5)

(6)

式中：N、N0為銹蝕和未銹蝕試件的整體穩定承載力，γ、γ0分別為銹蝕和未銹蝕試件的塑性發展系數.

圖13　承載性能參數退化規律

4承載力計算公式

中國現行鋼結構規范規定，彎矩作用在對稱軸平面內的實腹式壓彎構件，其平面內穩定性應按下式計算：

(7)

本文列出部分試件的NP-MP理論相關曲線與試驗、有限元結果的對比，見圖14、15.所有試驗、有限元結果的數據點均位于NP-MP理論曲線的上方，說明對于銹蝕后的壓彎構件，在考慮了截面面積損失、材料強度退化以及塑性發展系數折減三方面因素后，采用現行規范式(7)設計方法依然安全可靠.

圖14　試件Mp-Np理論曲線與試驗結果對比

圖15　試件Mp-Np理論曲線與有限元結果對比

5結論

1)對7根H型鋼構件進行了最長達3 a的自然暴露鹽霧加速腐蝕試驗，并從各銹蝕型鋼構件上截取板材試樣進行力學性能試驗，建立了各項力學性能指標與銹蝕率的關系式.

2)分別對2根未銹蝕H型鋼柱和7根氯鹽腐蝕H型鋼柱進行偏壓承載力試驗，發現銹蝕試件的破壞形態仍然以整體失穩為主，隨著銹蝕率的增加，試件的承載力、抗彎剛度和延性系數下降，撓度增大.

3)腐蝕損傷使得鋼材的應變強化效應減弱，塑性變形能力下降，影響銹蝕試件的塑性性能利用，導致截面塑性發展系數隨著銹蝕率的增加而減小.

4)對大量的有限元數值計算結果進行分析，發現tf/tw越大、長細比越小，極限承載力下降越明顯；通過對模擬計算結果的平均值進行擬合，建立了偏心受壓鋼柱的整體穩定承載力、塑性發展系數隨銹蝕率的退化規律公式.

5)在考慮截面面積損失、材料強度退化以及塑性發展系數折減三方面因素的情況下，采用現行鋼結構設計規范進行銹蝕壓彎試件的整體穩定性設計依然安全可靠.

參考文獻

[1] 邱斌, 徐善華. 銹蝕鋼板力學性能的退化規律[J]. 機械工程材料, 2014, 38(10): 60-64.

[2] PAIK J K, THAYAMBALLI A K. Ultimate strength of ageing ships [J]. Journal of Engineering for the Maritime Environment, 2002, 216(1):57-77.

[3] 王波, 袁迎曙, 李富民, 等. 氯鹽銹蝕鋼筋的屈服強度退化分析及其概率模型[J]. 建筑材料學報, 2011, 14(5): 597-603.

[4] 徐善華, 任松波, 崔煥平, 等. 銹蝕槽鋼受彎承載力試驗研究[J].實驗力學, 2014, 29(4): 506-512.

[5] 史煒洲, 童樂為, 陳以一, 等. 腐蝕對鋼材和鋼梁受力性能影響的試驗研究[J]. 建筑結構學報, 2012, 33(7):53-60.

[6] 張春濤, 范文亮, 李正良. 腐蝕環境中Q345等邊角鋼構件擬靜力試驗研究[J]. 工程力學, 2014, 31(11): 53-62.[7] BEAULIEU L V, LEGERON F, LANGLOIS S. Compression strength of corroded steel angle members [J]. Journal of Constructional Steel Research, 2010, 66: 1366-1373.

[8] 林翠, 王鳳平, 李曉剛. 大氣腐蝕研究方法進展[J]. 中國腐蝕與防護學報, 2004, 24(4): 249-256.

[9] 劉明. 大氣腐蝕模擬加速試驗及相關性研究[D]. 北京: 北京航空材料研究院, 2003.

[10]金屬材料拉伸試驗第1部分: 室溫試驗方法：GB/T 228—2010[S]. 北京: 中國標準出版社, 2010.

[11]班慧勇, 施剛, 石永久. 960 MPa高強度鋼材軸壓構件整體穩定性能試驗研究[J]. 建筑結構學報, 2014, 35(1): 117-125.

[12]于峰, 黎德光, 徐國士, 等, 銹蝕槽鋼梁荷載-撓度關系研究[J]. 鋼結構, 2013, 28(2): 78-81.

[13]鋼結構設計規范：GB 50017—2003[S]. 北京: 中國計劃出版社, 2003.

[14]王飛, 施剛, 戴國欣, 等. 屈強比對鋼框架抗震性能影響研究進展[J]. 建筑結構學報, 2010(增刊1):18-22.

[15]陳紹蕃. 鋼結構設計原理[M]3版. 北京: 科學出版社, 2005.[16]王元清, 高博, 戴國欣, 等. 雙軸對稱不銹鋼受彎構件殘余變形的影響因素分析[J]. 山東大學學報(工學版), 2011, 41(1): 95-100.

[17]陳娟. 考慮初始缺陷的中厚壁冷彎方矩管柱極限承載力研究[D]. 武漢: 武漢理工大學, 2008.

[18]張偉平, 商登峰, 顧祥林. 銹蝕鋼筋應力-應變關系研究[J]. 同濟大學學報(自然科學版), 2006, 34(5): 586-592.

(編輯趙麗瑩)

Deterioration law of bearing properties for corroded eccentric steel columns

XU Shanhua, WANG Hao, XUE Nan

(School of Civil Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology，710055 Xi’an，China)

Abstract:This paper studied the effect of corrosion damage on bearing properties of eccentric steel columns. Outdoor exposure salt spray accelerated corrosion tests of 7 H-type steel members were performed for 3 years at most, and then the material tests, of which the specimens were extracted from end region of the members, were conducted to investigate the relationship between the corrosion rate and the mechanical properties. Through the experiments of 2 non-corroded H-type columns and 7 corroded H-type columns, the experimental results show that the bearing capacity, stiffness and ductility ratio decrease with increasing corrosion degree, and the corresponding deflection increases. The stiffness and strain hardening effect are weakened by corrosion damage, which influences the plastic property and decreases the plastic adaption coefficient. The corroded compression-bending column models with the various sectional dimensions and lengths were calculated by using the validated fem simulation method, hereby, the deterioration law formulas of the bucking strength and the plastic adaption coefficient were established based on the corrosion mass loss ratio.

Keywords:H-type steel column; corrosion; eccentric compression; bearing properties; deterioration law

中圖分類號:TU391;TU317.1

文獻標志碼:A

文章編號:0367-6234(2016)06-0157-07

通信作者:王皓，wh19881218@126.com.

作者簡介:徐善華(1963—)，男，教授，博士生導師.

基金項目:國家自然科學基金(51378417)；

收稿日期:2015-05-16.

doi：10.11918/j.issn.0367-6234.2016.06.025

教育部長江學者和創新團隊發展計劃(IRT13089).