鋼拱架銹蝕作用下型鋼混凝土梁抗彎承載力研究

王明年， 劉軻瑞， 張藝騰， 楊恒洪， 于 麗, *

(1. 西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室， 四川 成都 610031； 2. 西南交通大學土木工程學院， 四川 成都 610031)

0 引言

隨著我國城市的發展，越來越多的海底隧道處于設計和建造階段，跨海鐵路隧道修建技術研究也備受關注[1-2]。海底隧道的隧道外壁處于陸域或海域的地下水中，這些地下水的主要來源是海水。海水中含有各種離子，對鋼筋混凝土有很強的腐蝕作用[3]。海底隧道多采用鉆爆法施工[4]，其支護體系一般包括初期支護及二次襯砌，圍巖條件較差的斷面，初期支護通常由噴射混凝土、鋼拱架、鋼筋網和錨桿組成[5]，其中鋼拱架通常采用工字鋼。在富含各種離子的水環境下，鋼拱架銹蝕后產生的鐵銹是原體積的2～4倍[6]，同時將產生銹脹力，導致工字鋼與混凝土之間的黏結強度降低[7]，產生內部甚至貫通混凝土裂縫，這些細部的變化最終都會體現在整體鋼拱架承載力的變化上[8]。

關于鋼拱架銹蝕所引起初期支護承載能力的變化，國內外學者展開了大量的研究。童建軍等[9]采用數值模擬方法考慮初期支護與二次襯砌荷載分配比例，研究鋼拱架銹蝕率對其自身承載力的影響規律；周清等[10]采用數值模擬方法研究了Ⅴ級圍巖條件下鋼拱架銹蝕對支護結構的影響；王明年等[11]采用數值模擬方法分析了在有水壓和無水壓2種情況下，鋼拱架銹蝕對自身承載能力和對初期支護混凝土、二次襯砌安全性的影響；曾佳亮[12]采用數值模擬的方法分析了局部銹蝕對支護結構安全性的影響；王明年等[13]將不同銹蝕率的工字鋼混凝土試件進行黏結滑移試驗，分析了銹蝕率、滑移量、黏結破壞荷載之間的關系，建立了銹蝕工字鋼與噴射混凝土的黏結滑移本構關系數學模型；婁西慧[14]采用試驗的方法，建立了型鋼拱架與混凝土之間的黏結滑移模型，最終采用數值模擬的方法分析了鋼拱架銹蝕對支護體系安全性與耐久性的影響。以往主要采用數值模擬手段研究鋼拱架銹蝕對隧道支護體系受力的影響，但對于鋼架銹蝕如何影響承載力的試驗研究較少。

為從宏觀角度體現銹蝕對于鋼拱架承載力的影響，本文開展了鋼拱架銹蝕條件下型鋼混凝土梁抗彎承載力研究，從而為海底隧道的維修養護提供依據。

1 鋼拱架銹蝕下抗彎承載力試驗

1.1 試驗及電銹蝕設計

鋼拱架在自然條件下銹蝕時間較長，試驗中往往采用一定方法加速銹蝕進程，如干濕循環、鹽霧試驗、電加速銹蝕等。本試驗采用電加速銹蝕，其原理依據是法拉第定律[15]，見式(1)。

(1)

式中： Δm是銹蝕鋼材的目標質量損失，g；t是銹蝕通電時間，s；M是鐵的摩爾質量，M=56 g/mol；i是銹蝕電流密度，A/cm2；S是銹蝕區域內的工字鋼表面積，cm2;F是法拉第常數，F=96 500 C/mol；z是鐵離子電荷數，z=2。

根據式(1)，控制銹蝕電流密度與銹蝕區域工字鋼表面積一定時，由銹蝕通電時間可得到銹蝕質量，再除以總質量得到目標銹蝕率。

(2)

式中：ρ是目標銹蝕率；m是未銹蝕工字鋼的總質量，kg。

電銹蝕試驗所用到的主要設備有： 直流電源、電流表、導線、質量分數5%的NaCl溶液、銅片、防水絕緣膠帶以及塑料箱，如圖1所示。

圖1 電解槽示意圖

本試驗采用I12工字鋼，工字鋼梁采用長方體形式，截面為20 cm×20 cm，長160 cm，沿截面中軸線對稱布置工字鋼，兩端外露鋼筋5 cm并包裹防水絕緣膠帶，如圖2所示。制作6個不同編號的試件，控制通電電流相同，其中1個不通電銹蝕，作為對照，其余5個分別通電不同時間，從而得到不同的銹蝕率，如表1所示。

(b) 梁構件尺寸

表1 試件的目標銹蝕率

1.2 加載方案

試驗加載在500 t的壓力機上完成，采用簡支梁抗彎破壞的加載方式，一端采用鋼板固定制作，另一端為滾動鉸支座，在梁的中心上表面施加集中荷載，如圖3所示。加載速度控制在40 kN/min，每20 kN為一級加載，記錄裂縫的發展以及對應的荷載大小。

(a) 現場加載圖

(b) 梁加載示意圖

1.3 試驗步驟

設計試驗步驟如下：

1)澆筑試件、編號、按標準環境養護。

2)快速電解，控制通電電流為2.5 A。其中1個試件不電解，其余5個通電不同時間，得到不同的銹蝕率試件。為保證工字鋼均勻銹蝕，每個試件在電解前，放入質量分數為5%的NaCl溶液中浸泡7 d，讓溶液浸透混凝土，與工字鋼充分接觸。

3)按照前述加載方案進行加載，注意加載過程中要觀察梁的裂縫發展情況。

4)記錄裂縫產生以及梁達到承載力狀態時的荷載讀數。

5)試驗結束，鑿開梁取出銹蝕工字鋼用質量分數10%的鹽酸溶液進行酸洗，再用質量分數3%的碳酸鈉溶液中和，用清水沖洗干凈，擦干后，用電子秤稱取銹蝕后工字鋼的質量。根據式(2)最終得到銹蝕工字鋼實際的銹蝕率。

2 試驗結果與分析

2.1 試驗結果

根據GB/T 50152—2012《混凝土結構試驗方法標準》[16]，試驗過程中當梁受壓區混凝土受壓開裂、破碎或彎曲撓度達到跨度的1/50即認為加載達到了梁抗彎承載力極限。通過對加載試驗的觀察和記錄，可得到梁銹蝕率與抗彎承載力關系及銹蝕后的抗彎承載力，分別如圖4和表2所示。

圖4 梁銹蝕率與抗彎承載力關系圖

表2 銹蝕后梁的抗彎承載力

從圖4和表 2可以明確地看出, 隨著工字鋼混凝土梁銹蝕率的增加，梁的抗彎承載力降低。出現第1條裂縫部位以及荷載與銹蝕率關系不大，也就是說，第1條裂縫的出現與銹蝕情況無關，只取決于混凝土的抗拉強度以及保護層厚度。雖然第1條裂縫的產生與銹蝕情況無關，但是之后裂縫的發展卻與銹蝕情況關系密切。

通過加載過程對裂縫的觀察和記錄，本文得到以下規律：

1)未銹蝕的梁。破壞時只有1條較寬的裂縫，位于梁加載點的下半部分，隨著加載的進行，裂縫變寬變長，直到破壞。其余的裂縫都是細小的裂縫，如圖 5所示。

2)銹蝕率ρ≤1.5%的梁。破壞時沒有縱向裂紋，隨著加載的進行，梁下半部分有數條較寬的橫向裂縫及斜裂縫發展，如圖6所示。

圖5 未銹蝕的梁破壞裂縫

圖6 銹蝕率較小的梁破壞時的裂縫

3)銹蝕時間較長、銹蝕率ρ>1.5%的梁。加載過程中首先出現梁底橫向裂縫，隨著加載進行，出現縱向裂縫。破壞時的控制裂紋為上半部的縱向裂縫，裂縫出現在工字鋼上表面與混凝土的接觸面，縱向裂縫很寬，長度很長，幾乎從加載點延伸到端部，但橫向裂縫卻很細。因此，對于ρ>1.5%的梁，用來判斷破壞的裂縫為縱向裂縫，如圖7所示。

圖7 銹蝕率較大的梁破壞時的裂縫

2.2 裂縫結果分析

銹蝕后的工字鋼混凝土梁出現抗彎承載力下降的現象，其原因主要是銹蝕過程會導致工字鋼表層形成一層蓬松的銹蝕物質層，破壞了工字鋼與混凝土之間的化學膠著力，也就破壞了他們之間的黏結。此外，銹蝕還會形成銹脹力，這種力對于混凝土結構的損害作用很大。銹脹力會使工字鋼與混凝土脫離開來，二者形成獨立的受力結構，無法發揮工字鋼受拉性能好以及混凝土受壓性能好的互補優勢。而且，混凝土是一種變形很小的結構，銹脹力的作用會使混凝土內部產生細微的裂縫，這些細微的裂縫是鋼拱架的內部受力缺陷，當鋼拱架受力時，這些細小的裂縫會快速發展，導致結構破壞。

未銹蝕的梁之所以只有一條較寬的裂縫，其余的都是很細小的裂縫，原因在于工字鋼與混凝土之間的黏結未被破壞，當中間那條裂縫因為撓度過大而變寬之后，原來混凝土下邊緣受到的拉力很大部分通過工字鋼與混凝土之間的黏結傳到工字鋼上，從而很好地發揮了工字鋼受拉性能強的優勢。而銹蝕率ρ≤1.5%的梁的破壞形態多了幾條較寬的裂縫，這說明銹蝕破壞了工字鋼與混凝土之間的黏結，混凝土受到的拉力無法很好地傳到工字鋼上，而是轉移到兩側的混凝土結構，從而導致了多條裂縫的快速發展。但是ρ≤1.5%的梁破壞時并未出現沿工字鋼上表面的縱向裂縫，這是因為銹蝕率不是很大，其破壞黏結的程度還不嚴重，工字鋼與混凝土之間的銹脹力還未導致混凝土沿工字鋼面形成裂縫。對于銹蝕率ρ>1.5%的梁，控制破壞的形式是縱向裂縫，主要原因是銹蝕嚴重，導致工字鋼與混凝土之間的黏結破壞程度嚴重，銹脹力導致混凝土結構內部出現細小的裂縫，一旦受力，這些內部細小的裂縫迅速發展，從而改變了正常的工字鋼與混凝土之間的受力分配，出現了寬度達到2 cm左右的縱向裂縫。

3 鋼拱架銹蝕下梁抗彎承載力數值模擬

為了檢驗銹蝕梁抗彎試驗的結果，并進一步理解銹蝕梁破壞后工字鋼混凝土內部應力的分布，本文用數值計算的方法，對不同銹蝕率下的梁抗彎承載力進行模擬。

3.1 模型建立

3.1.1 材料選取

數值模擬所賦予的參數均與試驗材料參數相同。

1)工字鋼材料。工字鋼采用多折線型隨動強化模型(MKIN)，單軸應力-應變關系采用多折線型，屈服準則為Mises準則，材料的主要輸入參數見表3。

2)混凝土材料。混凝土的單軸受壓應力-應變關系采用Kent-Park模型，具體參數見表 3。

表3 模型材料參數

3.1.2 單元類型

工字鋼采用Solid 45單元模擬，混凝土采用Solid 65單元模擬。整個構件采用三維實體建模方式，工字鋼和混凝土之間的黏結用節點的非線性彈簧單元模擬，每個節點由法向、縱向切向和橫向切向3個不同F-D(力-距離)曲線的Combination 39單元表示，不同的銹蝕率采用不同的F-D曲線，模型見圖8和圖9。

作為“非遺”的雕刻藝術，它與中國傳統繪畫藝術之間的關系，也許還可以從其它更多的角度加以探討。但是，我們單就文化同源、理念相近的角度就已經可以做出合理的推斷，它們二者之間的姻緣關系都是建立在民族文化大環境的基礎之上的。作為同屬于中華民族文化大家庭中的一分子，它們二者之間所共有的文化基因，即便隨著時間的推移也無法遭到否定與質疑。

圖8 工字鋼混凝土實體模型

圖9中，每個重合節點(工字鋼單元和混凝土單元)有3個方向不同的黏結彈簧單元，用來分別描述3個方向上的黏結性能。

3.1.3 模型尺寸及邊界條件

計算模型的尺寸完全和試驗的構件尺寸相同，斷面為20 cm×20 cm，長度為160 cm。采用簡支梁加載模式，加載點在梁的跨中，兩端設置豎向Uy方向的約束，如圖10所示。

圖10 梁加載模型

3.1.4 工況說明

初期支護中，鋼拱架與混凝土黏結退化一般表達式為：

(3)

(4)

式中S為滑移量，mm。

通電試驗前已將混凝土梁放入質量分數為5%的NaCl溶液中浸泡7 d，保證不同位置銹蝕程度接近相同，數模模擬時假定型鋼均勻銹蝕。根據試驗中實際所得銹蝕率0%、0.52%、1.04%、1.47%、2.21%、2.94%設置6個工況，計算得到對應黏結強度影響系數為0.990、0.989、0.987、0.985、0.980、0.974。根據不同工況，分別對Combination 39設置不同的F-D曲線。

3.2 計算結果及分析

3.2.1 試件內部應力、應變隨銹蝕率的變化

從前面的試驗了解到，隨著銹蝕率的增大，工字鋼與混凝土之間的黏結性能會下降，這影響了工字鋼與混凝土之間的整體受力，從而導致工字鋼沒有發揮其受拉優勢而使混凝土過早承受較大的拉應力，進而引起裂縫。荷載為50 kN時，各銹蝕率試件的受拉區工字鋼、混凝土的應力、應變對比見表4—5和圖11—12。其中，應力、應變數據來源于工字鋼底部、混凝土梁底。

表4 荷載50 kN時各試件受拉區應力對比

由表4、表5和圖11、圖12可知，隨著銹蝕率的增大，工字鋼受拉區的應力和應變先有小幅的增大，然后開始逐漸下降，銹蝕率從0%增大到0.52%工字鋼拉應力增大了0.87 kPa，銹蝕率從0.52%每增大1%工字鋼拉應力減小2.65 kPa；對應的混凝土受拉區應力和應變先有小幅減小，然后開始逐步上升，銹蝕率從0%增大到0.52%混凝土拉應力減小了0.27 kPa，銹蝕率從0.52%每增大1%混凝土拉應力增大了1.46 kPa。根據這些變化規律，可以推斷出：

1)工字鋼的應力、應變曲線趨勢與混凝土的剛好相反，工字鋼大體減小，混凝土大體增加。這說明銹蝕率的增大，影響了混凝土與工字鋼之間荷載的傳遞作用。混凝土的應力、應變增大，就是因為混凝土與工字鋼表面的黏結強度減弱導致工字鋼分擔的荷載變小，混凝土不得不多分擔荷載。這也說明了銹蝕率越大，混凝土越容易發生破壞。

2)在銹蝕率較小的時候，銹蝕作用增加了工字鋼與混凝土之間的摩擦力，導致黏結強度增大，混凝土與工字鋼之間的荷載傳遞增強；隨著銹蝕率進一步增大，工字鋼與混凝土之間的化學膠著力發生破壞，黏結強度降低，混凝土與工字鋼之間的荷載傳遞作用減弱，工字鋼分擔的荷載減少，混凝土承擔更多的荷載。

表5 荷載50 kN時各試件受拉區應變對比

(a) 工字鋼受拉區應力

(b) 混凝土受拉區應力

3.2.2 抗彎承載力

表6和圖13示出了計算得到的梁破壞荷載與試驗破壞荷載對比結果，計算破壞荷載要比試驗破壞荷載稍大，原因在于計算時建模沒考慮銹蝕銹脹導致梁的裂縫發生。

(a) 工字鋼受拉區應變

(b) 混凝土受拉區應變

表6 試件抗彎承載力計算與試驗結果對比

圖13 試件抗彎承載力計算與試驗結果對比

4 結論與討論

本文通過試驗與數值模擬的方法，研究了鋼拱架銹蝕下初期支護抗彎承載力變化情況，得到了以下主要結論：

1)銹蝕后的工字鋼混凝土梁抗彎承載力隨銹蝕率增加而減小，在試驗設計范圍內，銹蝕率每增高1%，抗彎承載力平均下降5.1 kN。

2)不同銹蝕率下，試驗梁的破壞形式不相同。未銹蝕的梁，工字鋼與混凝土之間的黏結未被破壞只有1條較寬的裂縫；銹蝕率ρ≤1.5%的梁，銹蝕破壞了工字鋼與混凝土之間的黏結，破壞形態就多了數條較寬的裂縫；銹蝕率ρ>1.5%的梁銹蝕嚴重，導致工字鋼與混凝土之間的黏結破壞程度嚴重，控制破壞的形式是縱向裂縫。

3)隨著銹蝕率增大，混凝土受拉區應力、應變先減小后增大；反之，工字鋼受拉區應力、應變先增大后減小。

4)隨著銹蝕率增大，工字鋼與混凝土之間黏結強度降低，混凝土與工字鋼之間的荷載傳遞作用減弱，工字鋼分擔的荷載減少，混凝土承擔更多的荷載。

本文所研究的僅為鋼拱架銹蝕下，梁抗彎承載力隨銹蝕率的變化規律，忽略了圍巖對初期支護的約束作用。工程中，隧道初期支護承載是隧道圍巖與初期支護共同承載、協調變形的，本文研究中沒有考慮初期支護受圍巖的限制；試驗所采用的為直梁，在實際應用中應為拱形承載結構；因此，后續研究建議試驗拱形梁抗彎承載能力隨銹蝕率的變化，并考慮圍巖與初期支護的協調變形進行模型試驗。