袁 林

(長(zhǎng)江大學(xué)，湖北 荊州 434023)

1 鋼管混凝土

鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于各類建筑結(jié)構(gòu)中，較為常見的有鋼管混凝土柱構(gòu)件。鋼管混凝土構(gòu)件是內(nèi)空鋼管填充混凝土而制成的構(gòu)件，常見的有圓鋼管混凝土柱構(gòu)件和方鋼管混凝土柱構(gòu)件，近年來還有不少異形鋼管混凝土構(gòu)件的出現(xiàn)。鋼管與混凝土這兩種材料各有優(yōu)缺點(diǎn)，混凝土的抗壓強(qiáng)度高，但抗彎、抗折和抗拉能力很弱，而鋼材具有較高的抗拉強(qiáng)度，其中，型鋼的抗彎能力強(qiáng)，而且鋼材普遍具有良好的彈塑性，但是空鋼管構(gòu)件在軸向受壓時(shí)容易失穩(wěn)。而鋼管混凝土結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒍叩膬?yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起，在軸向受壓時(shí)鋼管中的核心混凝土處于側(cè)向受壓狀態(tài)，由于外圍鋼管的束縛其抗壓強(qiáng)度提高明顯，從而大大地提高了承載能力。由于鋼管混凝土構(gòu)件優(yōu)異的受力性能和施工性能，各種形狀的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的迅速發(fā)展，其承載力高、延性好、塑性好，而且施工方便，可在預(yù)制工廠預(yù)制好后搬運(yùn)至工地現(xiàn)場(chǎng)，結(jié)合裝配式建筑施工，工期大大縮短。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)施工時(shí)，也可以現(xiàn)場(chǎng)澆筑混凝土，在鋼管安裝好后，鋼管可以承受施工荷載，此外，鋼管混凝土的耐火性能較好。鋼管混凝土整體的耐腐蝕性能優(yōu)于單獨(dú)的鋼結(jié)構(gòu)，鋼管中心的混凝土使鋼管與空氣接觸面積減少，受腐蝕面積因此也比鋼結(jié)構(gòu)少。

2 鋼管混凝土腐蝕研究

鋼管混凝土構(gòu)件在使用過程中，都會(huì)受到環(huán)境因素的影響，有些構(gòu)件甚至需要在惡劣環(huán)境中服役，比如寒冷地區(qū)的凍土中，或在溫度較高的鋼鐵廠中，在眾多環(huán)境因素影響中，其中較為常見的是在腐蝕性環(huán)境中使用，例如海洋平臺(tái)建筑，埋地管道等都極易被環(huán)境所腐蝕，國(guó)內(nèi)一些學(xué)者對(duì)鋼管混凝土的腐蝕也進(jìn)行了研究。

2.1 腐蝕后鋼管混凝土構(gòu)件的研究現(xiàn)狀

2011年，張斌[1]詳細(xì)分析了普通鋼管混凝土、均勻銹蝕鋼管混凝土、坑狀銹蝕混凝土三種類型結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，并且通過有限元建模與試驗(yàn)對(duì)比，著重分析了銹蝕后對(duì)鋼管混凝土的力學(xué)性能、鋼材本構(gòu)關(guān)系、混凝土本構(gòu)關(guān)系以及承載力的影響。

2012年，李威[2]采用玻璃纖維增強(qiáng)塑料(GFRP)鋼管混凝土試件，以玻璃纖維增強(qiáng)塑料的包裹方式為試驗(yàn)的可變參數(shù)，進(jìn)行力學(xué)靜載試驗(yàn)，試驗(yàn)研究結(jié)果表明，隨著銹蝕的加深，試件的剛度也逐漸降低，同時(shí)，承載力也不斷下降，但相對(duì)于普通的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)而言，玻璃纖維增強(qiáng)塑料增強(qiáng)了鋼管混凝土構(gòu)件整體的抗腐蝕能力，此外，通過有限元分析中局部腐蝕與整體腐蝕發(fā)現(xiàn)，試件的局部銹蝕損傷明顯高于整體損傷，因此，建議在腐蝕性條件下使用鋼管混凝土構(gòu)件的實(shí)際工程中需要進(jìn)行構(gòu)件的局部加固。

2013年，陳夢(mèng)成等[3]以地下環(huán)境為背景模擬了試件在地下環(huán)境中的銹蝕環(huán)境，研究了氯離子銹蝕對(duì)鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)中鋼筋的影響規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果顯示，氯離子與鋼材發(fā)生腐蝕反應(yīng)較為緩慢。當(dāng)試驗(yàn)溶液中的氯離子濃度越大時(shí)，試件的銹蝕速率也越大，浸泡時(shí)間越長(zhǎng)，銹蝕的現(xiàn)象越為明顯。同年，何小平[4]制作了鋼管混凝土柱試件，并用NaCl溶液涂抹在鋼管與混凝土接觸面上來模擬腐蝕環(huán)境，通過設(shè)定不同時(shí)長(zhǎng)的銹蝕，分析了腐蝕時(shí)長(zhǎng)和徑厚比對(duì)于鋼管與混凝土粘結(jié)界面力學(xué)性能的影響。許開成等[5]制作了10根鋼管混凝土試件，在管內(nèi)壁涂抹一定濃度的NaCl 溶液，將試件置于腐蝕環(huán)境之中進(jìn)行試驗(yàn)，按一定時(shí)間獲得不同腐蝕程度的管件來研究腐蝕程度與時(shí)間長(zhǎng)短的關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著腐蝕時(shí)間的不斷增長(zhǎng)，腐蝕現(xiàn)象越為明顯。

2014年，Lin-Hai Han等[6]對(duì)長(zhǎng)期荷載-氯離子腐蝕下的方鋼管混凝土進(jìn)行了試驗(yàn)研究，其中17根柱構(gòu)件和11根梁構(gòu)件，一共28根試件。試驗(yàn)主要以荷載比和腐蝕條件為變量，分析了長(zhǎng)期荷載和腐蝕對(duì)鋼管混凝土柱的影響，此外與空鋼管柱的受力性能作了對(duì)比，最后對(duì)比了用現(xiàn)有規(guī)范計(jì)算的極限承載力與試驗(yàn)得到的極限承載力。

2015年，花幼星等[7]對(duì)氯離子腐蝕環(huán)境下鋼管混凝土軸拉構(gòu)件受力性能進(jìn)行了有限元模擬計(jì)算，模型考慮了長(zhǎng)期荷載下混凝土的收縮徐變和惡劣環(huán)境腐蝕兩方面的影響，有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。同年，陳夢(mèng)成等[8]參考自然界的酸雨成分配制了相同的溶液，運(yùn)用通電加速腐蝕的方法，設(shè)計(jì)了不同長(zhǎng)徑比的鋼管混凝土構(gòu)件，研究了不同pH值的酸性環(huán)境對(duì)鋼管混凝土構(gòu)件力學(xué)性能的影響。試驗(yàn)研究表明：鋼管混凝土的套箍系數(shù)會(huì)因?yàn)楦g而降低，鋼管混凝土構(gòu)件的剛度和承載力也因此而下降。

2016年，張風(fēng)杰[9]對(duì)地下巷道支護(hù)工程環(huán)境進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室人工模擬，設(shè)計(jì)了與實(shí)際工程環(huán)境較接近的人工加速銹蝕試驗(yàn)；試驗(yàn)結(jié)果顯示鋼材一旦出現(xiàn)銹蝕，時(shí)間越長(zhǎng)，銹蝕速率也會(huì)增大。此外，發(fā)現(xiàn)當(dāng)銹蝕度增大時(shí)，試件承載力退化趨勢(shì)減緩，銹蝕形成的蝕坑是試件受壓時(shí)的薄弱點(diǎn)，蝕坑部位也是應(yīng)力集中點(diǎn)，因此，該位置容易發(fā)生破壞。而且，隨銹蝕度增大均勻銹蝕逐漸變?yōu)閲?yán)重局部的坑蝕，這也是承載力降幅增大的主因。同年，張凡孟[10]詳細(xì)介紹了對(duì)于方形鋼管混凝土柱的酸雨腐蝕率的測(cè)量方法，同時(shí)探討了腐蝕度與鋼材本構(gòu)關(guān)系的影響。

2.2 影響腐蝕的因素

從已有研究可以看出，鋼管混凝土構(gòu)件的腐蝕與作用環(huán)境、腐蝕時(shí)間、離子濃度等有關(guān)。當(dāng)鋼管混凝土構(gòu)件服役于氯鹽和酸性環(huán)境中，構(gòu)件容易發(fā)生銹蝕現(xiàn)象，且局部銹蝕損傷高于整體。從時(shí)間上來說，氯鹽銹蝕是較為緩慢而長(zhǎng)久的過程。銹蝕的速率與氯離子的濃度以及銹蝕的時(shí)間有很大關(guān)系，濃度越大，作用時(shí)間越長(zhǎng)，銹蝕的現(xiàn)象越為明顯。隨著銹蝕的加深，腐蝕會(huì)降低鋼管混凝土的套箍系數(shù)，試件的承載力不斷下降，剛度也逐漸降低。當(dāng)鋼材存在GFRP材料包裹時(shí)，相對(duì)于無包裹的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，GFRP能有效地改善鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的抗腐蝕能力。長(zhǎng)期荷載和腐蝕對(duì)鋼管混凝土柱和空鋼管柱的受力性能影響對(duì)比，發(fā)現(xiàn)按照規(guī)范計(jì)算的極限承載力相對(duì)于試驗(yàn)值偏低，更趨于保守。研究表明鋼質(zhì)試件一旦銹蝕，其銹蝕速率將隨時(shí)間延長(zhǎng)將不斷增大。此外，發(fā)現(xiàn)隨銹蝕度、徑厚比的增大試件承載力退化趨勢(shì)減緩，銹蝕形成的蝕坑會(huì)造成鋼管對(duì)核心混凝土緊箍約束作用的薄弱點(diǎn)，蝕坑部位會(huì)形成試件的應(yīng)力集中點(diǎn)，試件更容易在此薄弱位置發(fā)生破壞。隨銹蝕度增大，試件的銹蝕從均勻銹蝕逐漸演變?yōu)閲?yán)重局部的坑蝕，這也是隨銹蝕度增大試件承載力降幅增大的主因。

2.3 銹蝕度測(cè)定的討論

在當(dāng)前研究中，為了測(cè)定腐蝕程度有著許多方法，其中常用的鋼鐵銹蝕速率方法有磁場(chǎng)法、聲發(fā)射法、電化學(xué)法、截面損失法、失重法，下面重點(diǎn)介紹一下電化學(xué)法、截面損失法和失重法。電化學(xué)法是依據(jù)電化學(xué)相關(guān)理論，根據(jù)鋼銹蝕的電化學(xué)特性，通過檢測(cè)電流、電位等來測(cè)定電參數(shù)，總結(jié)不同銹蝕情況下相應(yīng)的規(guī)律，從而確定鋼的銹蝕程度或速度。鋼材的電化學(xué)銹蝕過程，從微觀角度看是電子的不斷轉(zhuǎn)移造成的。當(dāng)轉(zhuǎn)移的電子數(shù)量越多，則形成的電位差越大，輸出的電量越大，同時(shí)鋼筋的失重也越多。在目前的腐蝕研究中，多用電化學(xué)腐蝕來模擬普通環(huán)境腐蝕的情形，通過物理電學(xué)相關(guān)定律，以電流計(jì)算鋼材的銹蝕量，與真實(shí)環(huán)境的腐蝕相比，電化學(xué)腐蝕加速了腐蝕的速率，縮短了試驗(yàn)的時(shí)間。截面損失法是通過鋼質(zhì)材料銹蝕前后截面面積的損失，計(jì)算材料的損失量，例如對(duì)于圓形截面構(gòu)件所采用千分尺來測(cè)量直徑，計(jì)算腐蝕前后的直徑差值，再除以腐蝕時(shí)長(zhǎng)，此外結(jié)合構(gòu)件的形狀計(jì)算面積差值。失重法與截面損傷法較為類似，這兩種方法的原理是對(duì)鋼質(zhì)材料截面面積、銹蝕前后的質(zhì)量損失、銹蝕時(shí)間進(jìn)行測(cè)定，并根據(jù)既定的公式計(jì)算得出相應(yīng)的銹蝕速率。

2.4 銹蝕層與非銹蝕層界定探討

1989，國(guó)家頒布《涂裝前鋼材表面銹蝕等級(jí)和除銹等級(jí)》(GB/T8923-2011)標(biāo)準(zhǔn)，將鋼材表面原始銹蝕程度等級(jí)分為A、B、C、D四個(gè)銹蝕等級(jí)，銹蝕等級(jí)中，A級(jí)為全面地覆蓋著氧化皮而幾乎沒有鐵銹的鋼材表面；B為級(jí)已發(fā)生銹蝕,且部分氧化皮已經(jīng)剝落的鋼材表面；C級(jí)為氧化皮已因銹蝕而剝落或者可以刮除,且有少量點(diǎn)蝕的鋼材表面；D級(jí)為氧化皮已因銹蝕而全面剝離,且已普遍發(fā)生點(diǎn)蝕的鋼材。

國(guó)家頒布的銹蝕等級(jí)基本為觀察的現(xiàn)象來定義銹蝕程度，然而這種定義不適合用于定量計(jì)算，定義銹蝕層厚度需要定量計(jì)算，這是一個(gè)矛盾，當(dāng)下不少研究認(rèn)為去除銹層讓試件露出材質(zhì)本身色澤后的厚度即為銹蝕層厚度。很多研究中對(duì)銹蝕試件先用打磨機(jī)將銹蝕層清除，裸露出光滑的鋼材表面即為銹層清除干凈，然而這種操作確不好把握，在打磨環(huán)節(jié)，無論是使用機(jī)械或者手工擦拭，清除銹蝕層也只是觀察到的，當(dāng)使用機(jī)械時(shí)，很可能打磨了未銹蝕的表面層，這就造成了后續(xù)的測(cè)量不準(zhǔn)，當(dāng)打磨過量，很可能造成較大的偏差，在銹蝕層的界定方面還需要更多的研究和探討。

2.5 腐蝕構(gòu)件的有限元模擬討論

目前各類腐蝕后的鋼管混凝土柱有限元模擬試驗(yàn)，基本采用計(jì)算折減后的鋼管混凝土構(gòu)件來進(jìn)行有限元模擬，這種折減算法實(shí)質(zhì)上并不是腐蝕環(huán)境的有限元模擬，這種折減算法把去除腐蝕層后的鋼管混凝土構(gòu)件簡(jiǎn)化為理想化的試件，然而腐蝕層的去除難以精確把握，清除的腐蝕層厚度關(guān)系到折減系數(shù)，這種模擬誤差較大，而且，由于腐蝕的環(huán)境各不相同，腐蝕具有化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕等復(fù)合作用，存在點(diǎn)腐蝕、局部腐蝕和整體腐蝕等情況，那么以理想化、均勻化的狀態(tài)來計(jì)算腐蝕平均厚度則不準(zhǔn)確，尤其在構(gòu)件自身形成了電化學(xué)腐蝕回路情況下，構(gòu)成微電池的兩端是腐蝕的兩個(gè)特殊點(diǎn)，陽極不斷放電被腐蝕，陰極受到保護(hù)。這種不均勻的腐蝕在電化學(xué)腐蝕中較為常見，顯然此種腐蝕情況不能以平均腐蝕厚度來進(jìn)行有限元模擬，其中腐蝕較嚴(yán)重的位置在軸壓加載下較為脆弱，容易先發(fā)生破壞。當(dāng)前有限元模擬中缺少腐蝕場(chǎng)的環(huán)境，往后的計(jì)算機(jī)研究可以開發(fā)相關(guān)程序，基于流體力學(xué)，將腐蝕性的鹽離子、氫離子以及酸根離子作為標(biāo)記，以統(tǒng)計(jì)學(xué)的隨機(jī)概率模型進(jìn)行腐蝕場(chǎng)模擬，對(duì)于腐蝕類研究，可以將構(gòu)件放入腐蝕場(chǎng)中，經(jīng)腐蝕場(chǎng)腐蝕后的構(gòu)件再進(jìn)行加載模擬，此種有限元模擬會(huì)較為準(zhǔn)確。

2.6 當(dāng)前研究的不足

1)當(dāng)前研究多為單方面酸或者鹽環(huán)境下的腐蝕試驗(yàn)研究，在實(shí)際環(huán)境中，例如地下環(huán)境的腐蝕，不僅有酸性物質(zhì)的作用，還有鹽類離子的作用，還有溫度等因素的影響，當(dāng)前的試驗(yàn)研究基本只考慮單個(gè)因素，因而與實(shí)際的腐蝕情況相差較大，今后可在多種環(huán)境因素影響下進(jìn)行研究。

2)銹蝕程度測(cè)定方法太傳統(tǒng)。目前的銹蝕程度測(cè)定多依靠千分尺等測(cè)量?jī)x器來測(cè)量腐蝕前后的厚度差，這種方法較為傳統(tǒng)，新的測(cè)量手段較少應(yīng)用。當(dāng)下出現(xiàn)了不少新技術(shù)，可以采用更多的新技術(shù)來測(cè)量銹蝕程度。

3)此外，當(dāng)前的腐蝕性研究為了追求速度，多為人工實(shí)驗(yàn)室模擬加速銹蝕試驗(yàn)研究，加速情況下的腐蝕與自然狀態(tài)下的腐蝕也有差異，也需要進(jìn)一步研究，而且加速狀態(tài)下腐蝕，基本為增加電極，這樣形成的電化學(xué)腐蝕也就改變了原本的化學(xué)腐蝕狀態(tài)，而且形成了加劇，這種通過電流持續(xù)時(shí)長(zhǎng)來模擬長(zhǎng)時(shí)間的自然狀態(tài)腐蝕也不準(zhǔn)確。

4)當(dāng)前腐蝕環(huán)境下的有限元模擬分析不準(zhǔn)確，缺乏相關(guān)程序支持，需要進(jìn)一步開發(fā)相關(guān)程序模塊，建立腐蝕場(chǎng)的理論。尤其需要建立隨機(jī)腐蝕模型和點(diǎn)腐蝕模型，只有接近實(shí)際的腐蝕情況的有限元模擬才能得出較為準(zhǔn)確的理論公式，而不是當(dāng)前的測(cè)量后折減計(jì)算的理論。

5)對(duì)于鋼管試件的腐蝕需要考慮焊縫的影響。當(dāng)前的腐蝕研究中，把鋼管混凝土看成一個(gè)整體，在腐蝕時(shí)按照均勻腐蝕來計(jì)算極限承載力，這是不準(zhǔn)確的，有縫鋼管需要考慮焊縫部位腐蝕程度的不同，從以往研究來看往往焊縫附近腐蝕較為嚴(yán)重，這點(diǎn)在將來的研究中需要重視。

3 結(jié) 語

當(dāng)前關(guān)于鋼管混凝土構(gòu)件的腐蝕性研究取得了不少成就，但是相關(guān)腐蝕理論還不夠完善，測(cè)量腐蝕層厚度等手段也較為傳統(tǒng)，模擬腐蝕場(chǎng)的計(jì)算機(jī)分析也較為缺乏，對(duì)于腐蝕因素考慮的較為單一，腐蝕時(shí)間也較短，這些都需要將來進(jìn)一步研究。

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