胡曉鵬 仲帥 彭剛 范永風

摘要：為研究銹蝕對扣件式腳手架體系中鋼管立桿穩(wěn)定性的影響，通過對不同銹蝕齡期的鋼管進行表面形貌測試，分析銹蝕對鋼管內(nèi)、外壁表面形貌的影響；通過銹蝕鋼管材料單調(diào)拉伸試驗，探討銹蝕條件下鋼材力學性能的退化規(guī)律；基于銹蝕鋼管的軸心受壓試驗結(jié)果，提出銹蝕鋼管立桿穩(wěn)定性的計算模型。結(jié)果表明：隨著鋼管失重率的增加，鋼管表面坑蝕分布由獨立蝕坑向潰瘍狀蝕坑群發(fā)展，外壁坑蝕率、算術(shù)平均高度和均方根高度均不同程度地高于鋼管內(nèi)壁；銹蝕鋼材表面隨機分布、大小不一的蝕坑會導致鋼材強度與塑性變形能力下降、塑性變形能力劣化更明顯；不同銹蝕程度的鋼管軸壓破壞模式均為整體彎曲失穩(wěn)，銹蝕鋼管的極限荷載隨失重率的增加線性下降，峰值荷載對應的軸向位移值逐漸降低。

關(guān)鍵詞：扣件式腳手架；銹蝕鋼管；表面形貌；材料力學性能；軸心受壓

中圖分類號：TU392.3 文獻標志碼：A 文章編號：2096-6717（2022）06-0136-08

Experimental study of axial compression stability of corroded steel tube in scaffold

HU Xiaopeng 1a，1b，ZHONG Shuai 1a，PENG Gang 1a，F(xiàn)AN Yongfeng 2

（1a.School of Civil Engineering;1b.Key Lab of Structural Engineering and Earthquake Resistance，Ministry of Education，Xi’an University of Architecture&Technology，Xi’an 710055，P.R.China;2.Department of Architectural Engineering，Gansu Construction Vocational Technical College，Lanzhou 730050，P.R.China）

Abstract：To study the effect of corrosion on the axial compression performance of the upright tube of steel tubular scaffold with couplers，the surface morphology of steel tubes with different corrosion ages was tested to analyze the influence of corrosion on the surface morphology of the inner and outer walls of steel tubes，and the degradation law of mechanical properties of corroded steel was discussed through the monotonic tensile test of corroded steel tube.The calculated formula for the stability of the corroded steel tube was proposed through the results of the axial compression tests.The results show that the distribution of pit corrosion on the surface of steel tube develops from independent pits to ulcer-like pit groups with an increase of the quality loss rate of steel tube.The pit corrosion ratio，the average arithmetic height，and the root mean square height of the outer wall are higher than those of the inner wall in varying degrees.Randomly distributed and different sizes of pits will cause the decrease of the strength and plastic deformation ability of the steel.Compared with the decrease in strength，corrosion has amore severe impact on the plastic deformation ability of steel.The axial compression failure mode of steel tubes with different corrosion degrees is the overall bending instability.As the mass loss rate increases，the ultimate load decreases linearly，and the axial displacement value corresponding to the peak load point decreases gradually.

Keywords：steel tubular scaffold with couplers；corroded steel tube；surface morphology；material property；axial compression

由于施工便利、循環(huán)性高等優(yōu)點，扣件式鋼管腳手架在實際工程中得到了普遍應用[1]。近年來，建筑施工過程中腳手架倒塌事故頻發(fā)，造成大量人員傷亡和巨額財產(chǎn)損失[2-4]。長期反復使用過程中，鋼管銹蝕會導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。

在銹蝕對鋼材表面形貌影響方面，商鈺[5]通過比較銹蝕鋼板二維輪廓和三維形貌量測結(jié)果，認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]對海水銹蝕條件下的鋼管樁三維表面形貌進行測試，分析了不同海水銹蝕條件對表面形貌參數(shù)的影響。王友德等[7]建立了銹蝕深度隨機場模型和蝕坑隨機分布模型，實現(xiàn)了一般大氣環(huán)境下鋼結(jié)構(gòu)表面特征的準確模擬。基于銹蝕鋼材表面形貌逆向建模的有限元模擬可以準確分析不同銹蝕程度鋼構(gòu)件的力學性能[8-9]。為減少數(shù)值計算成本，Chun等[10]基于鋼材表面形貌特征，利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對鋼材的有效厚度進行了預測，采用有限單元法對鋼材強度進行了計算。

對于鋼管的軸壓承載性能，學者們開展了大量研究[11-13]?？紤]復雜環(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鋼管構(gòu)件的破壞模式、承載能力的影響規(guī)律，認為銹蝕會導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)件的軸壓力學行為，結(jié)果表明，銹蝕嚴重部位會產(chǎn)生鋼管局部屈曲，從而影響鋼管的承載能力。宋鋼[17]對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，認為加速銹蝕試驗能夠重現(xiàn)鋼材在自然環(huán)境下的銹蝕情況，并通過鋼管軸心受壓試驗研究了鋼管失重率對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)件外壁局部銹蝕對鋼管軸壓承載力的影響。吳兆旗等[19]采用正交試驗法研究了近海大氣環(huán)境下局部銹蝕參數(shù)對圓鋼管軸壓柱力學性能的影響，并提出了局部銹蝕圓鋼管軸壓承載力的計算公式。

目前，銹蝕鋼管軸壓力學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)有成果研究對象大多為長細比較小的鋼管，其研究成果是否適用于長細比較大的腳手架鋼管體系尚需進行深入研究。筆者通過腳手架鋼管加速銹蝕后鋼材的力學性能與表面形貌測試、軸心受壓試驗，分析腳手架鋼管內(nèi)、外壁銹蝕形貌演化差異及其對鋼材力學性能的影響規(guī)律，建立了銹蝕鋼管軸壓承載性能的計算模型。

1 試驗概況

1.1 鋼管加速銹蝕試驗

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，試驗采用鋼管規(guī)格為Φ48×3.5 mm，長度1.2 m，鋼材型號為Q235B。試驗按照《金屬和合金的腐蝕戶外周期噴淋暴露試驗方法》（GB/T 24517—2009）的要求，采用質(zhì)量分數(shù)為5%的中性氯化鈉溶液作為腐蝕溶液，通過均勻布置在試件上方的噴水管道對試件進行間斷噴淋，每隔2 d翻動一次試件，以確保試件處于干濕交替環(huán)境且銹蝕均勻。加速銹蝕試驗過程如圖1所示。

將鋼管按照預定銹蝕時間分批取出，然后采用酸洗法除銹。按照加速銹蝕時間的長短，將試件分為T1～T6等6批，對應銹蝕時間分別為0、14、26、38、48、60 d，每種銹蝕批次設(shè)3個試件，其鋼管失重率η w按式（1）計算。銹蝕前后鋼管試件的幾何參數(shù)及失重率見表1。

式中：m 0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試及材性試驗

對銹蝕鋼管進行切割加工，制作用于表面銹蝕形貌量測及材料力學性能試驗的試件，試件尺寸見圖2，用于表面形貌測量的區(qū)域為60 mm×8 mm。鋼管表面形貌測試所用儀器為美國NANOVEA公司ST400型非接觸式光學輪廓儀，該儀器通過其超靈敏探測器系統(tǒng)接收到樣品表面反射出的不同波長的漫反射光，根據(jù)準共聚焦原理得到測點距離透鏡的垂直距離，再通過點掃描方式以S路徑獲得鋼管的三維表面形貌特征。通過Professional 3D軟件對掃描所得三維形貌進行后處理以獲取鋼管表面特征參數(shù)。參照《金屬材料拉伸試驗第一部分：室溫試驗方法》（GB/T 228.1—2010）中相關(guān)規(guī)定，在DNS300型電子萬能試驗機上進行鋼管材性試件的單調(diào)拉伸試驗，加載過程中控制位移速率，試驗過程中系統(tǒng)自動對數(shù)據(jù)進行采集，試驗結(jié)束后對試件變形進行量測。

1.3 鋼管立桿軸心受壓試驗

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，當試件加載至荷載下降至峰值荷載的80%時，終止試驗。為獲得加載過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組應變片，在試件加載端布置2個側(cè)向位移計及1個豎向位移計，在試件中部沿周長均勻布置4個側(cè)向位移計。試驗裝置及測點布置如圖3所示。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 銹蝕鋼管表面形貌

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

采用失重率η w描述鋼管銹蝕程度，以坑蝕率V、算術(shù)平均高度S a、均方根高度S q和最大高度S z等評價指標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)見表2。由表2可知：

1）隨著銹蝕時間的增長，鋼管失重率η w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。其中，外壁坑蝕率高于內(nèi)壁，外壁坑蝕率增長速率較為穩(wěn)定，而在10～40 d期間內(nèi)壁坑蝕率增長緩慢；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層，隨著銹蝕時間的進一步增長，致密銹蝕產(chǎn)物逐漸分解剝落，銹蝕作用在坑蝕區(qū)域進一步發(fā)展，造成坑蝕率迅速增加；由于鋼管外壁長期處于暴露條件，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，銹蝕層對鋼材表面的保護作用并未明顯體現(xiàn)。

3）表面最大高差S z僅體現(xiàn)表面最高點與最低點之間的高度差，由于其采樣特性，導致數(shù)據(jù)離散性相對較大。

4）表面算數(shù)平均高度S a和均方根高度S q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，S a、S q值整體呈上漲趨勢，表明試樣表面起伏波動更大。當失重率較小時，內(nèi)、外壁S a、S q值差距不大；隨著銹蝕率的增加，外壁S a值增長更迅速。

2.2 銹蝕鋼管的材料力學性能

通過不同銹蝕時間鋼管試件的單調(diào)拉伸試驗，得到的鋼管試件的力學性能參數(shù)見表3，試件力學性能隨失重率增加的衰減規(guī)律見圖5。對于不同失重率的試樣，在拉伸過程中均出現(xiàn)了頸縮現(xiàn)象，隨著銹蝕率的增加，鋼材的極限強度f u、屈服強度f y、彈性模量E、斷后伸長率A及斷面收縮率Z近似呈線性下降，鋼管的強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；這主要是因為局部銹蝕會在鋼材表面形成大小不一且隨機分布的蝕坑，并且蝕坑體積隨著銹蝕程度的增加而增加。在軸向拉伸時，蝕坑周圍會產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象，在坑蝕處過早地產(chǎn)生裂縫，隨著裂縫的進一步發(fā)展，最終導致鋼管材料強度和延性隨失重率增加而逐漸下降。

通過圖5中回歸關(guān)系，可建立銹蝕鋼管材料力學性能指標與失重率η w之間的定量關(guān)系，見式（2）。

2.3 銹蝕鋼管的軸心受壓試驗結(jié)果

2.3.1 試驗現(xiàn)象 試驗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)無明顯變化；隨著進一步加載，鋼管開始表現(xiàn)出彎曲形態(tài)，此時對應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；

當軸向荷載增加至峰值荷載的75%～90%時，鋼管側(cè)向位移變形加劇，呈明顯彎曲變形狀態(tài)；在達到峰值后，軸向荷載迅速下降，鋼管整體失穩(wěn)，喪失承載能力。試驗現(xiàn)象及破壞后試樣形態(tài)如圖6所示。

2.3.2 荷載—應變曲線 圖7為不同銹蝕程度鋼管試件跨中截面荷載—應變關(guān)系曲線，其中，拉伸應變?yōu)檎?，壓縮應變?yōu)樨?。不同銹蝕鋼管的跨中截面荷載—應變曲線規(guī)律基本一致，即：在加載初期，鋼管應變隨荷載的增加而線性增長，跨中截面各點處于彈性變形階段，截面應變以壓縮應變?yōu)橹?，各個方向應變值接近；隨著荷載的增加，試件開始產(chǎn)生彎曲變形，構(gòu)件出現(xiàn)了拉伸應變和壓縮應變，且兩個應變均隨荷載的增加而逐漸增長，壓縮應變增長速率更大；隨著試件彎曲變形的加劇，跨中截面壓縮應變、拉伸應變均加劇增長；試件達到峰值荷載后，跨中截面應變繼續(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—應變曲線斜率相差不大，彈性極限隨銹蝕率增大而減?。辉诤奢d下降段，銹蝕鋼管跨中截面應變變化速率明顯小于未銹蝕鋼管。

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，位移計端頭滑出導致部分側(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；隨著荷載的增大，試件進入彈塑性階段，荷載增長不大，而豎向位移卻迅速增長，對于體系中長細比較大的腳手架鋼管，這一階段非常短暫；荷載達到峰值后，試件進入破壞階段，豎向位移迅速增長而荷載急劇下降，此時鋼管迅速失去承載能力，試件發(fā)生整體失穩(wěn)破壞。對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，且峰值荷載對應的豎向位移越小。

2.3.4 極限承載力劣化規(guī)律 試件極限承載力P u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，極限承載力降幅達到了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小；二是銹蝕導致鋼材力學性能下降；三是由于腐蝕微環(huán)境存在差異，橫截面各點銹蝕會有一定的差別，導致鋼管均勻性下降，鋼管試件更易產(chǎn)生失穩(wěn)破壞。

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

N≤φAf（3）

式中：N為立桿軸向力設(shè)計值，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，mm 2；f為鋼材強度設(shè)計值，N/mm 2。

鋼管立桿銹蝕主要包括均勻銹蝕與局部銹蝕。均勻銹蝕會導致鋼管壁厚減小，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和鋼材強度f均會出現(xiàn)不同程度的劣化，造成鋼管立桿極限承載能力的降低。實際工程中，由于銹蝕的不均勻性，截面損傷較難準確測量，加上銹蝕鋼材力學性能試驗存在一定難度，計算實際工程銹蝕腳手架體系承載力時，建議不對式（3）中的3個參數(shù)進行調(diào)整，直接截取一段鋼管稱重計算鋼管失重率，并通過銹蝕影響系數(shù)K對銹蝕鋼管軸壓承載力進行計算，計算公式為

N≤KφAf（4）

式中：K為銹蝕影響系數(shù)，可從圖9中擬合得到，K=1-0.01368η w（擬合相關(guān)系數(shù)R 2=0.954）；φ、A、f按照未銹蝕鋼管情況進行取值。

3 結(jié)論

對銹蝕鋼管立桿開展表面形貌測試、材料性能試驗、軸心受壓試驗，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）銹蝕導致鋼材強度與塑性變形能力下降，相比于強度降低，銹蝕對鋼材塑性變形能力的影響更嚴重。

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η w的增加，極限荷載P u線性下降，同時，峰值荷載點對應的軸向位移值逐漸降低。鋼管失重率η w由0%增加到14.61%時，極限承載力降幅為19.81%。

4）通過試驗結(jié)果分析，提出銹蝕鋼管立桿穩(wěn)定性的計算公式。在工程中，通過測定鋼管失重率便可利用該公式對銹蝕鋼管立桿穩(wěn)定性進行驗算。

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（編輯 王秀玲）