凍融-腐蝕復雜環境下圓鋼管混凝土軸壓性能試驗研究

高 山，張開元，李捷奇，許有純，王永剛

(1.西京學院 陜西省混凝土結構安全與耐久性重點實驗室，陜西 西安 710123； 2.重慶大學 土木工程博士后流動站，重慶 400045)

在鋼管中內填混凝土而形成的鋼管混凝土(CFST)具有承載力高、延性好和施工方便等優點[1-2]。在海岸建筑(offshore structure)中鋼管混凝土也得到了廣泛應用，如橋梁、塔架及其他民用建筑，此時鋼管可以保護混凝土免于直接承受如凍融循環等復雜環境的影響，而混凝土的存在可以一定程度上緩解海洋酸性環境(海水及海洋大氣)引起的鋼材腐蝕而導致的結構性能劣化[3-4]。

在酸性腐蝕方面，Han等[5-7]進行了一系列關于圓形及方形截面鋼管混凝土在腐蝕和荷載同時作用下的受力性能研究，推導了相應的承載力計算公式；王慶利等[8]針對持載-腐蝕耦合作用下圓鋼管混凝土柱力學性能進行了研究，結果表明持載等級和浸入程度的對其力學性能的影響十分明顯；陳夢成等[9]進行了酸雨腐蝕下圓鋼管混凝土短柱的軸壓性能，并給出了相應的承載力預測公式。

在凍融循環方面，Yang等[10-11]進行了鋼管混凝土短柱在凍融循環作用后的軸壓力學試驗，并建立了可靠的有限元分析模型；沈小盛等[12]在試驗結果的基礎上提出了圓鋼管混凝土經凍融循環后的軸壓承載力計算公式。

目前針對酸性溶液腐蝕和凍融循環下鋼管混凝土性能研究均分別取得了一定的成果，但針對高海拔沿海地區復雜環境作用下，即鹽霧-凍融共同作用下的鋼管混凝土性能研究尚處于空白階段。本試驗采用鹽霧腐蝕的方式來模擬海洋大氣環境，對不同腐蝕程度和凍融循環次數下的圓鋼管混凝土短柱進行單軸受壓試驗，研究高海拔沿海地區復雜環境作用下圓鋼管混凝土短柱的軸壓損傷破壞模式、承載力和剛度的變化。

1 試驗概況

1.1 試件設計與制作

本次試驗共設計了3組20個鋼管混凝土試件，分別考慮了凍融循環次數NC(90次、180次和270次)和失重率DW(5%、10%和20%)兩個參數。用來衡量材性試件的腐蝕程度的失重率Dw定義為：

Dw=(W0-W1)/W0

.

(1)

式中：W0，W1分別代表腐蝕前后試件的質量。

鋼管外直徑和長度為90 mm和270 mm，長細比L/D=3.0，鋼管壁厚1.9 mm，截面含鋼率約為10%，套箍系數約為1。具體試件設計參數見表1。其中，試件編號最后“1/2”代表一組同樣參數下的兩個試件，時間表示凍融循環或鹽霧腐蝕所進行的天數。

表1 試件設計參數Table 1 Design parameters of specimens

1.2 試驗設計

本文的試驗分為單純軸壓、凍融-軸壓、鹽霧-軸壓和凍融-鹽霧-軸壓等4種試驗，凍融-軸壓和鹽霧-軸壓試驗均是先分別進行凍融循環和鹽霧腐蝕后對試件進行軸壓試驗直至破壞，凍融-鹽霧-軸壓試驗則是按照凍融循環-鹽霧腐蝕-軸壓加載的先后順序進行。

1.2.1 凍融循環試驗

本次凍融循環試驗采用的是快速凍融試驗機。參考GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法》中的相關方法，對試件進行凍融循環，試件芯溫變化如圖1所示。由于核心混凝土處于封閉狀態，因此凍融循環中均未考慮混凝土動彈性模量和質量損失。每3天對將試件取出進行擦拭，保證外鋼管不發生銹蝕，在各個凍融循環試驗下均未發現外鋼管有任何明顯變形和開裂。

1.2.2 鹽霧腐蝕試驗

本次鹽霧腐蝕試驗采用鹽霧腐蝕試驗箱來模擬酸性大氣環境。參考GB/T 10125-2012《人造氣氛腐蝕試驗 鹽霧試驗》中的相關方法，對鹽霧試驗溶液進行配置，具體方法為：在25℃±2℃的蒸餾水中溶解濃度為5%的NaCl，再加入適量的冰乙酸來將溶液的pH值保持在3.1～3.3范圍內，以加快腐蝕速率。具體試驗條件為：氯化鈉溶液-5%(質量百分比)；溶液pH值3.1～3.3；試驗室溫度-50℃±1℃；飽和空氣筒溫度-63℃±1℃；鹽霧狀態時間-4h；干燥狀態時間-4h。

1.2.3 軸壓加載試驗

腐蝕后的加載在5 000kN液壓試驗機上進行，試驗采用分級加載制度，在達到85%Nu或曲線剛度出現明顯軟化之前，加載采用應力控制，速率為0.06MPa/s，荷載增量為5%Nu，每級加載完成后持荷觀察現象并記錄數據。荷載超過85%Nu或曲線剛度出現明顯軟化之后改為緩慢連續加載，加載采用應變控制，速率為6×10-6/s。當試件的壓縮應變超過40×10-3或者荷載下降到0.7Nu后終止加載。

在試件正中間截面處沿圓周均勻布置4組應變片，每組包括相互垂直的縱向和橫向應變片。同時在試件兩側對稱布置縱向位移傳感器，如圖2所示。

1.3 材料性能試驗

試件中核心C30等級混凝土的配合比為：水泥380 kg/m3，石子1 198 kg/m3，砂648 kg/m3，水185 kg/m3。試驗測得邊長為150 mm的C30等級混凝土軸心抗壓強度平均值為24.9 MPa，采用150×150×300mm棱柱體試塊測得混凝土的彈性模量為3.03×104MPa。按照GB/T228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》對經過腐蝕的Q345等級鋼材進行拉伸試驗。鋼材的力學性能與失重率呈線性關系，如表2所示。

表2 鋼材材性Table 2 Material properties of steel

2 試驗結果及分析

2.1 試件變形及破壞形態

本次試驗共進行了18個圓鋼管混凝土在3種環境試驗后的軸壓試驗以及2個軸壓對比試驗。試件的破壞形態如圖3所示。

圖3 試件破壞形態Fig.3 Failure modes of specimens

總體上來說，在加載初期，試件隨著荷載的增加產生的變形很小，該階段為試件的彈性階段，當荷載達到極限荷載的60～70%左右時，外鋼管表面開始殘生滑移線，當荷載接近極限荷載時，試件發生混凝土破裂的響聲，到達極限荷載后，試件的變形速率迅速增大，隨著變形的增加鋼管鼓曲明顯增大直至試驗停止。

如圖3(b)-(d)所示，由于外鋼管的保護，核心混凝土在凍融循環后的破壞模式并未發生明顯改變，均為斜向的剪切破壞面，試件整體也呈現同樣的破壞模式。鹽霧腐蝕后，隨著腐蝕程度的增加，試件的剪切破壞面傾角逐漸減小，有由剪切型破壞逐漸變為腰鼓型破壞的傾向，如圖3(e)-(g)所示。而在凍融-鹽霧循環后，外鋼管和核心混凝土均受到不同程度的影響，雖然試件的破壞模式仍以斜截面剪切破壞為主，但外鋼管出現了焊縫處撕裂，核心混凝土的剪切破壞也更為嚴重。但總體上來說，鹽霧腐蝕和凍融循環對于鋼管混凝土短柱軸壓下的破壞模式影響并不明顯。

2.2 荷載位移曲線

圖4為不同工況下圓鋼管混凝土柱在軸壓荷載作用下的縱向荷載-位移曲線。總體上來說，隨著環境工況作用程度的增加，圓鋼管混凝土短柱的軸壓峰值荷載和剛度都有不同程度的降低，峰值位移的變化則不大。凍融對曲線形狀的改變并不明顯，而鹽霧和凍融-鹽霧作用下，當失重率增加至20%時，曲線形狀出現了明顯改變，由之前的相對緩和的延性破壞，變為峰值荷載突降的脆性破壞，這是由于鋼管削弱后套箍效應減弱引起的。

圖4 縱向荷載位移曲線Fig.4 P-Δ curves

圖5為峰值荷載與工況作用天數的關系，其中為了統一坐標，將凍融循環次數和失重率用天數來代替，三者的對應關系見表1。

圖5 峰值荷載分析Fig.5 Peak load of the specimens under various conditions

總體上來說，3種環境工況下，峰值荷載與工況作用程度均呈線性降低關系。當凍融循環次數由0次增加至270次(45天)時，試件峰值荷載分別降低了7.1%、9.7%、13.9%。；當失重率從0增加至20%(45天)時，試件承載力分別降低了5.8%、10.4%、14.1%；當凍融-腐蝕共同作用下，隨著作用程度的增加，試件峰值荷載分別降低了8.5%、12.8%、18.3%。可以看到，在凍融循環和鹽霧腐蝕單獨作用的影響效果相近的前提下，凍融-鹽霧共同作用對鋼管混凝土峰值荷載的影響要小于兩者單獨作用的疊加。

2.3 延性分析

將與峰值荷載相對應的位移定義為峰值位移Δu，將荷載下降到85%時對應的位移Δ0.85與峰值位移Δu的比值定義為試件的延性系數λ，作為判斷試件延性的標準。圖6為不同環境工況作用程度與試件延性的關系曲線，可見環境工況作用程度與峰值位移并無明顯關系，峰值位移雖然會隨著工況作用程度的改變而變化，但變化程度很小，最大相差不到1mm。而除270個凍融循環外，試件的延性系數總體上隨著環境工況作用程度的增加而降低，這是由于凍融循環和鹽霧腐蝕分別會加劇混凝土的脆性和鋼管的局部屈曲。

圖6 不同工況下的試件延性Fig.6 Ductility of the specimens under various conditions

2.4 約束效應

鋼管混凝土試件名義截面強度N0定義分別為：

N0=fyAs+fcAc.

(2)

其中：fy和fc分別代表鋼材和混凝土強度；As和Ac分別代表鋼管和混凝土的面積。

將試件名義截面強度值N0與試驗測得的軸壓峰值荷載Nu進行對比，定義為約束系數，由此可得試件相對截面承載力的提高幅度，即約束效應的強弱，如表3和圖7所示。由于凍融循環帶來的核心混凝土損傷目前尚無有效方法進行測量，因此在名義截面強度值中采用的是未損傷的混凝土強度，因此凍融循環會對約束效應起到降低的作用，約束系數由1.25降低至1.09；在鹽霧腐蝕下，由于考慮了鋼材強度的改變，名義截面強度和試驗測得的數值同時發生降低，約束系數較為穩定，在腐蝕程度較大時，約束系數反而由1.25增加至1.41；凍融-鹽霧共同作用時，約束系數較單純鹽霧腐蝕下略有降低。可見雖然不同的環境因素會給造成外鋼管和核心混凝土的強度劣化，但兩者存在組合作用，可以有效的減弱由環境因素帶來的性能劣化。

圖7 約束效應分析Fig.7 Confinement effect analysis

表3 約束效應分析Table 3 Analysis of confinement effect

3 受壓承載力簡化公式

GB 50936-2014《鋼管混凝土結構技術規范》中給出了關于圓形截面鋼管混凝土短柱受壓承載力計算公式[13-15]：

Nucal=(Ac+As)(1.212+Bξ+Cξ2)fc.

(3)

其中，ξ為套箍系數，B和C為與材料有關的系數。

采用式(3)計算得到的圓鋼管混凝土短柱受壓承載力為524 kN，與試驗值吻合較好。在此基礎上，首先采用文獻[10]中提出的考慮凍融循環影響圓鋼管混凝土短柱軸壓承載力折減系數kft(見式4)對試驗結果進行擬合，得到不同凍融循環次數下試件的承載力Nucal(NC)：

kft=1-0.0005NC.

(4)

其中：NC為凍融循環次數。

由表4可以看到，采用文獻[10]所提出的折減系數和規范的承載力公式所得到的理論值與試驗值吻合較好。

由圖5可以看到，在鹽霧腐蝕和凍融-鹽霧作用下，試件承載力的降低與工況作用程度同樣呈線性關系，因此基于式(4)提出考慮鹽霧腐蝕的承載力折減系數kco以及考慮凍融循環和鹽霧腐蝕的圓鋼管混凝土短柱承載力計算公式：

kco=1-0.007DW.

(5)

Nucal(NC,DW)=kftkcoNucal.

(6)

其中：DW為鋼管失重率。

由表4可知，所提出的公式計算結果與試驗結果吻合良好。目前，鋼管包裹下的核心混凝土凍融損傷機理尚不明確，凍融-鹽霧共同作用下鋼管與混凝土組合作用的劣化機理也較為復雜，未來仍需要更多的試驗數據對公式進行驗證。

表4 計算值與試驗值對比Table 4 Comparison of tested and predicted value

4 結論

為研究鋼管混凝土在寒區海洋大氣作用下的性能劣化，進行了20個圓鋼管混凝土在不同環境影響下的軸壓短柱試驗，分別考慮了凍融循環、鹽霧腐蝕和凍融-鹽霧共同作用3種環境工況。得到并分析了不同凍融循環次數和腐蝕率下圓鋼管混凝土的力學性能，試驗結果表明：

(1)凍融循環、鹽霧腐蝕和凍融-鹽霧共同作用3種環境工況對于軸壓下圓鋼管混凝土短柱的破壞模式影響均不明顯。

(2)隨著3種環境工況作用程度的增加，圓鋼管混凝土短柱的軸壓承載力和剛度都有不同程度的降低，承載力與工況作用程度均呈線性降低關系。凍融-鹽霧共同作用對鋼管混凝土峰值荷載的影響要小于凍融循環和鹽霧腐蝕單獨作用的疊加。

(3)3種環境工況作用程度與峰值位移并無明顯關系；除270個凍融循環外，試件的延性系數總體上隨著工況作用程度的增加而降低。

(4)凍融-鹽霧共同作用時，約束系數變化不明顯，這是由于不同的環境因素會給造成外鋼管和核心混凝土的強度劣化，但兩者存在組合作用，可以有效的減弱由環境因素帶來的性能劣化。

(5)所提出的考慮凍融循環和鹽霧腐蝕影響的圓鋼管混凝土短柱承載力計算公式與試驗結果吻合良好，但鋼管包裹下的核心混凝土凍融損傷機理和凍融-鹽霧共同作用下鋼管與混凝土組合作用的劣化機理均尚未明確。