銹蝕腳手架鋼管軸壓穩定性試驗研究

胡曉鵬,仲帥,彭剛,范永風

（1. 西安建筑科技大學 a.土木工程學院； b. 結構工程與抗震教育部重點實驗室，西安 710055；3. 甘肅建筑職業技術學院 建筑工程系，蘭州 730050）

由于施工便利、循環性高等優點，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，造成大量人員傷亡和巨額財產損失[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，實現了一般大氣環境下鋼結構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件的力學性能[8-9]。為減少數值計算成本，Chun等[10]基于鋼材表面形貌特征，利用卷積神經網絡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]。考慮復雜環境下鋼管的銹蝕現象，Cinitha等[14-15]研究了銹蝕和高溫共同作用對鋼管構件的破壞模式、承載能力的影響規律，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]以銹蝕區域深度、長度、寬度等參數表征了鋼管局部銹蝕損傷，借助數值模擬研究了局部銹蝕鋼管構件的軸壓力學行為，結果表明，銹蝕嚴重部位會產生鋼管局部屈曲，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件的表面形貌及成分，認為加速銹蝕試驗能夠重現鋼材在自然環境下的銹蝕情況，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境下局部銹蝕參數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。但由于腐蝕環境的不同，鋼管構件內、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、外壁銹蝕形貌演化差異及其對鋼材力學性能的影響規律，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規范》（JGJ 130—2011）中相關規定，試驗采用鋼管規格為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，采用質量分數為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境且銹蝕均勻。加速銹蝕試驗過程如圖1所示。

圖1 加速銹蝕試驗Fig. 1 Accelerated corrosion test

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3個試件，其鋼管失重率ηw按式（1）計算。銹蝕前后鋼管試件的幾何參數及失重率見表1。

表1 加速銹蝕試驗結果Table 1 Results of accelerated corrosion test

式中：m0為試件銹蝕前的質量，kg；m為試件銹蝕后的質量，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接收到樣品表面反射出的不同波長的漫反射光，根據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。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）中相關規定，在DNS300型電子萬能試驗機上進行鋼管材性試件的單調拉伸試驗，加載過程中控制位移速率，試驗過程中系統自動對數據進行采集，試驗結束后對試件變形進行量測。

圖2 拉伸試件尺寸（單位：mm）Fig. 2 Dimensions of tensile specimens (Unit: mm)

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個側向位移計。試驗裝置及測點布置如圖3所示。

圖3 試驗裝置及測點布置Fig. 3 Test device and layout of measuring point

2 試驗結果分析

2.1 銹蝕鋼管表面形貌

圖4為不同銹蝕時間鋼管試件內、外壁表面形貌云圖。云圖左側及下側標注有掃描區域尺寸；右側為云圖標尺，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。由于腐蝕微環境存在一定的差異，鋼管外壁蝕坑發展強于內壁，且隨著銹蝕時間的增加，二者差距逐漸增大。

圖4 鋼管表面形貌圖Fig. 4 Surface morphology of steel tubes

采用失重率ηw描述鋼管銹蝕程度，以坑蝕率V、算術平均高度Sa、均方根高度Sq和最大高度Sz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見表2。由表2可知：

表2 鋼管表面形貌參數Table 2 Surface morphology parameters of steel tubes

1）隨著銹蝕時間的增長，鋼管失重率ηw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表示掃描區域銹坑體積與包圍銹坑的最小長方體的比值。鋼管內、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，外壁坑蝕率高于內壁，外壁坑蝕率增長速率較為穩定，而在10 ～ 40 d期間內壁坑蝕率增長緩慢；這是由于隨著銹蝕程度的加深，銹蝕產物在表面形成致密保護層，隨著銹蝕時間的進一步增長，致密銹蝕產物逐漸分解剝落，銹蝕作用在坑蝕區域進一步發展，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物更易剝落，銹蝕層對鋼材表面的保護作用并未明顯體現。

3）表面最大高差Sz僅體現表面最高點與最低點之間的高度差，由于其采樣特性，導致數據離散性相對較大。

4）表面算數平均高度Sa和均方根高度Sq可在一定程度上反映采樣區域試件的粗糙程度，數值越小則平面越光滑。隨著失重率的增加，Sa、Sq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、外壁Sa、Sq值差距不大；隨著銹蝕率的增加，外壁Sa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拉伸試驗，得到的鋼管試件的力學性能參數見表3，試件力學性能隨失重率增加的衰減規律見圖5。對于不同失重率的試樣，在拉伸過程中均出現了頸縮現象，隨著銹蝕率的增加，鋼材的極限強度fu、屈服強度fy、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，蝕坑周圍會產生應力集中現象，在坑蝕處過早地產生裂縫，隨著裂縫的進一步發展，最終導致鋼管材料強度和延性隨失重率增加而逐漸下降。

表3 試件的力學性能指標Table 3 Mechanical properties of specimens

圖5 鋼材力學性能參數與失重率的關系Fig. 5 Relationship between mechanical property parameters and weight loss rate of steel

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

2.3 銹蝕鋼管的軸心受壓試驗結果

2.3.1 試驗現象 試驗中不同銹蝕齡期鋼管的軸心受壓破壞形態主要表現為整體彎曲失穩，曲率最大處均位于鋼管中段。在加載初期，鋼管試件側向位移很小，鋼管形態無明顯變化；隨著進一步加載，鋼管開始表現出彎曲形態，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展；當軸向荷載增加至峰值荷載的75%～90%時，鋼管側向位移變形加劇，呈明顯彎曲變形狀態；在達到峰值后，軸向荷載迅速下降，鋼管整體失穩，喪失承載能力。試驗現象及破壞后試樣形態如圖6所示。

圖6 試驗現象及破壞后試樣形態Fig. 6 Experimental phenomenon and failure mode of specimens

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—應變關系曲線，其中，拉伸應變為正，壓縮應變為負。不同銹蝕鋼管的跨中截面荷載—應變曲線規律基本一致，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為主，各個方向應變值接近；隨著荷載的增加，試件開始產生彎曲變形，構件出現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，跨中截面應變繼續增大，試件發生整體失穩破壞。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小；在荷載下降段，銹蝕鋼管跨中截面應變變化速率明顯小于未銹蝕鋼管。

圖7 跨中截面荷載—應變曲線Fig. 7 Load-strain curves of mid-span sections

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—側向位移曲線與荷載—豎向位移曲線。其中，側向位移為中部各方向側向位移通過三角函數關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向位移采集不完整，分析其前期規律可知，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，試件發生整體失穩破壞。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。

圖8 荷載—位移曲線Fig. 8 Load-displacement curve

2.3.4 極限承載力劣化規律 試件極限承載力Pu與失重率關系如圖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，鋼管試件更易產生失穩破壞。

圖9 荷載隨失重率的變化曲線Fig. 9 Change curve of load with weight loss rate

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規范》（JGJ 130—2011）（以下簡稱規范）中，鋼管立桿穩定性按照式（3）進行驗算。

式中：N為立桿軸向力設計值，N；φ為軸心受壓構件的穩定性系數；A為鋼管截面面積，mm2；f為鋼材強度設計值，N/mm2。

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。以失重率描述鋼管銹蝕程度，發現局部銹蝕程度逐漸加深，進而造成鋼材性能退化。因此，銹蝕后鋼管立桿穩定性系數φ、鋼管截面面積A和鋼材強度f均會出現不同程度的劣化，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個參數進行調整，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，可從圖9中擬合得到，K=1-0.013 68ηw（擬合相關系數R2=0.954）；φ、A、f按照未銹蝕鋼管情況進行取值。

3 結論

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、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定性的計算公式，得到以下主要結論：

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展；鋼管外壁蝕坑體積、粗糙程度均大于鋼管內壁。

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。隨著失重率ηw的增加，極限荷載Pu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ηw由0%增加到14.61%時，極限承載力降幅為19.81%。

4）通過試驗結果分析，提出銹蝕鋼管立桿穩定性的計算公式。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定性進行驗算。