銹蝕腳手架鋼管軸壓穩(wěn)定性試驗(yàn)研究

　　摘 要：為研究銹蝕對(duì)扣件式腳手架體系中鋼管立桿穩(wěn)定性的影響，通過對(duì)不同銹蝕齡期的鋼管進(jìn)行表面形貌測試，分析了銹蝕對(duì)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(yàn)，探討了銹蝕條件下鋼材力學(xué)性能退化規(guī)律;基于銹蝕鋼管的軸心受壓試驗(yàn)結(jié)果提出了銹蝕鋼管立桿穩(wěn)定性的計(jì)算模型。研究結(jié)果表明：隨著鋼管失重率的增加，鋼管表面坑蝕分布由獨(dú)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的高于鋼管內(nèi)壁;銹蝕鋼材表面隨機(jī)分布、大小不一的蝕坑會(huì)導(dǎo)致鋼材強(qiáng)度與塑性變形能力下降，鋼材塑性變形能力劣化更明顯;不同銹蝕程度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(duì)應(yīng)軸向位移值逐漸降低。

　　本文源自土木與環(huán)境工程學(xué)報(bào)(中英文) 2021-02-01《土木與環(huán)境工程學(xué)報(bào)(中英文)》創(chuàng)刊于1957年，是由中華人民共和國教育部主管、重慶大學(xué)主辦的專業(yè)性學(xué)術(shù)刊物。據(jù)2020年4月《土木與環(huán)境工程學(xué)報(bào)(中英文)》官網(wǎng)顯示，該刊第十一屆編委會(huì)有委員66名。

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

　　由于施工便利、循環(huán)性高等優(yōu)點(diǎn)，扣件式鋼管腳手架在實(shí)際工程中得到了普遍應(yīng)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(cái)產(chǎn)損失[2-4]。長期反復(fù)使用過程中的鋼管銹蝕會(huì)導(dǎo)致鋼管承載能力的降低，是誘發(fā)腳手架體系倒塌的重要原因之一。

　　在銹蝕對(duì)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(rèn)為三維分析可以更加直觀反映銹蝕鋼管表面形貌特征。Gathimba 等[6]對(duì)海水銹蝕條件下鋼管樁三維表面形貌進(jìn)行測試，分析了不同海水銹蝕條件對(duì)表面形貌參數(shù)的影響。王友德等[7]建立了銹蝕深度隨機(jī)場模型和蝕坑隨機(jī)分布模型，實(shí)現(xiàn)了一般大氣環(huán)境鋼結(jié)構(gòu)表面特征的準(zhǔn)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(zhǔn)確分析不同銹蝕程度鋼構(gòu)件力學(xué)性能[8-9]。為減小數(shù)值計(jì)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(duì)鋼材有效厚度進(jìn)行預(yù)測，采用有限單元法對(duì)鋼材強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。

　　對(duì)于鋼管的軸壓承載性能，學(xué)者們開展了大量研究工作[11-13]。考慮復(fù)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(duì)鋼管構(gòu)件破壞模式、承載能力的影響規(guī)律，認(rèn)為銹蝕會(huì)導(dǎo)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(xué)行為，結(jié)果表明，銹蝕嚴(yán)重部位會(huì)產(chǎn)生鋼管局部屈曲，從而影響鋼管的承載能力。宋鋼[17]對(duì)比了室外酸性鹽霧周期噴淋和自然銹蝕鋼管構(gòu)件表面形貌以及成分，認(rèn)為加速銹蝕試驗(yàn)?zāi)軌蛑噩F(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(yàn)研究了鋼管失重率對(duì)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(duì)鋼管軸壓承載力的影響。吳兆旗等[19]采用正交試驗(yàn)法研究了近海大氣環(huán)境下局部銹蝕參數(shù)對(duì)圓鋼管軸壓柱力學(xué)性能的影響，并提出了局部銹蝕圓鋼管軸壓承載力的計(jì)算公式。

　　目前來看，銹蝕鋼管軸壓力學(xué)性能方面已取得了一定的成果。但由于腐蝕環(huán)境的不同，鋼管構(gòu)件內(nèi)、外壁銹蝕演化存在明顯的差異，目前的研究未涉及這一因素;現(xiàn)有成果研究對(duì)象大多為長細(xì)比較小的鋼管，其研究成果是否適用于長細(xì)比較大的腳手架鋼管體系尚需進(jìn)行深入的研究。筆者通過腳手架鋼管加速銹蝕后的鋼材力學(xué)性能與表面形貌測試、軸心受壓試驗(yàn)，分析腳手架鋼管內(nèi)、外壁銹蝕形貌演化差異及其對(duì)鋼材力學(xué)性能的影響規(guī)律，建立銹蝕鋼管軸壓承載性能的計(jì)算模型。

　　1 試驗(yàn)概況

　　1.1 鋼管加速銹蝕試驗(yàn)

　　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(yàn)采用鋼管規(guī)格為 Φ48mm×3.5 mm，長度 1.2 m，鋼材牌號(hào)為 Q235B。試驗(yàn)按照《金屬和合金的腐蝕 戶外周期噴淋暴露試驗(yàn)方法》(GB/T 24517—2009)中要求，采用質(zhì)量分?jǐn)?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(duì)試件進(jìn)行間斷噴淋，每隔 2 d 翻動(dòng)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(yàn)過程如圖 1所示。

　　將鋼管按照預(yù)定銹蝕時(shí)間分批取出，然后采用酸洗法除銹。按照加速銹蝕時(shí)間的長短，將試件分為 T1~T6 等 6 批，對(duì)應(yīng)銹蝕時(shí)間分別為 0、14、26、 38、48、60 d，每種銹蝕批次設(shè)試件 3 個(gè)，其鋼管失重率 ηw 按式(1)計(jì)算。銹蝕前后鋼管試件的幾何參數(shù)及失重率見表 1。

　　(1)式中：m0 為試件銹蝕前質(zhì)量，kg;m 為試件銹蝕后質(zhì)量，kg。

　　1.2 鋼管表面銹蝕形貌測試及材性試驗(yàn)

　　對(duì)銹蝕鋼管進(jìn)行切割加工，制作用于表面銹蝕形貌量測及材料力學(xué)性能的試件，試件尺寸見圖 2，用于表面形貌測量的區(qū)域?yàn)?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(xué)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不同波長的漫反射光，根據(jù)準(zhǔn)共聚焦原理得到測點(diǎn)距離透鏡的垂直距離，再通過點(diǎn)掃描的方式以 S 路徑獲得鋼管三維表面形貌特征。通過 Professional 3D 軟件對(duì)掃描所得三維形貌進(jìn)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(yàn) 第一部分：室溫試驗(yàn)方法》(GB/T 228.1—2010)中相關(guān)規(guī)定，在 DNS300 型電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行鋼管材性試件的單調(diào)拉伸試驗(yàn)，加載過程中控制位移速率，試驗(yàn)過程中系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)試件變形進(jìn)行量測。

　　1.3 鋼管立桿軸心受壓試驗(yàn)

　　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(dāng)試件加載至荷載下降至峰值荷載的 80%時(shí)終止試驗(yàn)。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(yīng)變片，在試件加載端布置 2 個(gè)側(cè)向位移計(jì)及 1 個(gè)豎向位移計(jì)，在試件中部沿周長均勻布置 4 個(gè)側(cè)向位移計(jì)。試驗(yàn)裝置及測點(diǎn)布置如圖 3 所示。

　　2 試驗(yàn)結(jié)果分析

　　2.1 銹蝕鋼管表面形貌圖 4 為不同銹蝕時(shí)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(biāo)注有掃描區(qū)域尺寸;右側(cè)為云圖標(biāo)尺，反映表面高度，單位為 μm。由圖 4 可知：當(dāng)銹蝕時(shí)間較短時(shí)，鋼管表面整體較為平整，散布有相互獨(dú)立的小體積蝕坑;隨著銹蝕時(shí)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(dòng)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(qiáng)于鋼管內(nèi)壁，且隨著銹蝕時(shí)間的增加二者差距逐漸增加。

　　采用失重率 ηw描述鋼管銹蝕程度，以坑蝕率 V、算術(shù)平均高度 Sa、均方根高度 Sq 和最大高度 Sz 等評(píng)價(jià)指標(biāo)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(shí)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(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(qiáng)。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，而鋼管內(nèi)壁在 10 d ~ 40 d 期間坑蝕率增長緩慢;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(hù)層，隨著銹蝕時(shí)間的進(jìn)一步增加，致密銹蝕產(chǎn)物逐漸分解剝落，銹蝕作用在坑蝕區(qū)域進(jìn)一步發(fā)展，造成了坑蝕率迅速增加;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，并未明顯體現(xiàn)出銹蝕層對(duì)鋼材表面的保護(hù)作用。

　　3)表面最大高差 Sz 僅體現(xiàn)表面最高點(diǎn)與最低點(diǎn)間高度差，由于其采樣特性導(dǎo)致數(shù)據(jù)離散性相對(duì)較大。

　　4)表面算數(shù)平均高度 Sa 和均方根高度 Sq，可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，Sa、Sq 值整體呈現(xiàn)上漲趨勢(shì)，表明試樣表面起伏波動(dòng)更大。當(dāng)失重率較小時(shí)，內(nèi)、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 銹蝕鋼管材料力學(xué)性能

　　通過不同銹蝕時(shí)間鋼管試件的單調(diào)拉伸試驗(yàn)，得到鋼管試件的力學(xué)性能參數(shù)見表 3，試件力學(xué)性能隨失重率增加的衰減規(guī)律見圖 5。對(duì)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(qiáng)度 fu、屈服強(qiáng)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(qiáng)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?yàn)榫植夸P蝕會(huì)在鋼材表面形成大小不一且隨機(jī)分布的銹坑，并且蝕坑體積隨著銹蝕程度的增加而增加。在軸向拉伸時(shí)銹坑周圍會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，在坑蝕處過早的產(chǎn)生裂縫，隨著裂縫進(jìn)一步的發(fā)展，最終導(dǎo)致了鋼管材料強(qiáng)度和延性隨失重率增加而逐漸下降。

　　通過圖中回歸關(guān)系，可建立銹蝕鋼管材料力學(xué)性能指標(biāo)與失重率 ηw 之間定量關(guān)系，見式(2)。

　　2.3 銹蝕鋼管軸心受壓試驗(yàn)結(jié)果

　　2.3.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

　　試驗(yàn)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)，曲率最大點(diǎn)均處于鋼管中段。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(jìn)一步加載，鋼管開始表現(xiàn)出彎曲形態(tài)，此時(shí)對(duì)應(yīng)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(dāng)軸向荷載增加至峰值荷載的 75%~90%時(shí)，鋼管側(cè)向位移變形加劇，鋼管呈現(xiàn)明顯彎曲變形狀態(tài);軸向荷載在達(dá)到峰值后迅速下降，鋼管整體失穩(wěn)喪失承載能力。試驗(yàn)現(xiàn)象及破壞后試樣形態(tài)如圖 6 所示。

　　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(jì)端頭滑出導(dǎo)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彈性階段、彈塑性階段、破壞階段 3 個(gè)階段;在彈性階段，隨荷載的增大，豎向位移呈線性增長;隨著荷載的增大，試件進(jìn)入彈塑性階段，荷載增長不大而豎向位移迅速增長，對(duì)于體系中長細(xì)比較大的腳手架鋼管，這一階段非常短暫;荷載達(dá)到峰值后，試件進(jìn)入破壞階段，豎向位移迅速增長而荷載急劇下降，此時(shí)鋼管迅速失去承載能力，試件發(fā)生整體失穩(wěn)破壞。對(duì)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(duì)應(yīng)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 Pu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(shí)，極限承載力降幅達(dá)到了 19.81%。鋼管極限承載力的降低原因有：一是由于鋼材銹蝕后鋼管截面面積減小;二是銹蝕導(dǎo)致鋼材力學(xué)性能下降;三是由于腐蝕微環(huán)境存在差異，橫截面各點(diǎn)銹蝕會(huì)有一定的差別，導(dǎo)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(jì)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(jìn)行驗(yàn)算。

　　(3)式中：N 為立桿軸向力設(shè)計(jì)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，mm2;f 為鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)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(huì)導(dǎo)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)局部銹蝕程度逐漸增強(qiáng)，進(jìn)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(qiáng)度 f 均會(huì)呈現(xiàn)不同程度劣化，造成鋼管立桿極限承載能力的降低。實(shí)際工程中，由于銹蝕的不均勻性，截面損傷較難準(zhǔn)確測量，加上銹蝕鋼材力學(xué)性能試驗(yàn)存在一定難度，建議實(shí)際工程銹蝕腳手架體系承載力計(jì)算時(shí)，不對(duì)式(3)中的 3 個(gè)參數(shù)調(diào)整，而直接截取一段鋼管稱重計(jì)算鋼管失重率，并通過銹蝕影響系數(shù) K 進(jìn)行銹蝕鋼管軸壓承載力的計(jì)算，計(jì)算公式見式(4)。

　　(4)式中，K 為銹蝕影響系數(shù)，可從圖 9 擬合得到， K=1 0.01368 ? ? w (擬合相關(guān)系數(shù) R2=0.954);φ、A、 f 按照未銹蝕鋼管情況進(jìn)行取值。

　　3 結(jié)論

　　對(duì)銹蝕鋼管立桿開展了表面形貌測試、材料性能試驗(yàn)、軸心受壓試驗(yàn)，研究了鋼管內(nèi)外壁形貌特征、鋼材性能退化以及銹蝕鋼管承載力特性，提出了銹蝕鋼管立桿穩(wěn)定性的計(jì)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(dú)立蝕坑向潰瘍狀蝕坑群發(fā)展;鋼管外壁蝕坑體積、粗糙程度均強(qiáng)于鋼管內(nèi)壁。

　　2)銹蝕導(dǎo)致鋼材強(qiáng)度與塑性變形能力下降。相比于強(qiáng)度降低，銹蝕對(duì)鋼材塑性變形能力的影響更嚴(yán)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 ηw 的增加，極限荷載 Pu 線性下降，同時(shí)峰值荷載點(diǎn)對(duì)應(yīng)軸向位移值逐漸降低。鋼管失重率 ηw由 0%增加到 14.61%時(shí)，極限承載力降幅為 19.81%。

　　4)通過試驗(yàn)結(jié)果分析，提出了銹蝕鋼管立桿穩(wěn)定性的計(jì)算公式。在工程中，通過測定鋼管失重率便可利用公式對(duì)銹蝕鋼管立桿穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算。