徐善華 牟 林 張宗星 李 柔

(西安建筑科技大學(xué)西部綠色建筑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710055)(西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，西安 710055)

輕鋼結(jié)構(gòu)以其重量輕、截面性能好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)和民用建筑[1-3].冷彎薄壁型鋼是普通鋼材經(jīng)冷彎成型制造的型鋼，一般用作冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)的受彎構(gòu)件[4-7].與相同截面的熱軋鋼相比，冷彎型鋼的回轉(zhuǎn)半徑可提高50%以上，慣性矩可提高50%～180%.然而，許多處于腐蝕環(huán)境的冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)難以通過傳統(tǒng)的防護(hù)和構(gòu)造措施避免腐蝕，腐蝕對(duì)冷彎薄壁結(jié)構(gòu)造成的危害較常規(guī)鋼結(jié)構(gòu)更加嚴(yán)重[8-11].例如，其較薄的厚度容易被腐蝕，導(dǎo)致有效截面減小，降低構(gòu)件的承載力.同時(shí)，腐蝕表面存在不規(guī)則的蝕坑，易引起應(yīng)力集中，降低鋼材的塑性變形能力.

目前，鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕研究主要針對(duì)普通鋼結(jié)構(gòu)及鋼筋[12-16]，針對(duì)薄壁鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕研究則較少.張世驥等[17]通過對(duì)2 mm厚的冷彎薄壁鋼板進(jìn)行銅加速醋酸鹽霧試驗(yàn), 發(fā)現(xiàn)腐蝕對(duì)鋼板的強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率均有所影響.徐善華等[18]通過對(duì)工業(yè)環(huán)境服役9 a的冷彎薄壁C形檁條進(jìn)行拉伸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與未銹蝕試件相比，銹蝕率為36%的試件強(qiáng)度下降約36.66%，伸長(zhǎng)率下降約70%，說明銹蝕嚴(yán)重影響冷彎薄壁型鋼鋼材的力學(xué)性能.

本文通過對(duì)8根銹損冷彎薄壁C形鋼梁進(jìn)行受彎承載力試驗(yàn)，研究了銹蝕對(duì)冷彎薄壁型鋼梁破壞模式和受彎承載力的影響.參考《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》[4]和《冷彎型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》(征求意見稿)[5]，對(duì)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行修正，使其適用于銹損冷彎薄壁C形鋼梁承載力計(jì)算.

1 試驗(yàn)

1.1 試件設(shè)計(jì)

試件來源于工業(yè)環(huán)境服役9 a的C形鋼檁條.工業(yè)廠房中存在大量廢蒸汽和粉塵，加速了鋼構(gòu)件涂層的老化，降低了涂層壽命及保護(hù)效果，導(dǎo)致鋼構(gòu)件在服役過程中出現(xiàn)不同程度的腐蝕.

原始試件C形截面尺寸為220 mm×70 mm×20 mm×3 mm.依據(jù)銹蝕程度相近的原則，將試件分為4組，每組2個(gè)，共計(jì)8個(gè)試件，并將銹蝕最輕的一組作為對(duì)照組，這是因?yàn)樵嚰碓从趯?shí)際工程，沒有同批未銹試件.試件編號(hào)見表1.

表1 試件編號(hào)

1.2 材料屬性

將不同銹蝕程度試件的腹板、彎角部位沿長(zhǎng)度方向切割成標(biāo)準(zhǔn)材性試件.標(biāo)準(zhǔn)試件尺寸根據(jù)《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》(GB/T 228.1—2010)[19]設(shè)計(jì)，并按照規(guī)范[20]將試件除銹.材性試驗(yàn)方法按照國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)[19]的要求進(jìn)行.材性試驗(yàn)結(jié)果見表2.

表2 材料力學(xué)性能指標(biāo)

由表2可知，彎角部位強(qiáng)度均高于腹板部位，但腹板部位的延性優(yōu)于彎角部位.隨著腐蝕程度的增加，彎角和腹板的強(qiáng)度與延性整體上呈遞減趨勢(shì).與銹蝕最輕試件U1-1相比，銹蝕最重試件U4-2的腹板部位和彎角部位極限強(qiáng)度分別降低了27%和31%.試件U4-2彎角部位的延伸率僅為5.16%，這是因?yàn)楦g加劇了彎角部位的冷彎效應(yīng)，使材料更加脆化，說明銹蝕對(duì)冷彎材料延性的影響需引起重視.此外，由于銹蝕的不均勻性，同一個(gè)試件腹板和彎角的銹蝕程度不同.

1.3 試驗(yàn)裝置及測(cè)點(diǎn)布置

每組2個(gè)試件采用背對(duì)背拼接，試件計(jì)算長(zhǎng)度為1 700 mm，中間純彎段長(zhǎng)800 mm.令a為彎心至腹板外邊緣的距離，則拼接間距為2a.利用壓型鋼板將2根C形鋼梁的非純彎段部位用自攻螺釘拼接，螺釘間距按照我國(guó)規(guī)范[4]設(shè)定，并在加載點(diǎn)以及支座處設(shè)置加勁肋，防止其發(fā)生局部破壞.

試驗(yàn)采用油壓千斤頂手動(dòng)加載，千斤頂分別與橫梁、傳感器緊密相連.傳感器的讀數(shù)顯示了每級(jí)荷載的加載量與試驗(yàn)的承載力.在支座位置設(shè)置抗側(cè)移夾具，以防止試件發(fā)生側(cè)向失穩(wěn).加載裝置示意圖見圖1.為獲得試件受壓屈曲臨界荷載，在跨中截面A-A上布置32個(gè)應(yīng)變片，編號(hào)為S1～S16和S21～S36，在距跨中1/2翼緣寬度的截面B-B和C-C上分別布置4個(gè)應(yīng)變片，編號(hào)分別為S17、S18、S37、S38和S19、S20、S39、S40.應(yīng)變片布置見圖1.

(c) B-B截面

(d) C-C截面

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

圖2給出了加載過程中4組試件的破壞模式.由圖可知，試件的破壞位置均發(fā)生在純彎段內(nèi)，加載點(diǎn)及支座均完好，且隨著銹蝕程度的增大，破壞模式表現(xiàn)多樣.

由圖2(a)和(b)可知，試件U1-1首先在跨中附近發(fā)生受壓翼緣與腹板交線的畸變屈曲(受壓翼緣攜帶卷邊外張，卷邊外凸)；繼續(xù)加載，加載點(diǎn)附近的受壓翼緣和腹板發(fā)生局部屈曲(受壓翼緣向內(nèi)凹陷，腹板外鼓)；最終表現(xiàn)為跨中附近受壓翼緣攜帶卷邊發(fā)生畸變屈曲以及加載點(diǎn)附近卷邊、腹板局部屈曲的相關(guān)屈曲破壞模式.試件U1-2首先在加載點(diǎn)附近發(fā)生受壓翼緣和卷邊的局部屈曲(受壓翼緣和卷邊向內(nèi)凹陷)；繼續(xù)加載，受壓腹板局部屈曲(腹板外鼓)，受壓翼緣與腹板交線處出現(xiàn)畸變屈曲(受壓翼緣攜帶卷邊內(nèi)收)；最終表現(xiàn)為靠近加載點(diǎn)處受壓翼緣、卷邊和腹板局部屈曲以及跨中受壓翼緣攜帶卷邊發(fā)生畸變屈曲的相關(guān)屈曲破壞模式.

(a) 試件U1-1

(b) 試件U1-2

(c) 試件U2-1

(d) 試件U2-2

(e) 試件U3-1

(f) 試件U3-2

(g) 試件U4-1

(h) 試件U4-2

由圖2(c)和(d)可知，試件U2-1首先在加載點(diǎn)附近出現(xiàn)受壓翼緣局部屈曲(受壓翼緣輕微向內(nèi)凹陷)；最終表現(xiàn)為加載點(diǎn)附近受壓翼緣、腹板局部屈曲(受壓翼緣凹陷，腹板外鼓)及翼緣輕微畸變的相關(guān)屈曲破壞模式.試件U2-2首先在加載點(diǎn)附近出現(xiàn)腹板的局部屈曲(腹板外鼓)；最終表現(xiàn)為加載點(diǎn)附近腹板局部屈曲及受壓翼緣攜帶卷邊發(fā)生畸變屈曲的相關(guān)屈曲破壞模式.

由圖2(e)和(f)可知，試件U3-1先在跨中附近發(fā)生受壓翼緣與腹板交線的畸變屈曲和卷邊的輕微局部屈曲(受壓翼緣外張明顯，伴隨卷邊凹陷)；繼續(xù)加載，加載點(diǎn)附近卷邊開裂，腹板出現(xiàn)局部屈曲(腹板外鼓)；最終表現(xiàn)為跨中附近受壓翼緣與腹板交線畸變屈曲以及加載點(diǎn)附近腹板局部屈曲的相關(guān)屈曲破壞模式.試件U3-2首先在跨中附近發(fā)生受壓翼緣與腹板交線的畸變屈曲(受壓翼緣攜帶卷邊外張)；繼續(xù)加載，跨中附近卷邊開裂，在加載點(diǎn)附近發(fā)生受壓翼緣和腹板局部屈曲(受壓翼緣外凸，腹板向內(nèi)凹陷)；最終表現(xiàn)為跨中附近受壓翼緣與腹板交線畸變屈曲以及加載點(diǎn)附近受壓翼緣、腹板局部屈曲的相關(guān)屈曲破壞模式.

由圖2(g)和(h)可知，試件U4-1在加載初期，發(fā)出輕微響聲；隨著荷載的增大，跨中附近受壓翼緣攜帶卷邊發(fā)生畸變屈曲(受壓翼緣攜帶卷邊內(nèi)收)；繼續(xù)加載，跨中附近受壓翼緣、腹板局部屈曲(受壓翼緣內(nèi)凹，腹板外鼓)，卷邊開裂；最終表現(xiàn)為跨中附近受壓翼緣與腹板交線畸變屈曲以及跨中截面受壓翼緣、腹板局部屈曲的相關(guān)屈曲破壞模式.試件U4-2在加載初期會(huì)發(fā)出輕微響聲，隨著荷載的增大，受拉卷邊外鼓；繼續(xù)加載，受拉翼緣開裂，隨后跨中受壓翼緣、腹板發(fā)生局部屈曲；最終表現(xiàn)為受拉翼緣脆性斷裂的破壞模式.

綜上所述，銹蝕導(dǎo)致試件的破壞模式呈多樣化，甚至出現(xiàn)斷裂破壞.銹蝕最嚴(yán)重的是試件U4-2，試件尚未屈曲，受拉翼緣已被拉斷.出現(xiàn)脆性破壞的原因在于：①試件銹損嚴(yán)重，其本構(gòu)關(guān)系由塑性轉(zhuǎn)為脆性；②銹蝕的不均勻性導(dǎo)致試件局部銹蝕嚴(yán)重，受拉翼緣出現(xiàn)穿孔和裂紋，當(dāng)該薄弱處率先達(dá)到臨界強(qiáng)度后，裂紋迅速擴(kuò)展導(dǎo)致斷裂.

隨著銹蝕程度的增大，試件U3-2、U4-1的受壓翼緣卷邊開裂.究其原因在于，受壓翼緣發(fā)生畸變屈曲，在荷載作用下畸變屈曲顯著，撓度增大，使得卷邊處于小范圍受拉狀態(tài)，同時(shí)，銹蝕導(dǎo)致材料抗拉強(qiáng)度下降，卷邊極易達(dá)到其抗拉強(qiáng)度后發(fā)生開裂.

試件U1-1、U2-1、U3-1、U3-2則出現(xiàn)多處破壞(跨中附近及加載點(diǎn)附近)，這是因?yàn)樵嚰砻驿P蝕程度不一.當(dāng)試件某一截面出現(xiàn)屈曲后，隨著荷載的增加，相對(duì)較薄截面也達(dá)到臨界屈曲荷載，最終試件表現(xiàn)為多處破壞.

2.2 荷載-位移曲線和荷載-應(yīng)變曲線

試件的荷載-位移曲線和荷載-應(yīng)變曲線分別見圖3和圖4.通過荷載-位移曲線和荷載-應(yīng)變曲線，可確定鋼梁的極限荷載、屈服荷載和臨界屈曲荷載.極限荷載為試件最大試驗(yàn)荷載；屈服荷載根據(jù)受拉翼緣荷載-應(yīng)變曲線中材性試驗(yàn)屈服應(yīng)變所對(duì)應(yīng)的荷載來確定，鑒于腐蝕的隨機(jī)性，應(yīng)變片的屈服載荷略有不同，選擇最小值作為梁的屈服載荷；臨界屈曲荷載為荷載-應(yīng)變曲線中受壓處兩側(cè)壓應(yīng)變出現(xiàn)分叉時(shí)所對(duì)應(yīng)的荷載.各試件承載力見表3.

圖3 試件的荷載-位移曲線

(a) 試件U1-2

(b) 試件U2-1

(c) 試件U4-2

表3 試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知，銹蝕導(dǎo)致試件的屈服荷載、屈曲荷載和極限荷載降低，并且下降幅度隨著銹蝕程度的增加而加劇.與試件U1-1相比，試件U4-2的屈服荷載和極限荷載分別降低了21.7%和26.0%，試件U4-1的屈服荷載、極限荷載和臨界屈曲荷載分別降低了20.7%、26.0%和43.1%，表明腐蝕對(duì)屈曲載荷的影響最明顯.

隨著銹蝕程度的增加，試件U3-2和U4-1在屈服前已發(fā)生屈曲破壞.銹蝕程度最重的試件U4-2的受拉翼緣發(fā)生脆性斷裂，受壓區(qū)并未屈曲.這表明隨著銹蝕程度的增加，試件破壞模式由先屈服后屈曲向直接屈曲或脆性斷裂轉(zhuǎn)變.

由圖4可知，對(duì)于銹蝕較輕的試件，在加載初期，試件同一位置處兩側(cè)應(yīng)變曲線并不重合，應(yīng)變速率發(fā)展不一，這是由試件表面的不均勻銹蝕以及初始缺陷導(dǎo)致的.隨著加載的進(jìn)行，受壓區(qū)凹側(cè)應(yīng)變迅速增長(zhǎng)，凸側(cè)應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)相對(duì)較慢，甚至出現(xiàn)反向增長(zhǎng)，說明試件相應(yīng)位置發(fā)生屈曲.當(dāng)加載荷載迅速下降時(shí)，試件破壞，加載結(jié)束.應(yīng)變片S16和應(yīng)變片S12的應(yīng)變?cè)谶_(dá)到極限荷載后近似沿原路返回，說明受拉區(qū)尚未屈服，處于彈性階段.

如圖4(c)所示，對(duì)于脆斷試件U4-2，隨著荷載的增大，受壓區(qū)及腹板位置、受拉區(qū)均保持線性增長(zhǎng).當(dāng)荷載達(dá)到80 kN時(shí)，受壓區(qū)及腹板部位無明顯變化，而受拉區(qū)應(yīng)變片S13的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)迅速，說明構(gòu)件受拉區(qū)邊緣已接近破壞.當(dāng)加載荷載下降時(shí)，試件發(fā)生斷裂破壞.

3 承載力分析

3.1 計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比

現(xiàn)有冷彎薄壁C形鋼梁設(shè)計(jì)方法主要有文獻(xiàn)[4]中的有效寬度法、文獻(xiàn)[5]中的有效寬度法和直接強(qiáng)度法.按照這3種方法分別計(jì)算銹蝕梁承載力，并將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果見表4.由表可知，這3種方法的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比值均大于1，說明采用這3種方法計(jì)算銹損后冷彎薄壁C形鋼梁的受彎承載力偏于不安全.

表4 現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

3.2 修正的有效寬度法

現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法未考慮銹蝕試件厚度不均勻性，因此其計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏差較大.本文采用等效厚度折減系數(shù)對(duì)有效寬度法[5]進(jìn)行修正，使其適用于銹蝕鋼梁受彎承載力計(jì)算.圖5給出了厚度折減系數(shù)和質(zhì)量損失率的關(guān)系，再通過數(shù)值回歸分析，得到等效厚度折減系數(shù)計(jì)算公式為

(1)

圖5 厚度折減系數(shù)和質(zhì)量損失率的關(guān)系

基于有效寬度法[5]，得到修正公式為

(2)

式中

α=1.15-0.15ψ

式中，b為板件寬度；be為板件的有效寬度；bc為板件受壓區(qū)寬度；ψ為壓應(yīng)力分布不均勻系數(shù)，當(dāng)ψ<0時(shí)，α=1.15；σ1為最大壓應(yīng)力，按規(guī)范[5]確定；k為板件受壓穩(wěn)定系數(shù)；k1為板組約束系數(shù)；d=(1-Ds)t為板件殘余厚度，其中t為板件原始厚度.

基于修正公式(2)得到承載力計(jì)算結(jié)果，將其與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表5.由表可知，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，兩者比值平均數(shù)為0.95, 標(biāo)準(zhǔn)差為0.023 3，平均偏差幅值約為5%.說明本文提出的修正公式(2)可用于銹損冷彎薄壁C形鋼梁承載力計(jì)算.

表5 修正公式結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論

1) 通過對(duì)8根銹損冷彎薄壁C形鋼梁進(jìn)行承載力試驗(yàn)，研究了銹蝕程度對(duì)銹損冷彎薄壁型鋼梁受彎承載力、破壞模式的影響.發(fā)現(xiàn)銹蝕會(huì)改變?cè)嚰钠茐哪Ｊ?，鋼梁試件出現(xiàn)多處屈曲.隨著銹蝕增加，試件破壞模式由先屈服后屈曲向直接屈曲或脆性斷裂轉(zhuǎn)變.

2) 銹蝕導(dǎo)致鋼梁的屈服荷載、屈曲荷載和極限荷載降低，且下降幅度隨銹蝕程度的增加而加劇，這是由材料厚度減小以及腐蝕不均勻造成的.與試件U1-1相比，試件U4-2的屈服荷載和極限荷載分別降低21.7%和26.0%，試件U4-1的屈服荷載、極限荷載和臨界屈曲荷載分別降低20.7%、26.0%和43.1%.

3) 對(duì)于銹損冷彎薄壁C形鋼梁受彎承載力，現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法無法得出可靠安全的預(yù)測(cè).基于修正公式(2)得到的承載力計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，說明修正公式能為既有冷彎薄壁型鋼構(gòu)件承載力評(píng)估提供重要參考.