銹蝕栓釘力學(xué)性能試驗(yàn)研究

余志武，石衛(wèi)華, ，匡亞川

(1. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410075；2. 湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 湘潭，410021)

鋼?混凝土組合結(jié)構(gòu)普遍采用栓釘作為抗剪連接件[1?2]。組合結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，常出現(xiàn)下述破損現(xiàn)象[3]：混凝土橋面板局部破損、負(fù)彎矩區(qū)混凝土板橫向裂縫和結(jié)合面部位混凝土板縱向剪切裂縫；另外，在車輛等反復(fù)荷載作用下，鋼板與混凝土間的結(jié)合面會(huì)產(chǎn)生滑移，甚至形成界面縫隙。侵蝕性介質(zhì)從破損部位侵入后，引起栓釘銹蝕。由此導(dǎo)致栓釘力學(xué)性能退化以及栓釘與混凝土間黏結(jié)性能退化，直接降低栓釘連接件的抗剪連接作用，弱化鋼梁與混凝土的組合效應(yīng)，最終導(dǎo)致鋼?混凝土組合結(jié)構(gòu)性能劣化，如承載能力和剛度降低，從而影響到鋼?混凝土組合結(jié)構(gòu)的使用安全[3?4]。正確認(rèn)識(shí)栓釘銹蝕后力學(xué)性能的變化規(guī)律，建立相應(yīng)的本構(gòu)模型，是栓釘連接件和鋼?混凝土組合結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)估、壽命預(yù)測(cè)及數(shù)值仿真分析的基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)栓釘力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究[5?7]，提出了栓釘?shù)?折線本構(gòu)模型[8]和3折線本構(gòu)模型[9]，但銹蝕栓釘?shù)牧W(xué)性能退化規(guī)律和本構(gòu)模型尚未建立。本文作者采用人工氣候環(huán)境和恒電流加速銹蝕方法，通過(guò)銹蝕栓釘?shù)睦煸囼?yàn)，研究不同加速銹蝕方法對(duì)銹蝕栓釘力學(xué)性能的影響，分析比較不同銹蝕程度下栓釘?shù)牧W(xué)性能指標(biāo)變化規(guī)律，如屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率及彈性模量等，在此基礎(chǔ)上建立銹蝕栓釘本鉤關(guān)系模型，為銹蝕栓釘連接件性能退化研究提供必要基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為研究銹蝕栓釘力學(xué)性能變化規(guī)律，最終建立銹蝕栓釘本構(gòu)模型，通過(guò)對(duì)加速銹蝕方法獲得的銹蝕栓釘進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。

1.1 試件來(lái)源

試驗(yàn)采用栓釘均來(lái)自浙江杭州華凌公司，栓釘材料為SWRCH15A。栓釘型號(hào)為M16×175，實(shí)測(cè)直徑為15.92 mm。未銹蝕栓釘屈服強(qiáng)度為337.08 MPa，極限強(qiáng)度為 482.5 MPa。為方便拉伸試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)機(jī)夾頭夾住栓釘，銹蝕前切除栓釘頭部，然后制作成試件進(jìn)行加速銹蝕。

1.2 加速銹蝕方法

人工氣候環(huán)境銹蝕方法是指在人工氣候試驗(yàn)室中進(jìn)行栓釘加速銹蝕試驗(yàn)，通過(guò)高溫、高濕、鹽水噴淋、紅外燈照等人工方法模擬自然氣候環(huán)境對(duì)結(jié)構(gòu)的侵蝕作用。試驗(yàn)采用干濕循環(huán)方法進(jìn)行加速銹蝕，“干”為高溫干燥，溫度為60 ℃，相對(duì)濕度為50%；“濕”為5%的NaCl溶液噴淋。循環(huán)制度為濕4 h，干44 h。

恒電流加速銹蝕方法是將試件中需銹蝕栓釘接直流電源的正極，以浸泡在 NaCl溶液中的不銹鋼為負(fù)極，通過(guò) NaCl溶液形成電解池。通電加速銹蝕裝置如圖1所示。該方法又被稱為溶液模擬法[10]。銹蝕通過(guò)控制銹蝕電流密度和通電時(shí)間，可得到預(yù)定的銹蝕率的栓釘。通電時(shí)間可通過(guò)法拉第定律計(jì)算得出。

1.3 銹蝕率

銹蝕結(jié)束后取出栓釘，采用12%的鹽酸溶液對(duì)栓釘進(jìn)行酸洗除銹，用鋼絲刷清除表面銹蝕產(chǎn)物后清水沖洗，采用 3%的碳酸鈉溶液中進(jìn)行中和，最后用清水沖洗干凈，擦干放入干燥器中存放4 h。用電子天平稱取除銹后栓釘?shù)馁|(zhì)量。采用質(zhì)量損失衡量各銹蝕栓釘?shù)馁|(zhì)量銹蝕率。每組試件栓釘數(shù)量為3個(gè)，銹蝕率取每組3個(gè)測(cè)量值的平均值。質(zhì)量銹蝕率ρ計(jì)算公式為：

其中：m0為未銹蝕前栓釘?shù)馁|(zhì)量；mρ為銹蝕后栓釘實(shí)測(cè)的質(zhì)量。

1.4 拉伸試驗(yàn)

采用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行栓釘拉伸試驗(yàn)。引伸計(jì)夾在栓釘中間部位，標(biāo)距為50 mm。加載速率按GB 228—87(《金屬拉伸方法》)中規(guī)定速率執(zhí)行。加載過(guò)程中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動(dòng)采集引伸計(jì)數(shù)據(jù)以及荷載?位移曲線。試件拉斷后，采用游標(biāo)卡尺測(cè)量5d標(biāo)距范圍內(nèi)伸長(zhǎng)量，計(jì)算伸長(zhǎng)率δ5。

和鋼筋的力學(xué)性能類似，栓釘?shù)膹?qiáng)度分實(shí)際強(qiáng)度和名義強(qiáng)度。實(shí)際強(qiáng)度為實(shí)際荷載與實(shí)際截面面積的比值；名義強(qiáng)度為實(shí)際荷載與公稱截面面積的比值。本文屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度和彈性模量均采用名義值表示。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 破壞形態(tài)

栓釘破壞形態(tài)均表現(xiàn)為塑形破壞，圖2所示為人工氣候環(huán)境部分栓釘破壞形態(tài)對(duì)比。由圖2可以看出：銹蝕率較小時(shí)，銹蝕栓釘存在明顯斷面頸縮現(xiàn)象；隨著銹蝕率的增大，斷面頸縮現(xiàn)象逐漸趨于不明顯。

圖2 銹蝕栓釘破壞現(xiàn)象(人工氣候)Fig. 2 Failure phenomenon of corroded studs

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)試件共16組，每組3個(gè)栓釘，同組栓釘銹蝕環(huán)境、銹蝕方法和銹蝕時(shí)間相同。力學(xué)性能特征值取每組試驗(yàn)值的平均值。表1給出了2種銹蝕方法下銹蝕栓釘?shù)牧W(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果。其中，0組表示無(wú)銹蝕栓釘，1～7組為人工氣候環(huán)境銹蝕栓釘，8～15組表示恒電流加速銹蝕栓釘。由于栓釘材質(zhì)為連續(xù)屈服材料，不具有明顯的屈服點(diǎn)和屈服臺(tái)階，因此，其屈服強(qiáng)度以卸載后殘余應(yīng)變?yōu)?.2%予以確定[11]。

從表1可看出：同一種銹蝕方式下，隨著銹蝕率增大，銹蝕栓釘?shù)那奢d和極限荷載逐步下降，名義屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度隨之不斷降低。銹蝕使栓釘桿身有效截面面積減小和銹坑周圍的應(yīng)力集中是引起屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度降低的主要原因。

名義屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度與銹蝕率的關(guān)系如圖 3和圖4所示。人工氣候環(huán)境銹蝕栓釘?shù)南鄬?duì)屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度的退化速率約為栓釘平均質(zhì)量減小速率的2.177倍和2.066倍，而恒電流加速銹蝕栓釘?shù)南鄬?duì)屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度的退化速率約為 1.871倍和 1.688倍。同一種銹蝕方式下，名義屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度與銹蝕率呈線性下降關(guān)系，屈服強(qiáng)度下降速率略高于極限強(qiáng)度下降速率。人工氣候環(huán)境銹蝕下屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度的下降速率要高于恒電流加速銹蝕條件下。這主要是由于人工氣候環(huán)境加速銹蝕條件下不均勻銹蝕現(xiàn)象更突出，栓釘銹蝕形態(tài)更接近自然環(huán)境銹蝕。這一點(diǎn)與鋼筋銹蝕形態(tài)一致[12]。

表1 銹蝕栓釘力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Mechanical property experimental results of corroded studs

圖3 名義強(qiáng)度相對(duì)值與銹蝕率關(guān)系(人工氣候)Fig. 3 Relative nominal strength versus corrosion degree for corroded studs by artificial climate

圖4 名義強(qiáng)度相對(duì)值與銹蝕率關(guān)系(恒電流加速)Fig. 4 Relative nominal strength versus corrosion degree by galvanostatic acceleration

2.3 不同銹蝕程度栓釘應(yīng)力?應(yīng)變曲線

圖5 所示為人工氣候環(huán)境下不同銹蝕程度栓釘?shù)膽?yīng)力?應(yīng)變關(guān)系曲線。由圖 5可以看出：無(wú)論栓釘是否銹蝕，應(yīng)變?應(yīng)變曲線均表現(xiàn)出連續(xù)屈服的特性，沒(méi)有明顯屈服點(diǎn)。

栓釘?shù)膽?yīng)力?應(yīng)變關(guān)系可分為 3個(gè)階段，即：彈性階段、彈塑性階段和強(qiáng)化階段。彈性階段，應(yīng)力從0增加到屈服強(qiáng)度，應(yīng)力?應(yīng)變呈線性，斜率即為名義彈性模量；彈塑性階段，應(yīng)力從屈服強(qiáng)度增加到極限強(qiáng)度，應(yīng)力隨應(yīng)變的增加呈非線性增加；塑性階段，應(yīng)力基本不變，而應(yīng)變急劇增加。

從試驗(yàn)獲得的名義應(yīng)力?應(yīng)變曲線中可得到不同銹蝕程度栓釘?shù)拿x彈性模量[12](直線段斜率)。名義彈性模量相對(duì)值隨銹蝕率的變化關(guān)系如圖6所示。由圖6可以看出：銹蝕率較小時(shí)，名義彈性模量相對(duì)值下降速度較快；銹蝕達(dá)到一定程度后，下降速度減緩。隨著銹蝕率增加，銹蝕栓釘?shù)拿x彈性模量也呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

圖5 不同銹蝕程度栓釘應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系(人工氣候)Fig. 5 Stress?strain curves for studs with different corrosion degrees

圖6 名義彈性模量相對(duì)值與銹蝕率關(guān)系(人工氣候)Fig. 6 Relative nominal elastic modulus versus corrosion degree for corroded studs by artificial climate

2.4 塑性性能

屈強(qiáng)比和伸長(zhǎng)率是衡量材料塑形性能的主要指標(biāo)。栓釘銹蝕后，由于銹坑周圍存在產(chǎn)生應(yīng)力集中，塑形性能會(huì)發(fā)生退化現(xiàn)象。

從表1可以看出：人工氣候環(huán)境加速條件下，當(dāng)銹蝕率小于 13.8%時(shí)，屈強(qiáng)比基本不變化；而當(dāng)銹蝕率大于13.8%時(shí)，屈強(qiáng)比隨銹蝕率的增大呈下降趨勢(shì)，但下降幅度較低。恒電流加速銹蝕條件下，銹蝕率小于8.5%時(shí)，屈強(qiáng)比基本無(wú)變化，而當(dāng)銹蝕率大于8.5%時(shí)，屈強(qiáng)比呈下降趨勢(shì)，下降幅度較大。2種銹蝕條件下屈強(qiáng)比的變化規(guī)律基本一致。

圖7 伸長(zhǎng)率相對(duì)值與銹蝕率關(guān)系(人工氣候)Fig. 7 Relative elongation versus corrosion degree for corroded studs by artificial climate

圖7 所示為人工氣候環(huán)境銹蝕條件下銹蝕栓釘伸長(zhǎng)率與銹蝕率的變化規(guī)律。由圖7可以看出：銹蝕栓釘伸長(zhǎng)率隨銹蝕率增大呈線性下降趨勢(shì)，表明隨著銹蝕率增大栓釘塑性降低，脆性增加。并且伸長(zhǎng)率的降低速率要高于名義強(qiáng)度降低速率。這與銹蝕鋼筋的變化規(guī)律一致[12?13]。

上述分析表明：隨著銹蝕程度的增加，栓釘塑性性能不斷下降。

2.5 銹蝕方法適用性分析

人工氣候環(huán)境下栓釘銹蝕為不均勻銹蝕，靠近保護(hù)層一側(cè)銹蝕較背離保護(hù)層側(cè)嚴(yán)重，銹蝕產(chǎn)物為紅褐色。恒電流銹蝕栓釘也為不均勻銹蝕，靠近溶液側(cè)銹蝕較遠(yuǎn)離溶液側(cè)銹蝕嚴(yán)重，但銹坑不均勻分布程度低于人工氣候環(huán)境。這與已有的2種銹蝕方法下鋼筋銹蝕形態(tài)相同[14]。

2種銹蝕方法引起的栓釘力學(xué)性能變化規(guī)律相似，人工氣候環(huán)境法退化速率要大于恒電流銹蝕法，但差別不大。因此，2種方法均可以較好地模擬自然環(huán)境銹蝕。

3 銹蝕栓釘力學(xué)性能退化模型

人工氣候環(huán)境銹蝕和恒電流加速銹蝕方法獲得的銹蝕栓釘，各項(xiàng)力學(xué)性能表現(xiàn)出相似的退化規(guī)律。銹蝕栓釘?shù)拿x屈服強(qiáng)度、名義極限強(qiáng)度可分別按照下式計(jì)算：

式中：fy,c和fu,c分別為銹蝕栓釘?shù)拿x屈服強(qiáng)度、名義極限強(qiáng)度；fy,0和fu,0分別為未銹蝕栓釘?shù)那?qiáng)度、極限強(qiáng)度；κr,y和κr,u分別為相對(duì)屈服強(qiáng)度影響函數(shù)和相對(duì)極限強(qiáng)度影響函數(shù)，其計(jì)算公式為：

人工氣候環(huán)境：

恒電流加速銹蝕：

式中：ρ表示銹蝕栓釘?shù)匿P蝕率。

人工氣候環(huán)境銹蝕條件下銹蝕栓釘伸長(zhǎng)率和彈性模量的退化規(guī)律可分別按照下式計(jì)算：式中：δs,c和Eu,c分別為銹蝕栓釘?shù)纳扉L(zhǎng)率和名義彈性模量；δs0和Eu0分別為未銹蝕栓釘?shù)纳扉L(zhǎng)率和彈性模量。

4 銹蝕栓釘本構(gòu)關(guān)系模型

從圖 5可以看出：銹蝕栓釘?shù)膽?yīng)力?應(yīng)變關(guān)系與Nguyen的3折線本構(gòu)模型[9]較為吻合。因此本文采用Nguyen模型來(lái)建立銹蝕栓釘?shù)谋緲?gòu)關(guān)系模型，如圖8所示。

圖8 銹蝕栓釘本構(gòu)關(guān)系模型Fig. 8 Constitutive model for corroded studs

本構(gòu)模型如下：

當(dāng) 0≤ε＜εy時(shí)，

當(dāng)εy≤ε≤εu時(shí)，

當(dāng)ε＞εu時(shí)，

式中：σy和σu分別為銹蝕栓釘屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度；εy和εu分別為銹蝕栓釘屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的應(yīng)變，εy=2 000με,εu=10εy；Es為銹蝕栓釘?shù)拿x彈性模量。

針對(duì)本文建立的銹蝕栓釘本構(gòu)模型，選用不同銹蝕程度的栓釘，將力學(xué)性能特征值代入本構(gòu)模型函數(shù)，即可繪制出銹蝕栓釘鋼筋的應(yīng)力?應(yīng)變曲線。人工氣候環(huán)境下部分銹蝕栓釘?shù)膽?yīng)力?應(yīng)變關(guān)系的理論曲線與試驗(yàn)曲線的比較見(jiàn)圖9所示。由圖9可以看出：理論應(yīng)力?應(yīng)變曲線與試驗(yàn)應(yīng)力?應(yīng)變曲線吻合良好。

圖9 銹蝕栓釘?shù)膽?yīng)力?應(yīng)變曲線比較Fig. 9 Comparison of stress?strain curve for corroded studs

5 結(jié)論

(1) 人工氣候環(huán)境與恒電流加速銹蝕 2種方法均能較好地模擬自然環(huán)境下栓釘銹蝕。人工氣候環(huán)境銹蝕更接近自然環(huán)境銹蝕。

(2) 銹蝕栓釘?shù)那?qiáng)度和極限強(qiáng)度隨銹蝕率的增加不斷下降，下降速率與銹蝕方法有關(guān)。人工氣候環(huán)境銹蝕栓釘?shù)南陆邓俾矢哂诤汶娏麂P蝕栓釘。

(3) 隨著銹蝕程度的逐漸增加，銹蝕栓釘?shù)膹椥阅Ａ亢蜕扉L(zhǎng)率不斷減小，塑性性能逐漸降低。

(4) 銹蝕栓釘后力學(xué)性能不僅與栓釘銹蝕率有關(guān)，還與栓釘?shù)匿P蝕形態(tài)有關(guān)。栓釘銹蝕后的力學(xué)性能退化主要是由于栓釘有效截面積減小和銹坑周圍的應(yīng)力集中引起的。

(5) 根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，得到銹蝕栓釘名義屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、彈性模量及伸長(zhǎng)率的退化模型。并在此基礎(chǔ)上，建立銹蝕栓釘?shù)谋緲?gòu)關(guān)系模型，為栓釘連接件和鋼?混凝土組合結(jié)構(gòu)耐久性研究建立了理論基礎(chǔ)。

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