受硫酸鹽腐蝕的銹蝕型鋼混凝土梁抗彎剛度研究

王藝霖, 張忠和, 劉巧玲

(1.山東建筑大學(xué)土木工程學(xué)院， 濟(jì)南 250101;2.建筑結(jié)構(gòu)加固改造與地下空間工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 濟(jì)南 250101)

引 言

型鋼混凝土結(jié)構(gòu)作為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)的綜合改良體，具有承載力高、剛度大、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)，在重要結(jié)構(gòu)、超高層結(jié)構(gòu)等工程中得到了日益廣泛的應(yīng)用[1-2]。從20世紀(jì)80年代開始，學(xué)者們就對型鋼混凝土結(jié)構(gòu)展開了全面的研究，內(nèi)容包括實(shí)腹式、空腹式的各種梁、柱、節(jié)點(diǎn)構(gòu)件和框架子結(jié)構(gòu)等。2001年，《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ138-2001)發(fā)布，集成了型鋼混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)方法、構(gòu)造要求、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、施工要求等[3]。2016年，《組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JGJ138-2016)成為了新的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[4]。

為了確保型鋼混凝土結(jié)構(gòu)在各種自然條件下的長期正常使用，需要同時滿足安全性、適用性、耐久性三方面的功能要求，目前有關(guān)安全性的研究比較多[5-7]。另外，與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)類似，混凝土內(nèi)部的型鋼也容易在各種內(nèi)外因素的作用下發(fā)生銹蝕，導(dǎo)致耐久性出現(xiàn)問題。對于發(fā)生型鋼銹蝕的構(gòu)件，哈娜[8-9]研究了銹蝕后型鋼混凝土梁抗彎承載力的隨機(jī)性并建立了計(jì)算公式；朱童[10]研究了型鋼銹蝕量的計(jì)算模型以及銹蝕量與主要影響因素之間的關(guān)系；盧元鵬[11]研究了銹蝕型鋼混凝土梁的界面滑移量計(jì)算公式并進(jìn)行了彈性求解；王倩[12-13]用有限元軟件模擬了下翼緣發(fā)生均勻銹蝕的型鋼混凝土梁的力學(xué)性能等。

但值得注意的是，耐久性不良之后的型鋼混凝土梁，往往也會導(dǎo)致變形程度、裂縫寬度的加大，影響到適用性問題。同時，目前的耐久性研究主要針對的都是型鋼發(fā)生銹蝕的情況，對于處于硫酸鹽環(huán)境(如海洋環(huán)境)中的型鋼混凝土梁，混凝土還可能受到硫酸鹽的腐蝕[14-16]，這方面的研究比較欠缺。

為此，本文將考慮型鋼銹蝕與硫酸鹽腐蝕的耦合效應(yīng)，對于同時出現(xiàn)型鋼銹蝕、混凝土受硫酸鹽腐蝕的型鋼混凝土梁，從抗彎剛度方面探索其性能劣化規(guī)律，建立相關(guān)的剛度分析與計(jì)算方法，為梁的適用性設(shè)計(jì)與分析提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)基本情況

1.1 試驗(yàn)梁的設(shè)計(jì)與制作

為了探討銹蝕及硫酸鹽腐蝕引起變化的規(guī)律，本文設(shè)計(jì)了四根試驗(yàn)梁：

(1)參照梁：采用C30混凝土，梁長2000 mm，型鋼為100 mm×100 mm×6 mm×8 mm的H型鋼(屈服強(qiáng)度270 MPa)，在截面內(nèi)居中布置?？v筋采用4根直徑14 mm的HRB400鋼筋，箍筋采用直徑6 mm、間距150 mm的HPB300鋼筋(圖1)。型鋼的保護(hù)層厚度為75 mm，縱筋的保護(hù)層厚度為25 mm。

圖1 試驗(yàn)梁的型鋼、縱筋和箍筋

(2)1號、2號、3號梁：均為出現(xiàn)型鋼銹蝕、混凝土受硫酸鹽腐蝕的型鋼混凝土梁，硫酸根離子濃度和型鋼銹蝕程度的控制參數(shù)見表1。

表1 型鋼銹蝕程度和硫酸根離子濃度的控制參數(shù)

對1～3號梁，直接在攪拌混凝土?xí)r摻入硫酸鈉作為硫酸根離子。型鋼的快速銹蝕采用通直流電的方法來實(shí)現(xiàn)，施加不同的通電量以對應(yīng)相應(yīng)的銹蝕程度。為了對型鋼進(jìn)行通電銹蝕，需在梁內(nèi)預(yù)埋導(dǎo)線，從型鋼上引出來(圖2)。待型鋼混凝土梁達(dá)到28 d齡期后浸入氫氧化鈉溶液內(nèi)開始通電(圖3)。

圖2 型鋼上引出來的預(yù)埋導(dǎo)線

圖3 浸泡在氫氧化鈉溶液內(nèi)的試驗(yàn)梁

1.2 加載與數(shù)據(jù)采集方案

待各型鋼混凝土梁達(dá)到3 M(3個月)齡期后開始加載。加載時，各梁的加載凈跨均為1800 mm，通過分配梁在距梁兩端支座500 mm處形成兩個集中荷載，在中間形成800 mm的純彎段。因此，彎矩M與加載值F的定量關(guān)系為：M=F×500 mm。同時在各梁的純彎段的中心和兩個邊界處布置撓度測點(diǎn)(圖4)，用全自動位移計(jì)進(jìn)行撓度數(shù)據(jù)的采集(圖5)。

圖4 撓度測點(diǎn)的布置

圖5 撓度數(shù)據(jù)的采集

2 受彎變形性能的試驗(yàn)情況及分析

2.1 試驗(yàn)情況

2.1.1 參照梁

(1)跨中撓度值與所加荷載的關(guān)系曲線(簡稱為跨中撓度-荷載曲線)

參照梁的跨中撓度-荷載曲線如圖6所示。

圖6 參照梁的跨中撓度-荷載曲線

由圖6可見：

(a)在加載值≤180 kN(約70%極限荷載)時，跨中撓度都呈明顯的線性增長趨勢；加載值在180 kN～200 kN(約70%～80%極限荷載)之間時，撓度的增長速度逐漸高于荷載的增長速度；加載值超過200 kN(約80%極限荷載)后，撓度的增長速度顯著地高于荷載的增長速度，這表明梁的下部配筋已屈服，同時也說明型鋼混凝土梁有較好的延性。

(b)梁最終出現(xiàn)受壓區(qū)混凝土的壓潰。對應(yīng)的極限荷載為246.6 kN?？缰刑帉?yīng)于極限荷載的極限撓度值為29.11 mm。

(c)型鋼混凝土梁的塑性變形能力(或后期變形能力)即稱之為延性，通常以撓度的比值βf=fu/fy來表示，稱為延性比。其中，fy是指構(gòu)件屈服荷載對應(yīng)的撓度或構(gòu)件的變形發(fā)生明顯轉(zhuǎn)折時的撓度，fu是指構(gòu)件達(dá)到極限強(qiáng)度時的撓度(即極限撓度)。據(jù)此可算得參照梁的“延性比”βf為3.75。

(2)純彎段的中心及兩個邊界點(diǎn)的撓度值與所加荷載的關(guān)系曲線(簡稱為撓曲線)

參照梁的撓曲線如圖7所示，基本呈拋物線形狀。

圖7 參照梁的撓曲線

2.1.2 1號梁

(1)跨中撓度-荷載曲線

1號梁的跨中撓度-荷載曲線如圖8所示。

圖8 1號梁的跨中撓度-荷載曲線

由圖8可見，跨中撓度-荷載關(guān)系曲線在加載前期也基本呈線性增長，但當(dāng)加載值超過160 kN(約75%極限荷載)后轉(zhuǎn)為非線性增長。梁最終也出現(xiàn)受壓區(qū)混凝土的壓潰，對應(yīng)的極限荷載為213.2 kN。跨中處對應(yīng)于極限荷載的極限撓度值為27.63 mm，計(jì)算得到延性比βf為3.80。

(2)撓曲線

1號梁的撓曲線如圖9所示，也基本呈拋物線形狀。

圖9 1號梁的撓曲線

2.1.3 2號梁

(1)跨中撓度-荷載曲線

2號梁的跨中撓度-荷載曲線如圖10所示：

圖10 2號梁的跨中撓度-荷載曲線

由圖10可見，跨中撓度-荷載關(guān)系曲線的線性增長段很短，在60 kN(約極限荷載35%)后，撓度的增長就轉(zhuǎn)入非線性階段。梁最終也出現(xiàn)受壓區(qū)混凝土的壓潰，對應(yīng)的極限荷載為164.6 kN。跨中處對應(yīng)于極限荷載的極限撓度值為21.13 mm，計(jì)算得到延性比βf為4.82。

2)撓曲線

2號梁的撓曲線如圖11所示，也基本呈拋物線形狀。

圖11 2號梁的撓曲線

2.1.4 3號梁

(1)跨中撓度-荷載曲線

3號梁的跨中撓度-荷載曲線如圖12所示：

圖12 3號梁的跨中撓度-荷載曲線

由圖12可見，跨中撓度-荷載關(guān)系曲線沒有明顯的線性增長段，說明構(gòu)件在40 kN(約極限荷載39%)后，撓度的增長就轉(zhuǎn)入非線性階段。梁最終也出現(xiàn)受壓區(qū)混凝土的壓潰，對應(yīng)的極限荷載為103.2 kN?？缰刑帉?yīng)于極限荷載的極限撓度值為17.86 mm，計(jì)算得到的延性比βf為5.95。

(2)撓曲線

3號梁的撓曲線如圖13所示，也基本呈拋物線形狀。

圖13 3號梁的撓曲線

2.2 規(guī)律小結(jié)及原因分析

(1)從參照梁到3號梁，跨中撓度-荷載曲線的非線性段不斷提前出現(xiàn)。進(jìn)入非線性階段后，各測點(diǎn)(包含跨中處和純彎段的兩個邊界點(diǎn))的撓度增長量與荷載增長量都不再呈線性關(guān)系，而且比值越來越大。荷載達(dá)到160 kN后，1號梁的各測點(diǎn)撓度值開始明顯高于參照梁；荷載達(dá)到60 kN后，2號梁的各測點(diǎn)撓度值開始明顯高于1號梁；荷載達(dá)到40 kN后，3號梁的各測點(diǎn)撓度值開始明顯高于2號梁。

主要原因：銹蝕會導(dǎo)致型鋼屈服強(qiáng)度的下降，隨著銹蝕程度的不斷加深，梁內(nèi)型鋼的屈服階段不斷提前。型鋼一旦發(fā)生屈服，會在較小的拉應(yīng)力增量(對應(yīng)于彎矩增量，即加載值的增量)下就發(fā)生較大的拉伸量(對應(yīng)于跨中撓度值的增加)，使得跨中撓度-荷載的關(guān)系轉(zhuǎn)入非線性階段。因此，型鋼銹蝕程度的加深對應(yīng)著跨中撓度-荷載曲線非線性段臨界點(diǎn)的不斷提前。進(jìn)入非線性階段后，抗彎剛度是趨于下降的，意味著同樣的荷載增長量，對應(yīng)著更大的撓度增長量。

(2)從參照梁到3號梁，跨中處的極限撓度值不斷下降，見表2。

表2 各梁跨中處的極限撓度值

同時，1號梁跨中處在達(dá)到極限撓度時，其極限撓度明顯大于參照梁在同樣荷載作用下的撓度；2號梁跨中處在達(dá)到極限撓度時，其極限撓度明顯大于1號梁在同樣荷載作用下的撓度；3號梁跨中處在達(dá)到極限撓度時，其極限撓度明顯大于2號梁在同樣荷載作用下的撓度。

主要原因：從參照梁到3號梁，極限荷載下降顯著；同時，由于型鋼銹蝕和混凝土腐蝕程度的加深，在同樣荷載的作用下，梁的變形會增大，意味著梁的抗彎剛度也有所下降。

3)從參照梁到3號梁，延性比不斷增大，見表3，表明延性不斷提高。

表3 各梁跨中處的延性比βf

主要原因：型鋼銹蝕和混凝土腐蝕程度的加深導(dǎo)致梁越來越早地進(jìn)入塑性階段，其極限變形能力與彈性階段變形能力的比值則越來越大。

3 受硫酸鹽腐蝕的銹蝕型鋼混凝土梁的抗彎剛度分析及計(jì)算方法

由于適用性的要求，實(shí)際工程中的型鋼混凝土梁一般都要處于彈性工作階段。由圖8、圖10和圖12的跨中撓度-荷載關(guān)系曲線可知，1～3號梁在彈性階段的跨中撓度-荷載關(guān)系為線性關(guān)系，存在一個相對穩(wěn)定的彈性抗彎剛度值，可用于各種變形相關(guān)的計(jì)算。下面分析一下彈性抗彎剛度的取值問題：

說明：本研究針對的是3 M齡期的梁，因此沒有考慮荷載的長期效應(yīng)(混凝土收縮、徐變、塑性發(fā)展等)，這里只對短期抗彎剛度(記為Bs)進(jìn)行分析。

對于型鋼混凝土梁，“最小剛度原則”仍然成立：在全跨長范圍內(nèi)，都可按彎矩最大處的截面彎曲剛度(亦即按最小的截面彎曲剛度)，用材料力學(xué)/結(jié)構(gòu)力學(xué)方法中不考慮剪切變形影響的公式來計(jì)算撓度[17]。據(jù)此，可基于各級荷載作用下的跨中撓度值來確定Bs的數(shù)值。

具體來說，對于三分點(diǎn)處作用集中荷載的簡支梁，記跨度l(=1.8 m)，加載值F對應(yīng)產(chǎn)生的跨中撓度值為Δ，則根據(jù)虛功原理可得：

(1)

進(jìn)而得：

(2)

然后結(jié)合圖8、圖10、圖12中的跨中撓度-荷載數(shù)據(jù)和式(2)，可獲得1～3號梁的Bs值，見表4。

表4 1～3號梁的Bs值

由表4可見，混凝土的腐蝕與型鋼的銹蝕會導(dǎo)致梁的抗彎剛度Bs下降，這對應(yīng)于2.2節(jié)中規(guī)律(1)的原因分析。

進(jìn)一步地，基于Bs值可根據(jù)梁在正常使用階段的荷載情況和邊界條件建立計(jì)算模型，用力學(xué)方法算出梁的最大撓度后與撓度極限值進(jìn)行對比，實(shí)現(xiàn)適用性中變形條件的驗(yàn)算。例如，假設(shè)1號梁在正常使用階段承受的是均布荷載，大小為q=6 kN/m，且可按簡支梁考慮(已知其跨度l=2 m)，則根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)可按式(3)計(jì)算其最大撓度：

(3)

計(jì)算結(jié)果為0.116 mm，相應(yīng)的最大撓度/跨度比值為Δmax/l=1/17241<1/200(規(guī)范中的限值[4])，說明變形還沒有超過限值。而如果是3號梁的話，計(jì)算結(jié)果為Δmax/l=1/11387，也沒超過限值，但有了明顯的放大。如果梁所受的均布荷載值增大，同時跨度也增大，則最大撓度有可能超過限值，影響到適用性。

4 結(jié)束語

本文針對型鋼銹蝕與硫酸鹽腐蝕耦合作用下的型鋼混凝土梁，研究了三種耐久性不良情況下的適用性問題，進(jìn)行了受彎變形性能的試驗(yàn)研究，并與完好狀態(tài)下的梁進(jìn)行了對比分析。研究結(jié)果表明，隨著混凝土受硫酸鹽腐蝕程度、型鋼發(fā)生銹蝕程度的出現(xiàn)和加深，會引起以下規(guī)律性變化：(1)跨中撓度-荷載曲線的非線性段：逐步提前出現(xiàn)；(2)梁的延性：逐步增大；(3)極限撓度值：逐步下降；(4)梁的抗彎剛度Bs下降。同時分析了出現(xiàn)這些規(guī)律的主要原因。

進(jìn)而給出了受硫酸鹽腐蝕的銹蝕型鋼混凝土梁的短期抗彎剛度Bs計(jì)算方法?；诖朔椒?，可以確定出梁在耐久性不良的工況下的Bs值，進(jìn)而可根據(jù)其在正常使用階段的荷載情況和邊界條件建立計(jì)算模型。再用力學(xué)方法算出梁的最大撓度，并與撓度限值進(jìn)行對比，實(shí)現(xiàn)適用性中變形條件的驗(yàn)算，為受硫酸鹽腐蝕的銹蝕型鋼混凝土梁的適用性分析與設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。