鋼拱架銹蝕作用下型鋼混凝土梁抗彎承載力研究

王明年， 劉軻瑞， 張藝騰， 楊恒洪， 于 麗, *

(1. 西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610031； 2. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 四川 成都 610031)

0 引言

隨著我國(guó)城市的發(fā)展，越來(lái)越多的海底隧道處于設(shè)計(jì)和建造階段，跨海鐵路隧道修建技術(shù)研究也備受關(guān)注[1-2]。海底隧道的隧道外壁處于陸域或海域的地下水中，這些地下水的主要來(lái)源是海水。海水中含有各種離子，對(duì)鋼筋混凝土有很強(qiáng)的腐蝕作用[3]。海底隧道多采用鉆爆法施工[4]，其支護(hù)體系一般包括初期支護(hù)及二次襯砌，圍巖條件較差的斷面，初期支護(hù)通常由噴射混凝土、鋼拱架、鋼筋網(wǎng)和錨桿組成[5]，其中鋼拱架通常采用工字鋼。在富含各種離子的水環(huán)境下，鋼拱架銹蝕后產(chǎn)生的鐵銹是原體積的2～4倍[6]，同時(shí)將產(chǎn)生銹脹力，導(dǎo)致工字鋼與混凝土之間的黏結(jié)強(qiáng)度降低[7]，產(chǎn)生內(nèi)部甚至貫通混凝土裂縫，這些細(xì)部的變化最終都會(huì)體現(xiàn)在整體鋼拱架承載力的變化上[8]。

關(guān)于鋼拱架銹蝕所引起初期支護(hù)承載能力的變化，國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開了大量的研究。童建軍等[9]采用數(shù)值模擬方法考慮初期支護(hù)與二次襯砌荷載分配比例，研究鋼拱架銹蝕率對(duì)其自身承載力的影響規(guī)律；周清等[10]采用數(shù)值模擬方法研究了Ⅴ級(jí)圍巖條件下鋼拱架銹蝕對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響；王明年等[11]采用數(shù)值模擬方法分析了在有水壓和無(wú)水壓2種情況下，鋼拱架銹蝕對(duì)自身承載能力和對(duì)初期支護(hù)混凝土、二次襯砌安全性的影響；曾佳亮[12]采用數(shù)值模擬的方法分析了局部銹蝕對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性的影響；王明年等[13]將不同銹蝕率的工字鋼混凝土試件進(jìn)行黏結(jié)滑移試驗(yàn)，分析了銹蝕率、滑移量、黏結(jié)破壞荷載之間的關(guān)系，建立了銹蝕工字鋼與噴射混凝土的黏結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系數(shù)學(xué)模型；婁西慧[14]采用試驗(yàn)的方法，建立了型鋼拱架與混凝土之間的黏結(jié)滑移模型，最終采用數(shù)值模擬的方法分析了鋼拱架銹蝕對(duì)支護(hù)體系安全性與耐久性的影響。以往主要采用數(shù)值模擬手段研究鋼拱架銹蝕對(duì)隧道支護(hù)體系受力的影響，但對(duì)于鋼架銹蝕如何影響承載力的試驗(yàn)研究較少。

為從宏觀角度體現(xiàn)銹蝕對(duì)于鋼拱架承載力的影響，本文開展了鋼拱架銹蝕條件下型鋼混凝土梁抗彎承載力研究，從而為海底隧道的維修養(yǎng)護(hù)提供依據(jù)。

1 鋼拱架銹蝕下抗彎承載力試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)及電銹蝕設(shè)計(jì)

鋼拱架在自然條件下銹蝕時(shí)間較長(zhǎng)，試驗(yàn)中往往采用一定方法加速銹蝕進(jìn)程，如干濕循環(huán)、鹽霧試驗(yàn)、電加速銹蝕等。本試驗(yàn)采用電加速銹蝕，其原理依據(jù)是法拉第定律[15]，見式(1)。

(1)

式中： Δm是銹蝕鋼材的目標(biāo)質(zhì)量損失，g；t是銹蝕通電時(shí)間，s；M是鐵的摩爾質(zhì)量，M=56 g/mol；i是銹蝕電流密度，A/cm2；S是銹蝕區(qū)域內(nèi)的工字鋼表面積，cm2;F是法拉第常數(shù)，F(xiàn)=96 500 C/mol；z是鐵離子電荷數(shù)，z=2。

根據(jù)式(1)，控制銹蝕電流密度與銹蝕區(qū)域工字鋼表面積一定時(shí)，由銹蝕通電時(shí)間可得到銹蝕質(zhì)量，再除以總質(zhì)量得到目標(biāo)銹蝕率。

(2)

式中：ρ是目標(biāo)銹蝕率；m是未銹蝕工字鋼的總質(zhì)量，kg。

電銹蝕試驗(yàn)所用到的主要設(shè)備有： 直流電源、電流表、導(dǎo)線、質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的NaCl溶液、銅片、防水絕緣膠帶以及塑料箱，如圖1所示。

圖1 電解槽示意圖

本試驗(yàn)采用I12工字鋼，工字鋼梁采用長(zhǎng)方體形式，截面為20 cm×20 cm，長(zhǎng)160 cm，沿截面中軸線對(duì)稱布置工字鋼，兩端外露鋼筋5 cm并包裹防水絕緣膠帶，如圖2所示。制作6個(gè)不同編號(hào)的試件，控制通電電流相同，其中1個(gè)不通電銹蝕，作為對(duì)照，其余5個(gè)分別通電不同時(shí)間，從而得到不同的銹蝕率，如表1所示。

(b) 梁構(gòu)件尺寸

表1 試件的目標(biāo)銹蝕率

1.2 加載方案

試驗(yàn)加載在500 t的壓力機(jī)上完成，采用簡(jiǎn)支梁抗彎破壞的加載方式，一端采用鋼板固定制作，另一端為滾動(dòng)鉸支座，在梁的中心上表面施加集中荷載，如圖3所示。加載速度控制在40 kN/min，每20 kN為一級(jí)加載，記錄裂縫的發(fā)展以及對(duì)應(yīng)的荷載大小。

(a) 現(xiàn)場(chǎng)加載圖

(b) 梁加載示意圖

1.3 試驗(yàn)步驟

設(shè)計(jì)試驗(yàn)步驟如下：

1)澆筑試件、編號(hào)、按標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境養(yǎng)護(hù)。

2)快速電解，控制通電電流為2.5 A。其中1個(gè)試件不電解，其余5個(gè)通電不同時(shí)間，得到不同的銹蝕率試件。為保證工字鋼均勻銹蝕，每個(gè)試件在電解前，放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaCl溶液中浸泡7 d，讓溶液浸透混凝土，與工字鋼充分接觸。

3)按照前述加載方案進(jìn)行加載，注意加載過(guò)程中要觀察梁的裂縫發(fā)展情況。

4)記錄裂縫產(chǎn)生以及梁達(dá)到承載力狀態(tài)時(shí)的荷載讀數(shù)。

5)試驗(yàn)結(jié)束，鑿開梁取出銹蝕工字鋼用質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的鹽酸溶液進(jìn)行酸洗，再用質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%的碳酸鈉溶液中和，用清水沖洗干凈，擦干后，用電子秤稱取銹蝕后工字鋼的質(zhì)量。根據(jù)式(2)最終得到銹蝕工字鋼實(shí)際的銹蝕率。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)GB/T 50152—2012《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[16]，試驗(yàn)過(guò)程中當(dāng)梁受壓區(qū)混凝土受壓開裂、破碎或彎曲撓度達(dá)到跨度的1/50即認(rèn)為加載達(dá)到了梁抗彎承載力極限。通過(guò)對(duì)加載試驗(yàn)的觀察和記錄，可得到梁銹蝕率與抗彎承載力關(guān)系及銹蝕后的抗彎承載力，分別如圖4和表2所示。

圖4 梁銹蝕率與抗彎承載力關(guān)系圖

表2 銹蝕后梁的抗彎承載力

從圖4和表 2可以明確地看出, 隨著工字鋼混凝土梁銹蝕率的增加，梁的抗彎承載力降低。出現(xiàn)第1條裂縫部位以及荷載與銹蝕率關(guān)系不大，也就是說(shuō)，第1條裂縫的出現(xiàn)與銹蝕情況無(wú)關(guān)，只取決于混凝土的抗拉強(qiáng)度以及保護(hù)層厚度。雖然第1條裂縫的產(chǎn)生與銹蝕情況無(wú)關(guān)，但是之后裂縫的發(fā)展卻與銹蝕情況關(guān)系密切。

通過(guò)加載過(guò)程對(duì)裂縫的觀察和記錄，本文得到以下規(guī)律：

1)未銹蝕的梁。破壞時(shí)只有1條較寬的裂縫，位于梁加載點(diǎn)的下半部分，隨著加載的進(jìn)行，裂縫變寬變長(zhǎng)，直到破壞。其余的裂縫都是細(xì)小的裂縫，如圖 5所示。

2)銹蝕率ρ≤1.5%的梁。破壞時(shí)沒(méi)有縱向裂紋，隨著加載的進(jìn)行，梁下半部分有數(shù)條較寬的橫向裂縫及斜裂縫發(fā)展，如圖6所示。

圖5 未銹蝕的梁破壞裂縫

圖6 銹蝕率較小的梁破壞時(shí)的裂縫

3)銹蝕時(shí)間較長(zhǎng)、銹蝕率ρ>1.5%的梁。加載過(guò)程中首先出現(xiàn)梁底橫向裂縫，隨著加載進(jìn)行，出現(xiàn)縱向裂縫。破壞時(shí)的控制裂紋為上半部的縱向裂縫，裂縫出現(xiàn)在工字鋼上表面與混凝土的接觸面，縱向裂縫很寬，長(zhǎng)度很長(zhǎng)，幾乎從加載點(diǎn)延伸到端部，但橫向裂縫卻很細(xì)。因此，對(duì)于ρ>1.5%的梁，用來(lái)判斷破壞的裂縫為縱向裂縫，如圖7所示。

圖7 銹蝕率較大的梁破壞時(shí)的裂縫

2.2 裂縫結(jié)果分析

銹蝕后的工字鋼混凝土梁出現(xiàn)抗彎承載力下降的現(xiàn)象，其原因主要是銹蝕過(guò)程會(huì)導(dǎo)致工字鋼表層形成一層蓬松的銹蝕物質(zhì)層，破壞了工字鋼與混凝土之間的化學(xué)膠著力，也就破壞了他們之間的黏結(jié)。此外，銹蝕還會(huì)形成銹脹力，這種力對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)的損害作用很大。銹脹力會(huì)使工字鋼與混凝土脫離開來(lái)，二者形成獨(dú)立的受力結(jié)構(gòu)，無(wú)法發(fā)揮工字鋼受拉性能好以及混凝土受壓性能好的互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)。而且，混凝土是一種變形很小的結(jié)構(gòu)，銹脹力的作用會(huì)使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生細(xì)微的裂縫，這些細(xì)微的裂縫是鋼拱架的內(nèi)部受力缺陷，當(dāng)鋼拱架受力時(shí)，這些細(xì)小的裂縫會(huì)快速發(fā)展，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。

未銹蝕的梁之所以只有一條較寬的裂縫，其余的都是很細(xì)小的裂縫，原因在于工字鋼與混凝土之間的黏結(jié)未被破壞，當(dāng)中間那條裂縫因?yàn)閾隙冗^(guò)大而變寬之后，原來(lái)混凝土下邊緣受到的拉力很大部分通過(guò)工字鋼與混凝土之間的黏結(jié)傳到工字鋼上，從而很好地發(fā)揮了工字鋼受拉性能強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。而銹蝕率ρ≤1.5%的梁的破壞形態(tài)多了幾條較寬的裂縫，這說(shuō)明銹蝕破壞了工字鋼與混凝土之間的黏結(jié)，混凝土受到的拉力無(wú)法很好地傳到工字鋼上，而是轉(zhuǎn)移到兩側(cè)的混凝土結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致了多條裂縫的快速發(fā)展。但是ρ≤1.5%的梁破壞時(shí)并未出現(xiàn)沿工字鋼上表面的縱向裂縫，這是因?yàn)殇P蝕率不是很大，其破壞黏結(jié)的程度還不嚴(yán)重，工字鋼與混凝土之間的銹脹力還未導(dǎo)致混凝土沿工字鋼面形成裂縫。對(duì)于銹蝕率ρ>1.5%的梁，控制破壞的形式是縱向裂縫，主要原因是銹蝕嚴(yán)重，導(dǎo)致工字鋼與混凝土之間的黏結(jié)破壞程度嚴(yán)重，銹脹力導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)細(xì)小的裂縫，一旦受力，這些內(nèi)部細(xì)小的裂縫迅速發(fā)展，從而改變了正常的工字鋼與混凝土之間的受力分配，出現(xiàn)了寬度達(dá)到2 cm左右的縱向裂縫。

3 鋼拱架銹蝕下梁抗彎承載力數(shù)值模擬

為了檢驗(yàn)銹蝕梁抗彎試驗(yàn)的結(jié)果，并進(jìn)一步理解銹蝕梁破壞后工字鋼混凝土內(nèi)部應(yīng)力的分布，本文用數(shù)值計(jì)算的方法，對(duì)不同銹蝕率下的梁抗彎承載力進(jìn)行模擬。

3.1 模型建立

3.1.1 材料選取

數(shù)值模擬所賦予的參數(shù)均與試驗(yàn)材料參數(shù)相同。

1)工字鋼材料。工字鋼采用多折線型隨動(dòng)強(qiáng)化模型(MKIN)，單軸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用多折線型，屈服準(zhǔn)則為Mises準(zhǔn)則，材料的主要輸入?yún)?shù)見表3。

2)混凝土材料。混凝土的單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用Kent-Park模型，具體參數(shù)見表 3。

表3 模型材料參數(shù)

3.1.2 單元類型

工字鋼采用Solid 45單元模擬，混凝土采用Solid 65單元模擬。整個(gè)構(gòu)件采用三維實(shí)體建模方式，工字鋼和混凝土之間的黏結(jié)用節(jié)點(diǎn)的非線性彈簧單元模擬，每個(gè)節(jié)點(diǎn)由法向、縱向切向和橫向切向3個(gè)不同F(xiàn)-D(力-距離)曲線的Combination 39單元表示，不同的銹蝕率采用不同的F-D曲線，模型見圖8和圖9。

作為“非遺”的雕刻藝術(shù)，它與中國(guó)傳統(tǒng)繪畫藝術(shù)之間的關(guān)系，也許還可以從其它更多的角度加以探討。但是，我們單就文化同源、理念相近的角度就已經(jīng)可以做出合理的推斷，它們二者之間的姻緣關(guān)系都是建立在民族文化大環(huán)境的基礎(chǔ)之上的。作為同屬于中華民族文化大家庭中的一分子，它們二者之間所共有的文化基因，即便隨著時(shí)間的推移也無(wú)法遭到否定與質(zhì)疑。

圖8 工字鋼混凝土實(shí)體模型

圖9中，每個(gè)重合節(jié)點(diǎn)(工字鋼單元和混凝土單元)有3個(gè)方向不同的黏結(jié)彈簧單元，用來(lái)分別描述3個(gè)方向上的黏結(jié)性能。

3.1.3 模型尺寸及邊界條件

計(jì)算模型的尺寸完全和試驗(yàn)的構(gòu)件尺寸相同，斷面為20 cm×20 cm，長(zhǎng)度為160 cm。采用簡(jiǎn)支梁加載模式，加載點(diǎn)在梁的跨中，兩端設(shè)置豎向Uy方向的約束，如圖10所示。

圖10 梁加載模型

3.1.4 工況說(shuō)明

初期支護(hù)中，鋼拱架與混凝土黏結(jié)退化一般表達(dá)式為：

(3)

(4)

式中S為滑移量，mm。

通電試驗(yàn)前已將混凝土梁放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaCl溶液中浸泡7 d，保證不同位置銹蝕程度接近相同，數(shù)模模擬時(shí)假定型鋼均勻銹蝕。根據(jù)試驗(yàn)中實(shí)際所得銹蝕率0%、0.52%、1.04%、1.47%、2.21%、2.94%設(shè)置6個(gè)工況，計(jì)算得到對(duì)應(yīng)黏結(jié)強(qiáng)度影響系數(shù)為0.990、0.989、0.987、0.985、0.980、0.974。根據(jù)不同工況，分別對(duì)Combination 39設(shè)置不同的F-D曲線。

3.2 計(jì)算結(jié)果及分析

3.2.1 試件內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變隨銹蝕率的變化

從前面的試驗(yàn)了解到，隨著銹蝕率的增大，工字鋼與混凝土之間的黏結(jié)性能會(huì)下降，這影響了工字鋼與混凝土之間的整體受力，從而導(dǎo)致工字鋼沒(méi)有發(fā)揮其受拉優(yōu)勢(shì)而使混凝土過(guò)早承受較大的拉應(yīng)力，進(jìn)而引起裂縫。荷載為50 kN時(shí)，各銹蝕率試件的受拉區(qū)工字鋼、混凝土的應(yīng)力、應(yīng)變對(duì)比見表4—5和圖11—12。其中，應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)來(lái)源于工字鋼底部、混凝土梁底。

表4 荷載50 kN時(shí)各試件受拉區(qū)應(yīng)力對(duì)比

由表4、表5和圖11、圖12可知，隨著銹蝕率的增大，工字鋼受拉區(qū)的應(yīng)力和應(yīng)變先有小幅的增大，然后開始逐漸下降，銹蝕率從0%增大到0.52%工字鋼拉應(yīng)力增大了0.87 kPa，銹蝕率從0.52%每增大1%工字鋼拉應(yīng)力減小2.65 kPa；對(duì)應(yīng)的混凝土受拉區(qū)應(yīng)力和應(yīng)變先有小幅減小，然后開始逐步上升，銹蝕率從0%增大到0.52%混凝土拉應(yīng)力減小了0.27 kPa，銹蝕率從0.52%每增大1%混凝土拉應(yīng)力增大了1.46 kPa。根據(jù)這些變化規(guī)律，可以推斷出：

1)工字鋼的應(yīng)力、應(yīng)變曲線趨勢(shì)與混凝土的剛好相反，工字鋼大體減小，混凝土大體增加。這說(shuō)明銹蝕率的增大，影響了混凝土與工字鋼之間荷載的傳遞作用。混凝土的應(yīng)力、應(yīng)變?cè)龃螅褪且驗(yàn)榛炷僚c工字鋼表面的黏結(jié)強(qiáng)度減弱導(dǎo)致工字鋼分擔(dān)的荷載變小，混凝土不得不多分擔(dān)荷載。這也說(shuō)明了銹蝕率越大，混凝土越容易發(fā)生破壞。

2)在銹蝕率較小的時(shí)候，銹蝕作用增加了工字鋼與混凝土之間的摩擦力，導(dǎo)致黏結(jié)強(qiáng)度增大，混凝土與工字鋼之間的荷載傳遞增強(qiáng)；隨著銹蝕率進(jìn)一步增大，工字鋼與混凝土之間的化學(xué)膠著力發(fā)生破壞，黏結(jié)強(qiáng)度降低，混凝土與工字鋼之間的荷載傳遞作用減弱，工字鋼分擔(dān)的荷載減少，混凝土承擔(dān)更多的荷載。

表5 荷載50 kN時(shí)各試件受拉區(qū)應(yīng)變對(duì)比

(a) 工字鋼受拉區(qū)應(yīng)力

(b) 混凝土受拉區(qū)應(yīng)力

3.2.2 抗彎承載力

表6和圖13示出了計(jì)算得到的梁破壞荷載與試驗(yàn)破壞荷載對(duì)比結(jié)果，計(jì)算破壞荷載要比試驗(yàn)破壞荷載稍大，原因在于計(jì)算時(shí)建模沒(méi)考慮銹蝕銹脹導(dǎo)致梁的裂縫發(fā)生。

(a) 工字鋼受拉區(qū)應(yīng)變

(b) 混凝土受拉區(qū)應(yīng)變

表6 試件抗彎承載力計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖13 試件抗彎承載力計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論與討論

本文通過(guò)試驗(yàn)與數(shù)值模擬的方法，研究了鋼拱架銹蝕下初期支護(hù)抗彎承載力變化情況，得到了以下主要結(jié)論：

1)銹蝕后的工字鋼混凝土梁抗彎承載力隨銹蝕率增加而減小，在試驗(yàn)設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，銹蝕率每增高1%，抗彎承載力平均下降5.1 kN。

2)不同銹蝕率下，試驗(yàn)梁的破壞形式不相同。未銹蝕的梁，工字鋼與混凝土之間的黏結(jié)未被破壞只有1條較寬的裂縫；銹蝕率ρ≤1.5%的梁，銹蝕破壞了工字鋼與混凝土之間的黏結(jié)，破壞形態(tài)就多了數(shù)條較寬的裂縫；銹蝕率ρ>1.5%的梁銹蝕嚴(yán)重，導(dǎo)致工字鋼與混凝土之間的黏結(jié)破壞程度嚴(yán)重，控制破壞的形式是縱向裂縫。

3)隨著銹蝕率增大，混凝土受拉區(qū)應(yīng)力、應(yīng)變先減小后增大；反之，工字鋼受拉區(qū)應(yīng)力、應(yīng)變先增大后減小。

4)隨著銹蝕率增大，工字鋼與混凝土之間黏結(jié)強(qiáng)度降低，混凝土與工字鋼之間的荷載傳遞作用減弱，工字鋼分擔(dān)的荷載減少，混凝土承擔(dān)更多的荷載。

本文所研究的僅為鋼拱架銹蝕下，梁抗彎承載力隨銹蝕率的變化規(guī)律，忽略了圍巖對(duì)初期支護(hù)的約束作用。工程中，隧道初期支護(hù)承載是隧道圍巖與初期支護(hù)共同承載、協(xié)調(diào)變形的，本文研究中沒(méi)有考慮初期支護(hù)受圍巖的限制；試驗(yàn)所采用的為直梁，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)為拱形承載結(jié)構(gòu)；因此，后續(xù)研究建議試驗(yàn)拱形梁抗彎承載能力隨銹蝕率的變化，并考慮圍巖與初期支護(hù)的協(xié)調(diào)變形進(jìn)行模型試驗(yàn)。