銹蝕腳手架鋼管軸壓穩定性試驗研究

　　摘 要：為研究銹蝕對扣件式腳手架體系中鋼管立桿穩定性的影響，通過對不同銹蝕齡期的鋼管進行表面形貌測試，分析了銹蝕對鋼管內外壁表面形貌的影響;通過銹蝕鋼管材料單調拉伸試驗，探討了銹蝕條件下鋼材力學性能退化規律;基于銹蝕鋼管的軸心受壓試驗結果提出了銹蝕鋼管立桿穩定性的計算模型。研究結果表明：隨著鋼管失重率的增加，鋼管表面坑蝕分布由獨立蝕坑向潰瘍狀蝕坑群發展，外壁坑蝕率、算術平均高度和均方根高度均不同程度的高于鋼管內壁;銹蝕鋼材表面隨機分布、大小不一的蝕坑會導致鋼材強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，銹蝕鋼管的極限荷載隨失重率的增加線性下降，峰值荷載對應軸向位移值逐漸降低。

　　本文源自土木與環境工程學報(中英文) 2021-02-01《土木與環境工程學報(中英文)》創刊于1957年，是由中華人民共和國教育部主管、重慶大學主辦的專業性學術刊物。據2020年4月《土木與環境工程學報(中英文)》官網顯示，該刊第十一屆編委會有委員66名。

　　關鍵詞：扣件式腳手架;銹蝕鋼管;表面形貌;材料力學性能;軸心受壓

　　由于施工便利、循環性高等優點，扣件式鋼管腳手架在實際工程中得到了普遍應用[1]。近年來，建筑施工過程中腳手架倒塌事故頻發，造成大量人員傷亡和巨額財產損失[2-4]。長期反復使用過程中的鋼管銹蝕會導致鋼管承載能力的降低，是誘發腳手架體系倒塌的重要原因之一。

　　在銹蝕對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果，認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]對海水銹蝕條件下鋼管樁三維表面形貌進行測試，分析了不同海水銹蝕條件對表面形貌參數的影響。王友德等[7]建立了銹蝕深度隨機場模型和蝕坑隨機分布模型，實現了一般大氣環境鋼結構表面特征的準確模擬。基于銹蝕鋼材表面形貌逆向建模的有限元模擬可以準確分析不同銹蝕程度鋼構件力學性能[8-9]。為減小數值計算成本， Chun 等[10]基于鋼材表面形貌特征，利用卷積神經網絡對鋼材有效厚度進行預測，采用有限單元法對鋼材強度進行計算。

　　對于鋼管的軸壓承載性能，學者們開展了大量研究工作[11-13]。考慮復雜環境下鋼管的銹蝕現象， Cinitha 等[14-15]研究了銹蝕和高溫共同作用對鋼管構件破壞模式、承載能力的影響規律，認為銹蝕會導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]以銹蝕區域深度、長度、寬度等參數表征了鋼管局部銹蝕損傷，借助數值模擬研究了局部銹蝕鋼管構件的軸壓力學行為，結果表明，銹蝕嚴重部位會產生鋼管局部屈曲，從而影響鋼管的承載能力。宋鋼[17]對比了室外酸性鹽霧周期噴淋和自然銹蝕鋼管構件表面形貌以及成分，認為加速銹蝕試驗能夠重現鋼材在自然環境下的銹蝕情況，并通過鋼管軸心受壓試驗研究了鋼管失重率對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，研究了鋼管構件外壁局部銹蝕對鋼管軸壓承載力的影響。吳兆旗等[19]采用正交試驗法研究了近海大氣環境下局部銹蝕參數對圓鋼管軸壓柱力學性能的影響，并提出了局部銹蝕圓鋼管軸壓承載力的計算公式。

　　目前來看，銹蝕鋼管軸壓力學性能方面已取得了一定的成果。但由于腐蝕環境的不同，鋼管構件內、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;現有成果研究對象大多為長細比較小的鋼管，其研究成果是否適用于長細比較大的腳手架鋼管體系尚需進行深入的研究。筆者通過腳手架鋼管加速銹蝕后的鋼材力學性能與表面形貌測試、軸心受壓試驗，分析腳手架鋼管內、外壁銹蝕形貌演化差異及其對鋼材力學性能的影響規律，建立銹蝕鋼管軸壓承載性能的計算模型。

　　1 試驗概況

　　1.1 鋼管加速銹蝕試驗

　　參照《建筑施工扣件式腳手架安全技術規范》(JGJ 130—2011)中相關規定，試驗采用鋼管規格為 Φ48mm×3.5 mm，長度 1.2 m，鋼材牌號為 Q235B。試驗按照《金屬和合金的腐蝕 戶外周期噴淋暴露試驗方法》(GB/T 24517—2009)中要求，采用質量分數為 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試件進行間斷噴淋，每隔 2 d 翻動一次試件，以確保試件處于干濕交替環境且銹蝕均勻。加速銹蝕試驗過程如圖 1所示。

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

　　(1)式中：m0 為試件銹蝕前質量，kg;m 為試件銹蝕后質量，kg。

　　1.2 鋼管表面銹蝕形貌測試及材性試驗

　　對銹蝕鋼管進行切割加工，制作用于表面銹蝕形貌量測及材料力學性能的試件，試件尺寸見圖 2，用于表面形貌測量的區域為 60 mm×8 mm。鋼管表面形貌測試所用儀器為美國 NANOVEA 公司 ST400 型非接觸式光學輪廓儀，該儀器通過其超靈敏探測器系統接收到樣品表面反射出不同波長的漫反射光，根據準共聚焦原理得到測點距離透鏡的垂直距離，再通過點掃描的方式以 S 路徑獲得鋼管三維表面形貌特征。通過 Professional 3D 軟件對掃描所得三維形貌進行后處理以獲取鋼管表面特征參數。參照《金屬材料拉伸試驗 第一部分：室溫試驗方法》(GB/T 228.1—2010)中相關規定，在 DNS300 型電子萬能試驗機上進行鋼管材性試件的單調拉伸試驗，加載過程中控制位移速率，試驗過程中系統自動對數據進行采集，試驗結束后對試件變形進行量測。

　　1.3 鋼管立桿軸心受壓試驗

　　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，當試件加載至荷載下降至峰值荷載的 80%時終止試驗。為獲得加載過程中鋼管的軸向變形與側向變形，在試件中部截面外表面沿軸向均勻布置 8 組應變片，在試件加載端布置 2 個側向位移計及 1 個豎向位移計，在試件中部沿周長均勻布置 4 個側向位移計。試驗裝置及測點布置如圖 3 所示。

　　2 試驗結果分析

　　2.1 銹蝕鋼管表面形貌圖 4 為不同銹蝕時間鋼管試件內外壁表面形貌云圖。云圖左側及下側標注有掃描區域尺寸;右側為云圖標尺，反映表面高度，單位為 μm。由圖 4 可知：當銹蝕時間較短時，鋼管表面整體較為平整，散布有相互獨立的小體積蝕坑;隨著銹蝕時間的增加，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，表面形貌起伏波動越來越大。由于腐蝕微環境存在一定的差異，鋼管外壁蝕坑發展強于鋼管內壁，且隨著銹蝕時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、算術平均高度 Sa、均方根高度 Sq 和最大高度 Sz 等評價指標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見表2。由表2可知：

　　1)隨著銹蝕時間的增長，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 表示掃描區域銹坑體積與包圍銹坑的最小長方體的比值。鋼管內、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。其中，外壁坑蝕率高于內壁，外壁坑蝕率增長速率較為穩定，而鋼管內壁在 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物在表面形成致密保護層，隨著銹蝕時間的進一步增加，致密銹蝕產物逐漸分解剝落，銹蝕作用在坑蝕區域進一步發展，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物更易剝落，并未明顯體現出銹蝕層對鋼材表面的保護作用。

　　3)表面最大高差 Sz 僅體現表面最高點與最低點間高度差，由于其采樣特性導致數據離散性相對較大。

　　4)表面算數平均高度 Sa 和均方根高度 Sq，可一定程度上反映采樣區域試件的粗糙程度，數值越小則平面越光滑。隨著失重率的增加，Sa、Sq 值整體呈現上漲趨勢，表明試樣表面起伏波動更大。當失重率較小時，內、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 銹蝕鋼管材料力學性能

　　通過不同銹蝕時間鋼管試件的單調拉伸試驗，得到鋼管試件的力學性能參數見表 3，試件力學性能隨失重率增加的衰減規律見圖 5。對于不同失重率的試樣，在拉伸過程中均出現了頸縮現象，隨著銹蝕率的增加，鋼材的極限強度 fu、屈服強度 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;這主要是因為局部銹蝕會在鋼材表面形成大小不一且隨機分布的銹坑，并且蝕坑體積隨著銹蝕程度的增加而增加。在軸向拉伸時銹坑周圍會產生應力集中現象，在坑蝕處過早的產生裂縫，隨著裂縫進一步的發展，最終導致了鋼管材料強度和延性隨失重率增加而逐漸下降。

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

　　2.3 銹蝕鋼管軸心受壓試驗結果

　　2.3.1 試驗現象

　　試驗中不同銹蝕齡期鋼管的軸心受壓破壞形態主要表現為整體彎曲失穩，曲率最大點均處于鋼管中段。在加載初期鋼管試件側向位移很小，鋼管形態無明顯變化;隨著進一步加載，鋼管開始表現出彎曲形態，此時對應軸向荷載值約為峰值荷載的 30%~40%，隨后鋼管撓度緩慢發展;當軸向荷載增加至峰值荷載的 75%~90%時，鋼管側向位移變形加劇，鋼管呈現明顯彎曲變形狀態;軸向荷載在達到峰值后迅速下降，鋼管整體失穩喪失承載能力。試驗現象及破壞后試樣形態如圖 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–側向位移曲線與荷載–豎向位移曲線。其中，側向位移為中部各方向側向位移通過三角函數關系換算得到的跨中最大位移，在加載中后期位移計端頭滑出導致部分側向位移采集不完整，分析其前期規律可知，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，試件進入彈塑性階段，荷載增長不大而豎向位移迅速增長，對于體系中長細比較大的腳手架鋼管，這一階段非常短暫;荷載達到峰值后，試件進入破壞階段，豎向位移迅速增長而荷載急劇下降，此時鋼管迅速失去承載能力，試件發生整體失穩破壞。對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，且峰值荷載對應的豎向位移越小。

　　2.3.4 極限承載力劣化規律

　　試件極限承載力 Pu與失重率關系如圖 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，極限承載力降幅達到了 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;二是銹蝕導致鋼材力學性能下降;三是由于腐蝕微環境存在差異，橫截面各點銹蝕會有一定的差別，導致鋼管均勻性下降，鋼管試件更易產生失穩破壞。

　　2.3.5 銹蝕鋼管軸壓承載力計算模型

　　在《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范》(JGJ 130—2011)(以下簡稱規范)中，鋼管立桿穩定性按照式(3)進行驗算。

　　(3)式中：N 為立桿軸向力設計值，N;φ 為軸心受壓構件的穩定性系數;A 為鋼管截面面積，mm2;f 為鋼材強度設計值，N/mm2。

　　鋼管立桿銹蝕主要包括均勻銹蝕與局部銹蝕。均勻銹蝕會導致鋼管壁厚減小，改變鋼管幾何參數。以失重率描述鋼管銹蝕程度，發現局部銹蝕程度逐漸增強，進而造成鋼材性能退化。因此，銹蝕后鋼管立桿穩定性系數 φ、鋼管截面面積 A 和鋼材強度 f 均會呈現不同程度劣化，造成鋼管立桿極限承載能力的降低。實際工程中，由于銹蝕的不均勻性，截面損傷較難準確測量，加上銹蝕鋼材力學性能試驗存在一定難度，建議實際工程銹蝕腳手架體系承載力計算時，不對式(3)中的 3 個參數調整，而直接截取一段鋼管稱重計算鋼管失重率，并通過銹蝕影響系數 K 進行銹蝕鋼管軸壓承載力的計算，計算公式見式(4)。

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

　　3 結論

　　對銹蝕鋼管立桿開展了表面形貌測試、材料性能試驗、軸心受壓試驗，研究了鋼管內外壁形貌特征、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定性的計算公式，得到以下主要結論：

　　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，分布方式也由獨立蝕坑向潰瘍狀蝕坑群發展;鋼管外壁蝕坑體積、粗糙程度均強于鋼管內壁。

　　2)銹蝕導致鋼材強度與塑性變形能力下降。相比于強度降低，銹蝕對鋼材塑性變形能力的影響更嚴重。

　　3)不同銹蝕程度的鋼管軸壓破壞模式均為整體彎曲失穩。隨著失重率 ηw 的增加，極限荷載 Pu 線性下降，同時峰值荷載點對應軸向位移值逐漸降低。鋼管失重率 ηw由 0%增加到 14.61%時，極限承載力降幅為 19.81%。

　　4)通過試驗結果分析，提出了銹蝕鋼管立桿穩定性的計算公式。在工程中，通過測定鋼管失重率便可利用公式對銹蝕鋼管立桿穩定性進行驗算。