栓钉锈蚀与抗剪承载力试验研究*

2013-06-19 05:14匡亚川余志武龚匡晖石卫华
关键词:栓钉钢梁抗剪

匡亚川 余志武 龚匡晖 石卫华

(中南大学土木工程学院 长沙 410075)

0 引 言

钢-混凝土组合结构是在钢结构和钢筋混凝土结构基础上发展起来的一种新型结构,它通过某种方式将钢和混凝土有效的结合起来,充分利用钢材的抗拉性能和混凝土的抗压性能[1-2].同钢结构相比,可以节省用钢量、增大刚度、增强结构抗火性等;同混凝土结构相比可以减轻自重、减小地震作用的影响、减小结构尺寸、增加有效使用空间等.钢-混凝土组合结构适合我国基本建设的国情,具有显著的技术经济效益和广泛的应用前景[3].钢-混凝土组合结构在工业厂房、高层建筑、桥梁结构、组合加固、港口工程、地下工程等领域具有广阔的应用前景[4].

组合结构主要指钢-混凝土组合梁(板)、钢骨混凝土、钢管混凝土以及它们延伸形式的其他承重组合构件、钢-混凝土组合体系.钢-混凝土组合梁具有截面高度小、自重轻、强度高、刚度大、跨越能力大、便于施工等特点,是高层建筑和大跨桥梁中的重要结构构件.钢-混凝土组合梁是一种新型的承重构件,混凝土板与钢梁之间通过抗剪连接件(一般使用栓钉)连接.栓钉剪力连接件是保证钢梁与混凝土翼缘共同工作的关键元件.发挥钢梁和混凝土板组合作用的栓钉直接埋在混凝土中,在车辆等反复荷载作用下,栓钉界面连接处可能出现裂缝,导致混凝土与钢梁界面的粘结作用丧失,形成界面裂缝.腐蚀介质从界面裂缝侵入,从而造成栓钉锈蚀,降低栓钉的抗剪性能,引起钢梁和混凝土翼缘组合作用的弱化,甚至完全丧失组合作用.因此,栓钉锈蚀是造成钢-混凝土组合梁性能退化的一个重要原因.目前,研究组合结构耐久性退化的试验方法大体可分为两大类:真实试验法和模拟试验法[5].利用真实试验法所测得数据一般都比较真实可靠,但往往需要几年、甚至几十年.因此,人工加速模拟试验法越来越受到国内外的重视[6-8].本文将通过恒电流加速模拟试验,研究栓钉锈蚀对其承载力的影响规律,为锈蚀栓钉连接件的性能研究提供理论基础。

1 栓钉的锈蚀机理及锈蚀率

1.1 栓钉的锈蚀机理

在钢-混凝土组合结构中,栓钉的锈蚀是影响服役结构耐久性的主要因素.组合结构的栓钉锈蚀一般为电化学锈蚀[9].二氧化碳和氯离子对混凝土本身都没有严重的破坏作用,但是这两种物质都是栓钉钝化膜破坏的最重要又最常遇到的环境介质.因此,组合结构中栓钉锈蚀机理主要有两种:即混凝土碳化和氯离子侵入.在组合结构使用寿命期间可能遇到的各种暴露条件下,氯化物是一种最危险的侵蚀介质,它的危害是多方面的.当混凝土中氯离子含量超过氯离子临界浓度时,栓钉表面的钝化膜就会遭到破坏,引起栓钉锈蚀.混凝土中氯离子的存在强化了离子通路,提高了混凝土的吸湿性,降低了阴阳极之间的欧姆电阻,提高了腐蚀电池的效率,从而加速了电化学腐蚀的过程.

室内通电快速锈蚀,实际上是利用电能加速电解栓钉的过程.通电时不锈钢板上发生阴极反应,栓钉发生阳极反应.阳极的栓钉锈蚀较为均匀,铁被氧化成亚铁离子,释放出电子.在阴极,电子和氧气和水结合,生成氢氧根离子.化学反应方程式为

直流电源从阳级不断汲取电子,并往阴极不断输送电子,这就是电流引起栓钉快速锈蚀的原因所在.混凝土中的氯离子在反应过程中没有被消耗,通过施加直流电加速混凝土中的离子和电子的流动,缩短氯离子进入混凝土中并达到栓钉表面的时间,加快离子之间的反应速度,从而加速栓钉的锈蚀.通过控制电流密度和通电时间,可以得到预定锈蚀率的栓钉.

1.2 栓钉锈蚀方法及锈蚀率

试验采用恒电流方法进行推出试件内的栓钉剪力件的快速锈蚀.加速锈蚀栓钉的具体做法为:将养护到龄期的试件泡入氯化钠溶液中若干天后,将连接栓钉的导线与恒定直流电源的正极相连,外置的不锈钢板(泡入氯化钠溶液中)与恒定直流电源的负极相连,通过氯化钠溶液形成回路,使阳极的栓钉锈蚀[10].根据通电时间和电流密度,利用法拉第定律较准确的算出栓钉的锈蚀率.

法拉第定律可以表述为:电池中电极上发生化学变化的物质的量与通过该电极的电量成正比.若通过指定电极的电量为Q,相应发生化学变化的物质的量为n,则[11]

式中:比例系数F 为法拉第常数.若在阳极区通过的阳极电流密度值为i,则单位面积的阳极区上单位时间内被腐蚀的栓钉的质量为

式中:W 为阳极区单位面积上栓钉的质量损失平均速度;M 为金属的相对分子质量或相对原子质量;t为通电时间.若栓钉的质量为m,截面面积为A,腐蚀电流大小为I,则在t时间内栓钉腐蚀的质量损失m损为[12]

利用式(4)、(5)和(6)可得

通过控制直流电流的大小,结合式(7)可计算出栓钉达到不同锈蚀率所需的能电时间t.

2 锈蚀栓钉的抗剪承载力试验

2.1 试件制作

共设计了7 个推出试件T0~T6,试件基本情况见表1,试件基本尺寸见图1.工字钢的型号为25a,工字钢上每边各焊一个栓钉,栓钉规格为直径16×70mm.钢梁两边的混凝土翼缘板内均配有4根直径10mm 纵筋,2道直径10mm 箍筋.通电时,推出试件T1,T2,T3和T4中仅栓钉锈蚀,其预计锈蚀率分别为4%,8%,12%,16%;为防止钢梁和钢筋锈蚀,试验前在钢梁和钢筋表面刷上了一层防锈漆.T5和T6通电时钢梁和栓钉均锈蚀,其中栓钉预计锈蚀率分别为8%,12%.

表1 试件基本情况

图1 推出试件尺寸及配筋

2.2 试验方法

试件在中南大学土木工程学院试验室成型养护后,将试件T1~T6 浸泡在5%的NaCl溶液中,7d后进行通电锈蚀试验.浸泡前测得混凝土的立方体抗压强度为42.74 MPa.为了避免通电流加速锈蚀过程中锈蚀产物从裂缝处大量渗出溶于溶液,通电时试件没有浸泡在NaCl溶液中,而是采用海绵湿润法.通电前,将浸泡后的试件从NaCl溶液取出,在混凝土翼缘板表面置一不锈钢板,将不锈钢板与直流电源的负极相连,栓钉导出的导线与电源正极相连,形成电解池,如图2 所示.钢板与混凝土板之间铺一层细沙,用以保证电流流通顺畅.不锈钢板上置一厚海绵(海绵预先吸收较多NaCl溶液),并定期在海绵上浇NaCl溶液,使海绵和试件保持湿润.细沙的作用是使混凝土板与不锈钢板充分接触(混凝土板表面凹凸不平),保证电流的流通[13].试件的通电强度预先设定,在通电期间需校正,以保持恒定的电流强度,通电时间根据法拉第定律计算,其结果见表1.图3为通电锈蚀试验试件.通电锈蚀以后,进行推出试验,图4为加载示意图和试验装置.

图2 推出试件通电加速锈蚀示意图

图3 通电锈蚀试件

图4 推出试验装置

3 试验结果及分析

3.1 破坏形状

试验加载前在推出试件的两混凝土板下面铺一层细沙,保证试件平整.加载方式为单调分级加载.加载时工字钢将大部分荷载传递给栓钉,另外一部分荷载以摩擦力的形式直接传递给混凝土板.栓钉根部下面的混凝土,在高应力作用下发生变形,使工字钢与混凝土之间发生相对变形.由于试件中栓钉强度相对较低,所有试件表现为栓钉剪断破坏,栓钉从根部被剪断,如图5所示.试件破坏时出现较大的响声.

图5 推出试件破坏形态

3.2 抗剪承载力

图6为试件的承载力与通电锈蚀时间曲线.从图中可以看出:随着通电时间的增大,栓钉的锈蚀率增大,试件的承载力呈下降的趋势.试件T2,T3的通电时间分别与试件T5,T6的通电时间相同,试件T2和T3的承载力分别为242.3kN 和204.3kN,试件L5 和L6 承载力分别为270.4 kN 和235.7kN.试件T5承载力比试件T2大,试件T6承载力比试件T3 大.这是由于在试件T2,T3的钢梁和钢筋表面都刷了防锈漆,因此在通电时间相同的情况下,末刷防锈漆的试件T5,T6的锈蚀比试件T2,T3严重,而栓钉的锈蚀则不如T2,T3,因此承载力有所提高.

图6 试件承载力与通电锈蚀时间曲线

加静载破坏后,敲开混凝土,取出栓钉并酸洗去锈,测量栓钉的剩余直径,计算栓钉的截面积损失率,取两个栓钉锈蚀率的平均值作为该试件栓钉的实际锈蚀率,计算结果见表2.

表2 栓钉抗剪承载力及实际锈蚀率

3.3 荷载-滑移曲线

为测得试件的荷载-滑移曲线,在试件栓钉所在的平面上安装百分表,每个试件4 个,对称布置,如图7所示,取4个百分表的平均值作为其滑移值.图8为试件T0~T4的荷载-滑移曲线.从图可以看出,荷载达到120kN 前,T0~T4 的荷载-滑移曲线基本相同,滑移值较小且基本成直线增长.荷载达到120kN 后,末锈蚀试件T0的荷载和滑移继续保持较快增长,锈蚀试件T1~T4的荷载增幅变小,而滑移增幅变大,曲线变得较为平缓.随着栓钉锈蚀率的增大,试件的荷载-滑移曲线变得越来越平缓,即在荷载相同时,相对滑移变大.这表明随着栓钉锈蚀率的增加,其屈服荷载变小,推出试件的相对滑移值增大.

图7 百分表布置图

图8 T0~T4的荷载-滑移曲线

3.4 栓钉锈蚀后抗剪承载力的计算型

图9为锈蚀栓钉抗剪承载力拟合曲线,根据拟合曲线得到锈蚀栓钉的抗剪承载力退化规律为

图9 锈蚀栓钉抗剪承载力拟合曲线

则,锈蚀栓钉的抗剪承载力为

4 结 论

1)随着通电时间的增大,栓钉的锈蚀率增大,其抗剪承载力降低.

2)在通电量相同的情况下,末刷防锈漆的推出试件中的钢梁锈蚀严重,栓钉的锈蚀降低,其承载力比较涂刷了防锈漆的试件高.

3)随着栓钉锈蚀率的增大,荷载-滑移曲线变得越来越平缓,即在荷载相同时,相对滑移增大.这表明随着栓钉锈蚀率的增加,其屈服荷载变小,推出试件的相对滑移值增大.

4)栓钉锈蚀后,其抗剪承载力可通过引入降低系数k进行计算.

[1]李 惠.高强混凝土及其组合结构[M].北京:科学出版社,2004.

[2]聂建国,刘 明,叶列平.钢-混凝土组合结构[M].北京:中国建筑工业出版社,2005.

[3]金伟良,赵羽习.锈蚀钢筋混凝土梁抗弯强度的试验研究[J].工业建筑,2001,31(5):9-11.

[4]聂建国,余志武.钢-混凝土组合梁在我国的研究及应用[J].土木工程学报,1999,32(2):3-8.

[5]李 果,戴靠山,袁迎曙.钢筋混凝土耐久性试验方法研究[J].淮海工学院学报,2002,11(3):56-59.

[6]耿 欧,袁迎曙,李 果.钢筋混凝土耐久性人工气候加速退化试验的相关性研究[J].混凝土,2004(1):29-31.

[7]LI C Q.Initation of chloride-induced reinforcement corrosion in concrete structural members-experimentation[J].ACI Structural Journal,2001,98(4):502-510.

[8]袁迎曙,章鑫森,姬永生.人工气候与恒电流通电法加速锈蚀钢筋混凝土梁的结构性能比较研究[J].土木工程学报,2006,39(3):42-46.

[9]金伟良,赵羽习.混凝土结构耐久性[M].北京:科学出版社,2002.

[10]吴 庆,章鑫森.通电锈蚀钢筋砼梁结构性能退化的试验研究[J].安徽理工大学学报:自然科学版,2004,24(4):16-19.

[11]仲伟秋,贡金鑫.钢筋电化学快速锈蚀试验控制方法[J].建筑技术开发,2002,29(4):28-29,67.

[12]余志武,匡亚川,龚匡晖,等.加速锈蚀钢-混凝土组合梁的性能试验研究[J].铁道科学与工程学报,2010,7(3):1-5.

[13]龚匡晖.氯离子作用下钢-混凝土组合梁的耐久性研究[D].长沙:中南大学,2009.

猜你喜欢
栓钉钢梁抗剪
钢- 混组合结构栓钉剪力连接件综述
钢-混凝土组合梁V型栓钉连接件抗剪承载力研究
锈蚀栓钉钢-混凝土组合梁的疲劳寿命预测模型
预应力CFRP加固钢梁抗弯性能的研究进展
配合比对三合土抗剪强度影响的试验研究
栓钉连接件抗剪性能试验研究
一种建筑钢结构用便于安装的钢梁
枝城长江大桥钢梁锈蚀调查及防护措施研究
槽和黏层油对沥青混合料层间抗剪性能的影响
PVA-ECC抗剪加固带悬臂RC梁承载力计算研究