冻融-腐蚀复杂环境下圆钢管混凝土轴压性能试验研究

高 山，张开元，李捷奇，许有纯，王永刚

(1.西京学院 陕西省混凝土结构安全与耐久性重点实验室，陕西 西安 710123； 2.重庆大学 土木工程博士后流动站，重庆 400045)

在钢管中内填混凝土而形成的钢管混凝土(CFST)具有承载力高、延性好和施工方便等优点[1-2]。在海岸建筑(offshore structure)中钢管混凝土也得到了广泛应用，如桥梁、塔架及其他民用建筑，此时钢管可以保护混凝土免于直接承受如冻融循环等复杂环境的影响，而混凝土的存在可以一定程度上缓解海洋酸性环境(海水及海洋大气)引起的钢材腐蚀而导致的结构性能劣化[3-4]。

在酸性腐蚀方面，Han等[5-7]进行了一系列关于圆形及方形截面钢管混凝土在腐蚀和荷载同时作用下的受力性能研究，推导了相应的承载力计算公式；王庆利等[8]针对持载-腐蚀耦合作用下圆钢管混凝土柱力学性能进行了研究，结果表明持载等级和浸入程度的对其力学性能的影响十分明显；陈梦成等[9]进行了酸雨腐蚀下圆钢管混凝土短柱的轴压性能，并给出了相应的承载力预测公式。

在冻融循环方面，Yang等[10-11]进行了钢管混凝土短柱在冻融循环作用后的轴压力学试验，并建立了可靠的有限元分析模型；沈小盛等[12]在试验结果的基础上提出了圆钢管混凝土经冻融循环后的轴压承载力计算公式。

目前针对酸性溶液腐蚀和冻融循环下钢管混凝土性能研究均分别取得了一定的成果，但针对高海拔沿海地区复杂环境作用下，即盐雾-冻融共同作用下的钢管混凝土性能研究尚处于空白阶段。本试验采用盐雾腐蚀的方式来模拟海洋大气环境，对不同腐蚀程度和冻融循环次数下的圆钢管混凝土短柱进行单轴受压试验，研究高海拔沿海地区复杂环境作用下圆钢管混凝土短柱的轴压损伤破坏模式、承载力和刚度的变化。

1 试验概况

1.1 试件设计与制作

本次试验共设计了3组20个钢管混凝土试件，分别考虑了冻融循环次数NC(90次、180次和270次)和失重率DW(5%、10%和20%)两个参数。用来衡量材性试件的腐蚀程度的失重率Dw定义为：

Dw=(W0-W1)/W0

.

(1)

式中：W0，W1分别代表腐蚀前后试件的质量。

钢管外直径和长度为90 mm和270 mm，长细比L/D=3.0，钢管壁厚1.9 mm，截面含钢率约为10%，套箍系数约为1。具体试件设计参数见表1。其中，试件编号最后“1/2”代表一组同样参数下的两个试件，时间表示冻融循环或盐雾腐蚀所进行的天数。

表1 试件设计参数Table 1 Design parameters of specimens

1.2 试验设计

本文的试验分为单纯轴压、冻融-轴压、盐雾-轴压和冻融-盐雾-轴压等4种试验，冻融-轴压和盐雾-轴压试验均是先分别进行冻融循环和盐雾腐蚀后对试件进行轴压试验直至破坏，冻融-盐雾-轴压试验则是按照冻融循环-盐雾腐蚀-轴压加载的先后顺序进行。

1.2.1 冻融循环试验

本次冻融循环试验采用的是快速冻融试验机。参考GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法》中的相关方法，对试件进行冻融循环，试件芯温变化如图1所示。由于核心混凝土处于封闭状态，因此冻融循环中均未考虑混凝土动弹性模量和质量损失。每3天对将试件取出进行擦拭，保证外钢管不发生锈蚀，在各个冻融循环试验下均未发现外钢管有任何明显变形和开裂。

1.2.2 盐雾腐蚀试验

本次盐雾腐蚀试验采用盐雾腐蚀试验箱来模拟酸性大气环境。参考GB/T 10125-2012《人造气氛腐蚀试验 盐雾试验》中的相关方法，对盐雾试验溶液进行配置，具体方法为：在25℃±2℃的蒸馏水中溶解浓度为5%的NaCl，再加入适量的冰乙酸来将溶液的pH值保持在3.1～3.3范围内，以加快腐蚀速率。具体试验条件为：氯化钠溶液-5%(质量百分比)；溶液pH值3.1～3.3；试验室温度-50℃±1℃；饱和空气筒温度-63℃±1℃；盐雾状态时间-4h；干燥状态时间-4h。

1.2.3 轴压加载试验

腐蚀后的加载在5 000kN液压试验机上进行，试验采用分级加载制度，在达到85%Nu或曲线刚度出现明显软化之前，加载采用应力控制，速率为0.06MPa/s，荷载增量为5%Nu，每级加载完成后持荷观察现象并记录数据。荷载超过85%Nu或曲线刚度出现明显软化之后改为缓慢连续加载，加载采用应变控制，速率为6×10-6/s。当试件的压缩应变超过40×10-3或者荷载下降到0.7Nu后终止加载。

在试件正中间截面处沿圆周均匀布置4组应变片，每组包括相互垂直的纵向和横向应变片。同时在试件两侧对称布置纵向位移传感器，如图2所示。

1.3 材料性能试验

试件中核心C30等级混凝土的配合比为：水泥380 kg/m3，石子1 198 kg/m3，砂648 kg/m3，水185 kg/m3。试验测得边长为150 mm的C30等级混凝土轴心抗压强度平均值为24.9 MPa，采用150×150×300mm棱柱体试块测得混凝土的弹性模量为3.03×104MPa。按照GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》对经过腐蚀的Q345等级钢材进行拉伸试验。钢材的力学性能与失重率呈线性关系，如表2所示。

表2 钢材材性Table 2 Material properties of steel

2 试验结果及分析

2.1 试件变形及破坏形态

本次试验共进行了18个圆钢管混凝土在3种环境试验后的轴压试验以及2个轴压对比试验。试件的破坏形态如图3所示。

图3 试件破坏形态Fig.3 Failure modes of specimens

总体上来说，在加载初期，试件随着荷载的增加产生的变形很小，该阶段为试件的弹性阶段，当荷载达到极限荷载的60～70%左右时，外钢管表面开始残生滑移线，当荷载接近极限荷载时，试件发生混凝土破裂的响声，到达极限荷载后，试件的变形速率迅速增大，随着变形的增加钢管鼓曲明显增大直至试验停止。

如图3(b)-(d)所示，由于外钢管的保护，核心混凝土在冻融循环后的破坏模式并未发生明显改变，均为斜向的剪切破坏面，试件整体也呈现同样的破坏模式。盐雾腐蚀后，随着腐蚀程度的增加，试件的剪切破坏面倾角逐渐减小，有由剪切型破坏逐渐变为腰鼓型破坏的倾向，如图3(e)-(g)所示。而在冻融-盐雾循环后，外钢管和核心混凝土均受到不同程度的影响，虽然试件的破坏模式仍以斜截面剪切破坏为主，但外钢管出现了焊缝处撕裂，核心混凝土的剪切破坏也更为严重。但总体上来说，盐雾腐蚀和冻融循环对于钢管混凝土短柱轴压下的破坏模式影响并不明显。

2.2 荷载位移曲线

图4为不同工况下圆钢管混凝土柱在轴压荷载作用下的纵向荷载-位移曲线。总体上来说，随着环境工况作用程度的增加，圆钢管混凝土短柱的轴压峰值荷载和刚度都有不同程度的降低，峰值位移的变化则不大。冻融对曲线形状的改变并不明显，而盐雾和冻融-盐雾作用下，当失重率增加至20%时，曲线形状出现了明显改变，由之前的相对缓和的延性破坏，变为峰值荷载突降的脆性破坏，这是由于钢管削弱后套箍效应减弱引起的。

图4 纵向荷载位移曲线Fig.4 P-Δ curves

图5为峰值荷载与工况作用天数的关系，其中为了统一坐标，将冻融循环次数和失重率用天数来代替，三者的对应关系见表1。

图5 峰值荷载分析Fig.5 Peak load of the specimens under various conditions

总体上来说，3种环境工况下，峰值荷载与工况作用程度均呈线性降低关系。当冻融循环次数由0次增加至270次(45天)时，试件峰值荷载分别降低了7.1%、9.7%、13.9%。；当失重率从0增加至20%(45天)时，试件承载力分别降低了5.8%、10.4%、14.1%；当冻融-腐蚀共同作用下，随着作用程度的增加，试件峰值荷载分别降低了8.5%、12.8%、18.3%。可以看到，在冻融循环和盐雾腐蚀单独作用的影响效果相近的前提下，冻融-盐雾共同作用对钢管混凝土峰值荷载的影响要小于两者单独作用的叠加。

2.3 延性分析

将与峰值荷载相对应的位移定义为峰值位移Δu，将荷载下降到85%时对应的位移Δ0.85与峰值位移Δu的比值定义为试件的延性系数λ，作为判断试件延性的标准。图6为不同环境工况作用程度与试件延性的关系曲线，可见环境工况作用程度与峰值位移并无明显关系，峰值位移虽然会随着工况作用程度的改变而变化，但变化程度很小，最大相差不到1mm。而除270个冻融循环外，试件的延性系数总体上随着环境工况作用程度的增加而降低，这是由于冻融循环和盐雾腐蚀分别会加剧混凝土的脆性和钢管的局部屈曲。

图6 不同工况下的试件延性Fig.6 Ductility of the specimens under various conditions

2.4 约束效应

钢管混凝土试件名义截面强度N0定义分别为：

N0=fyAs+fcAc.

(2)

其中：fy和fc分别代表钢材和混凝土强度；As和Ac分别代表钢管和混凝土的面积。

将试件名义截面强度值N0与试验测得的轴压峰值荷载Nu进行对比，定义为约束系数，由此可得试件相对截面承载力的提高幅度，即约束效应的强弱，如表3和图7所示。由于冻融循环带来的核心混凝土损伤目前尚无有效方法进行测量，因此在名义截面强度值中采用的是未损伤的混凝土强度，因此冻融循环会对约束效应起到降低的作用，约束系数由1.25降低至1.09；在盐雾腐蚀下，由于考虑了钢材强度的改变，名义截面强度和试验测得的数值同时发生降低，约束系数较为稳定，在腐蚀程度较大时，约束系数反而由1.25增加至1.41；冻融-盐雾共同作用时，约束系数较单纯盐雾腐蚀下略有降低。可见虽然不同的环境因素会给造成外钢管和核心混凝土的强度劣化，但两者存在组合作用，可以有效的减弱由环境因素带来的性能劣化。

图7 约束效应分析Fig.7 Confinement effect analysis

表3 约束效应分析Table 3 Analysis of confinement effect

3 受压承载力简化公式

GB 50936-2014《钢管混凝土结构技术规范》中给出了关于圆形截面钢管混凝土短柱受压承载力计算公式[13-15]：

Nucal=(Ac+As)(1.212+Bξ+Cξ2)fc.

(3)

其中，ξ为套箍系数，B和C为与材料有关的系数。

采用式(3)计算得到的圆钢管混凝土短柱受压承载力为524 kN，与试验值吻合较好。在此基础上，首先采用文献[10]中提出的考虑冻融循环影响圆钢管混凝土短柱轴压承载力折减系数kft(见式4)对试验结果进行拟合，得到不同冻融循环次数下试件的承载力Nucal(NC)：

kft=1-0.0005NC.

(4)

其中：NC为冻融循环次数。

由表4可以看到，采用文献[10]所提出的折减系数和规范的承载力公式所得到的理论值与试验值吻合较好。

由图5可以看到，在盐雾腐蚀和冻融-盐雾作用下，试件承载力的降低与工况作用程度同样呈线性关系，因此基于式(4)提出考虑盐雾腐蚀的承载力折减系数kco以及考虑冻融循环和盐雾腐蚀的圆钢管混凝土短柱承载力计算公式：

kco=1-0.007DW.

(5)

Nucal(NC,DW)=kftkcoNucal.

(6)

其中：DW为钢管失重率。

由表4可知，所提出的公式计算结果与试验结果吻合良好。目前，钢管包裹下的核心混凝土冻融损伤机理尚不明确，冻融-盐雾共同作用下钢管与混凝土组合作用的劣化机理也较为复杂，未来仍需要更多的试验数据对公式进行验证。

表4 计算值与试验值对比Table 4 Comparison of tested and predicted value

4 结论

为研究钢管混凝土在寒区海洋大气作用下的性能劣化，进行了20个圆钢管混凝土在不同环境影响下的轴压短柱试验，分别考虑了冻融循环、盐雾腐蚀和冻融-盐雾共同作用3种环境工况。得到并分析了不同冻融循环次数和腐蚀率下圆钢管混凝土的力学性能，试验结果表明：

(1)冻融循环、盐雾腐蚀和冻融-盐雾共同作用3种环境工况对于轴压下圆钢管混凝土短柱的破坏模式影响均不明显。

(2)随着3种环境工况作用程度的增加，圆钢管混凝土短柱的轴压承载力和刚度都有不同程度的降低，承载力与工况作用程度均呈线性降低关系。冻融-盐雾共同作用对钢管混凝土峰值荷载的影响要小于冻融循环和盐雾腐蚀单独作用的叠加。

(3)3种环境工况作用程度与峰值位移并无明显关系；除270个冻融循环外，试件的延性系数总体上随着工况作用程度的增加而降低。

(4)冻融-盐雾共同作用时，约束系数变化不明显，这是由于不同的环境因素会给造成外钢管和核心混凝土的强度劣化，但两者存在组合作用，可以有效的减弱由环境因素带来的性能劣化。

(5)所提出的考虑冻融循环和盐雾腐蚀影响的圆钢管混凝土短柱承载力计算公式与试验结果吻合良好，但钢管包裹下的核心混凝土冻融损伤机理和冻融-盐雾共同作用下钢管与混凝土组合作用的劣化机理均尚未明确。