钢拱架锈蚀作用下型钢混凝土梁抗弯承载力研究

王明年， 刘轲瑞， 张艺腾， 杨恒洪， 于 丽, *

(1. 西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室， 四川 成都 610031； 2. 西南交通大学土木工程学院， 四川 成都 610031)

0 引言

随着我国城市的发展，越来越多的海底隧道处于设计和建造阶段，跨海铁路隧道修建技术研究也备受关注[1-2]。海底隧道的隧道外壁处于陆域或海域的地下水中，这些地下水的主要来源是海水。海水中含有各种离子，对钢筋混凝土有很强的腐蚀作用[3]。海底隧道多采用钻爆法施工[4]，其支护体系一般包括初期支护及二次衬砌，围岩条件较差的断面，初期支护通常由喷射混凝土、钢拱架、钢筋网和锚杆组成[5]，其中钢拱架通常采用工字钢。在富含各种离子的水环境下，钢拱架锈蚀后产生的铁锈是原体积的2～4倍[6]，同时将产生锈胀力，导致工字钢与混凝土之间的黏结强度降低[7]，产生内部甚至贯通混凝土裂缝，这些细部的变化最终都会体现在整体钢拱架承载力的变化上[8]。

关于钢拱架锈蚀所引起初期支护承载能力的变化，国内外学者展开了大量的研究。童建军等[9]采用数值模拟方法考虑初期支护与二次衬砌荷载分配比例，研究钢拱架锈蚀率对其自身承载力的影响规律；周清等[10]采用数值模拟方法研究了Ⅴ级围岩条件下钢拱架锈蚀对支护结构的影响；王明年等[11]采用数值模拟方法分析了在有水压和无水压2种情况下，钢拱架锈蚀对自身承载能力和对初期支护混凝土、二次衬砌安全性的影响；曾佳亮[12]采用数值模拟的方法分析了局部锈蚀对支护结构安全性的影响；王明年等[13]将不同锈蚀率的工字钢混凝土试件进行黏结滑移试验，分析了锈蚀率、滑移量、黏结破坏荷载之间的关系，建立了锈蚀工字钢与喷射混凝土的黏结滑移本构关系数学模型；娄西慧[14]采用试验的方法，建立了型钢拱架与混凝土之间的黏结滑移模型，最终采用数值模拟的方法分析了钢拱架锈蚀对支护体系安全性与耐久性的影响。以往主要采用数值模拟手段研究钢拱架锈蚀对隧道支护体系受力的影响，但对于钢架锈蚀如何影响承载力的试验研究较少。

为从宏观角度体现锈蚀对于钢拱架承载力的影响，本文开展了钢拱架锈蚀条件下型钢混凝土梁抗弯承载力研究，从而为海底隧道的维修养护提供依据。

1 钢拱架锈蚀下抗弯承载力试验

1.1 试验及电锈蚀设计

钢拱架在自然条件下锈蚀时间较长，试验中往往采用一定方法加速锈蚀进程，如干湿循环、盐雾试验、电加速锈蚀等。本试验采用电加速锈蚀，其原理依据是法拉第定律[15]，见式(1)。

(1)

式中： Δm是锈蚀钢材的目标质量损失，g；t是锈蚀通电时间，s；M是铁的摩尔质量，M=56 g/mol；i是锈蚀电流密度，A/cm2；S是锈蚀区域内的工字钢表面积，cm2;F是法拉第常数，F=96 500 C/mol；z是铁离子电荷数，z=2。

根据式(1)，控制锈蚀电流密度与锈蚀区域工字钢表面积一定时，由锈蚀通电时间可得到锈蚀质量，再除以总质量得到目标锈蚀率。

(2)

式中：ρ是目标锈蚀率；m是未锈蚀工字钢的总质量，kg。

电锈蚀试验所用到的主要设备有： 直流电源、电流表、导线、质量分数5%的NaCl溶液、铜片、防水绝缘胶带以及塑料箱，如图1所示。

图1 电解槽示意图

本试验采用I12工字钢，工字钢梁采用长方体形式，截面为20 cm×20 cm，长160 cm，沿截面中轴线对称布置工字钢，两端外露钢筋5 cm并包裹防水绝缘胶带，如图2所示。制作6个不同编号的试件，控制通电电流相同，其中1个不通电锈蚀，作为对照，其余5个分别通电不同时间，从而得到不同的锈蚀率，如表1所示。

(b) 梁构件尺寸

表1 试件的目标锈蚀率

1.2 加载方案

试验加载在500 t的压力机上完成，采用简支梁抗弯破坏的加载方式，一端采用钢板固定制作，另一端为滚动铰支座，在梁的中心上表面施加集中荷载，如图3所示。加载速度控制在40 kN/min，每20 kN为一级加载，记录裂缝的发展以及对应的荷载大小。

(a) 现场加载图

(b) 梁加载示意图

1.3 试验步骤

设计试验步骤如下：

1)浇筑试件、编号、按标准环境养护。

2)快速电解，控制通电电流为2.5 A。其中1个试件不电解，其余5个通电不同时间，得到不同的锈蚀率试件。为保证工字钢均匀锈蚀，每个试件在电解前，放入质量分数为5%的NaCl溶液中浸泡7 d，让溶液浸透混凝土，与工字钢充分接触。

3)按照前述加载方案进行加载，注意加载过程中要观察梁的裂缝发展情况。

4)记录裂缝产生以及梁达到承载力状态时的荷载读数。

5)试验结束，凿开梁取出锈蚀工字钢用质量分数10%的盐酸溶液进行酸洗，再用质量分数3%的碳酸钠溶液中和，用清水冲洗干净，擦干后，用电子秤称取锈蚀后工字钢的质量。根据式(2)最终得到锈蚀工字钢实际的锈蚀率。

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

根据GB/T 50152—2012《混凝土结构试验方法标准》[16]，试验过程中当梁受压区混凝土受压开裂、破碎或弯曲挠度达到跨度的1/50即认为加载达到了梁抗弯承载力极限。通过对加载试验的观察和记录，可得到梁锈蚀率与抗弯承载力关系及锈蚀后的抗弯承载力，分别如图4和表2所示。

图4 梁锈蚀率与抗弯承载力关系图

表2 锈蚀后梁的抗弯承载力

从图4和表 2可以明确地看出, 随着工字钢混凝土梁锈蚀率的增加，梁的抗弯承载力降低。出现第1条裂缝部位以及荷载与锈蚀率关系不大，也就是说，第1条裂缝的出现与锈蚀情况无关，只取决于混凝土的抗拉强度以及保护层厚度。虽然第1条裂缝的产生与锈蚀情况无关，但是之后裂缝的发展却与锈蚀情况关系密切。

通过加载过程对裂缝的观察和记录，本文得到以下规律：

1)未锈蚀的梁。破坏时只有1条较宽的裂缝，位于梁加载点的下半部分，随着加载的进行，裂缝变宽变长，直到破坏。其余的裂缝都是细小的裂缝，如图 5所示。

2)锈蚀率ρ≤1.5%的梁。破坏时没有纵向裂纹，随着加载的进行，梁下半部分有数条较宽的横向裂缝及斜裂缝发展，如图6所示。

图5 未锈蚀的梁破坏裂缝

图6 锈蚀率较小的梁破坏时的裂缝

3)锈蚀时间较长、锈蚀率ρ>1.5%的梁。加载过程中首先出现梁底横向裂缝，随着加载进行，出现纵向裂缝。破坏时的控制裂纹为上半部的纵向裂缝，裂缝出现在工字钢上表面与混凝土的接触面，纵向裂缝很宽，长度很长，几乎从加载点延伸到端部，但横向裂缝却很细。因此，对于ρ>1.5%的梁，用来判断破坏的裂缝为纵向裂缝，如图7所示。

图7 锈蚀率较大的梁破坏时的裂缝

2.2 裂缝结果分析

锈蚀后的工字钢混凝土梁出现抗弯承载力下降的现象，其原因主要是锈蚀过程会导致工字钢表层形成一层蓬松的锈蚀物质层，破坏了工字钢与混凝土之间的化学胶着力，也就破坏了他们之间的黏结。此外，锈蚀还会形成锈胀力，这种力对于混凝土结构的损害作用很大。锈胀力会使工字钢与混凝土脱离开来，二者形成独立的受力结构，无法发挥工字钢受拉性能好以及混凝土受压性能好的互补优势。而且，混凝土是一种变形很小的结构，锈胀力的作用会使混凝土内部产生细微的裂缝，这些细微的裂缝是钢拱架的内部受力缺陷，当钢拱架受力时，这些细小的裂缝会快速发展，导致结构破坏。

未锈蚀的梁之所以只有一条较宽的裂缝，其余的都是很细小的裂缝，原因在于工字钢与混凝土之间的黏结未被破坏，当中间那条裂缝因为挠度过大而变宽之后，原来混凝土下边缘受到的拉力很大部分通过工字钢与混凝土之间的黏结传到工字钢上，从而很好地发挥了工字钢受拉性能强的优势。而锈蚀率ρ≤1.5%的梁的破坏形态多了几条较宽的裂缝，这说明锈蚀破坏了工字钢与混凝土之间的黏结，混凝土受到的拉力无法很好地传到工字钢上，而是转移到两侧的混凝土结构，从而导致了多条裂缝的快速发展。但是ρ≤1.5%的梁破坏时并未出现沿工字钢上表面的纵向裂缝，这是因为锈蚀率不是很大，其破坏黏结的程度还不严重，工字钢与混凝土之间的锈胀力还未导致混凝土沿工字钢面形成裂缝。对于锈蚀率ρ>1.5%的梁，控制破坏的形式是纵向裂缝，主要原因是锈蚀严重，导致工字钢与混凝土之间的黏结破坏程度严重，锈胀力导致混凝土结构内部出现细小的裂缝，一旦受力，这些内部细小的裂缝迅速发展，从而改变了正常的工字钢与混凝土之间的受力分配，出现了宽度达到2 cm左右的纵向裂缝。

3 钢拱架锈蚀下梁抗弯承载力数值模拟

为了检验锈蚀梁抗弯试验的结果，并进一步理解锈蚀梁破坏后工字钢混凝土内部应力的分布，本文用数值计算的方法，对不同锈蚀率下的梁抗弯承载力进行模拟。

3.1 模型建立

3.1.1 材料选取

数值模拟所赋予的参数均与试验材料参数相同。

1)工字钢材料。工字钢采用多折线型随动强化模型(MKIN)，单轴应力-应变关系采用多折线型，屈服准则为Mises准则，材料的主要输入参数见表3。

2)混凝土材料。混凝土的单轴受压应力-应变关系采用Kent-Park模型，具体参数见表 3。

表3 模型材料参数

3.1.2 单元类型

工字钢采用Solid 45单元模拟，混凝土采用Solid 65单元模拟。整个构件采用三维实体建模方式，工字钢和混凝土之间的黏结用节点的非线性弹簧单元模拟，每个节点由法向、纵向切向和横向切向3个不同F-D(力-距离)曲线的Combination 39单元表示，不同的锈蚀率采用不同的F-D曲线，模型见图8和图9。

作为“非遗”的雕刻艺术，它与中国传统绘画艺术之间的关系，也许还可以从其它更多的角度加以探讨。但是，我们单就文化同源、理念相近的角度就已经可以做出合理的推断，它们二者之间的姻缘关系都是建立在民族文化大环境的基础之上的。作为同属于中华民族文化大家庭中的一分子，它们二者之间所共有的文化基因，即便随着时间的推移也无法遭到否定与质疑。

图8 工字钢混凝土实体模型

图9中，每个重合节点(工字钢单元和混凝土单元)有3个方向不同的黏结弹簧单元，用来分别描述3个方向上的黏结性能。

3.1.3 模型尺寸及边界条件

计算模型的尺寸完全和试验的构件尺寸相同，断面为20 cm×20 cm，长度为160 cm。采用简支梁加载模式，加载点在梁的跨中，两端设置竖向Uy方向的约束，如图10所示。

图10 梁加载模型

3.1.4 工况说明

初期支护中，钢拱架与混凝土黏结退化一般表达式为：

(3)

(4)

式中S为滑移量，mm。

通电试验前已将混凝土梁放入质量分数为5%的NaCl溶液中浸泡7 d，保证不同位置锈蚀程度接近相同，数模模拟时假定型钢均匀锈蚀。根据试验中实际所得锈蚀率0%、0.52%、1.04%、1.47%、2.21%、2.94%设置6个工况，计算得到对应黏结强度影响系数为0.990、0.989、0.987、0.985、0.980、0.974。根据不同工况，分别对Combination 39设置不同的F-D曲线。

3.2 计算结果及分析

3.2.1 试件内部应力、应变随锈蚀率的变化

从前面的试验了解到，随着锈蚀率的增大，工字钢与混凝土之间的黏结性能会下降，这影响了工字钢与混凝土之间的整体受力，从而导致工字钢没有发挥其受拉优势而使混凝土过早承受较大的拉应力，进而引起裂缝。荷载为50 kN时，各锈蚀率试件的受拉区工字钢、混凝土的应力、应变对比见表4—5和图11—12。其中，应力、应变数据来源于工字钢底部、混凝土梁底。

表4 荷载50 kN时各试件受拉区应力对比

由表4、表5和图11、图12可知，随着锈蚀率的增大，工字钢受拉区的应力和应变先有小幅的增大，然后开始逐渐下降，锈蚀率从0%增大到0.52%工字钢拉应力增大了0.87 kPa，锈蚀率从0.52%每增大1%工字钢拉应力减小2.65 kPa；对应的混凝土受拉区应力和应变先有小幅减小，然后开始逐步上升，锈蚀率从0%增大到0.52%混凝土拉应力减小了0.27 kPa，锈蚀率从0.52%每增大1%混凝土拉应力增大了1.46 kPa。根据这些变化规律，可以推断出：

1)工字钢的应力、应变曲线趋势与混凝土的刚好相反，工字钢大体减小，混凝土大体增加。这说明锈蚀率的增大，影响了混凝土与工字钢之间荷载的传递作用。混凝土的应力、应变增大，就是因为混凝土与工字钢表面的黏结强度减弱导致工字钢分担的荷载变小，混凝土不得不多分担荷载。这也说明了锈蚀率越大，混凝土越容易发生破坏。

2)在锈蚀率较小的时候，锈蚀作用增加了工字钢与混凝土之间的摩擦力，导致黏结强度增大，混凝土与工字钢之间的荷载传递增强；随着锈蚀率进一步增大，工字钢与混凝土之间的化学胶着力发生破坏，黏结强度降低，混凝土与工字钢之间的荷载传递作用减弱，工字钢分担的荷载减少，混凝土承担更多的荷载。

表5 荷载50 kN时各试件受拉区应变对比

(a) 工字钢受拉区应力

(b) 混凝土受拉区应力

3.2.2 抗弯承载力

表6和图13示出了计算得到的梁破坏荷载与试验破坏荷载对比结果，计算破坏荷载要比试验破坏荷载稍大，原因在于计算时建模没考虑锈蚀锈胀导致梁的裂缝发生。

(a) 工字钢受拉区应变

(b) 混凝土受拉区应变

表6 试件抗弯承载力计算与试验结果对比

图13 试件抗弯承载力计算与试验结果对比

4 结论与讨论

本文通过试验与数值模拟的方法，研究了钢拱架锈蚀下初期支护抗弯承载力变化情况，得到了以下主要结论：

1)锈蚀后的工字钢混凝土梁抗弯承载力随锈蚀率增加而减小，在试验设计范围内，锈蚀率每增高1%，抗弯承载力平均下降5.1 kN。

2)不同锈蚀率下，试验梁的破坏形式不相同。未锈蚀的梁，工字钢与混凝土之间的黏结未被破坏只有1条较宽的裂缝；锈蚀率ρ≤1.5%的梁，锈蚀破坏了工字钢与混凝土之间的黏结，破坏形态就多了数条较宽的裂缝；锈蚀率ρ>1.5%的梁锈蚀严重，导致工字钢与混凝土之间的黏结破坏程度严重，控制破坏的形式是纵向裂缝。

3)随着锈蚀率增大，混凝土受拉区应力、应变先减小后增大；反之，工字钢受拉区应力、应变先增大后减小。

4)随着锈蚀率增大，工字钢与混凝土之间黏结强度降低，混凝土与工字钢之间的荷载传递作用减弱，工字钢分担的荷载减少，混凝土承担更多的荷载。

本文所研究的仅为钢拱架锈蚀下，梁抗弯承载力随锈蚀率的变化规律，忽略了围岩对初期支护的约束作用。工程中，隧道初期支护承载是隧道围岩与初期支护共同承载、协调变形的，本文研究中没有考虑初期支护受围岩的限制；试验所采用的为直梁，在实际应用中应为拱形承载结构；因此，后续研究建议试验拱形梁抗弯承载能力随锈蚀率的变化，并考虑围岩与初期支护的协调变形进行模型试验。