锈蚀脚手架钢管轴压稳定性试验研究

胡晓鹏,仲帅,彭刚,范永风

（1. 西安建筑科技大学 a.土木工程学院； b. 结构工程与抗震教育部重点实验室，西安 710055；3. 甘肃建筑职业技术学院 建筑工程系，兰州 730050）

由于施工便利、循环性高等优点，扣件式钢管脚手架在实际工程中得到了普遍应用[1]。近年来，建筑施工过程中脚手架倒塌事故频发，造成大量人员伤亡和巨额财产损失[2-4]。长期反复使用过程中，钢管锈蚀会导致钢管承载能力降低，是诱发脚手架体系倒塌的重要原因之一。

在锈蚀对钢材表面形貌影响方面，商钰[5]通过比较锈蚀钢板二维轮廓和三维形貌量测结果，认为三维分析可以更加直观地反映锈蚀钢管表面形貌特征。Gathimba等[6]对海水锈蚀条件下的钢管桩三维表面形貌进行测试，分析了不同海水锈蚀条件对表面形貌参数的影响。王友德等[7]建立了锈蚀深度随机场模型和蚀坑随机分布模型，实现了一般大气环境下钢结构表面特征的准确模拟。基于锈蚀钢材表面形貌逆向建模的有限元模拟可以准确分析不同锈蚀程度钢构件的力学性能[8-9]。为减少数值计算成本，Chun等[10]基于钢材表面形貌特征，利用卷积神经网络对钢材的有效厚度进行了预测，采用有限单元法对钢材强度进行了计算。

对于钢管的轴压承载性能，学者们开展了大量研究[11-13]。考虑复杂环境下钢管的锈蚀现象，Cinitha等[14-15]研究了锈蚀和高温共同作用对钢管构件的破坏模式、承载能力的影响规律，认为锈蚀会导致钢管截面面积的非均匀损失、极限承载力显著降低。Nazari等[16]以锈蚀区域深度、长度、宽度等参数表征了钢管局部锈蚀损伤，借助数值模拟研究了局部锈蚀钢管构件的轴压力学行为，结果表明，锈蚀严重部位会产生钢管局部屈曲，从而影响钢管的承载能力。宋钢[17]对比了室外酸性盐雾周期喷淋和自然锈蚀钢管构件的表面形貌及成分，认为加速锈蚀试验能够重现钢材在自然环境下的锈蚀情况，并通过钢管轴心受压试验研究了钢管失重率对其屈服承载力和极限承载力的影响。Wang等[18]提出了一种局部电加速锈蚀方法，研究了钢管构件外壁局部锈蚀对钢管轴压承载力的影响。吴兆旗等[19]采用正交试验法研究了近海大气环境下局部锈蚀参数对圆钢管轴压柱力学性能的影响，并提出了局部锈蚀圆钢管轴压承载力的计算公式。

目前，锈蚀钢管轴压力学性能的研究已取得了一定成果。但由于腐蚀环境的不同，钢管构件内、外壁的锈蚀演化存在明显差异，目前的研究未涉及这一因素；现有成果研究对象大多为长细比较小的钢管，其研究成果是否适用于长细比较大的脚手架钢管体系尚需进行深入研究。笔者通过脚手架钢管加速锈蚀后钢材的力学性能与表面形貌测试、轴心受压试验，分析脚手架钢管内、外壁锈蚀形貌演化差异及其对钢材力学性能的影响规律，建立了锈蚀钢管轴压承载性能的计算模型。

1 试验概况

1.1 钢管加速锈蚀试验

参照《建筑施工扣件式脚手架安全技术规范》（JGJ 130—2011）中相关规定，试验采用钢管规格为Φ48×3.5 mm，长度1.2 m，钢材型号为Q235B。试验按照《金属和合金的腐蚀 户外周期喷淋暴露试验方法》（GB/T 24517—2009）的要求，采用质量分数为5%的中性氯化钠溶液作为腐蚀溶液，通过均匀布置在试件上方的喷水管道对试件进行间断喷淋，每隔2 d翻动一次试件，以确保试件处于干湿交替环境且锈蚀均匀。加速锈蚀试验过程如图1所示。

图1 加速锈蚀试验Fig. 1 Accelerated corrosion test

将钢管按照预定锈蚀时间分批取出，然后采用酸洗法除锈。按照加速锈蚀时间的长短，将试件分为T1～T6等6批，对应锈蚀时间分别为0、14、26、38、48、60 d，每种锈蚀批次设3个试件，其钢管失重率ηw按式（1）计算。锈蚀前后钢管试件的几何参数及失重率见表1。

表1 加速锈蚀试验结果Table 1 Results of accelerated corrosion test

式中：m0为试件锈蚀前的质量，kg；m为试件锈蚀后的质量，kg。

1.2 钢管表面锈蚀形貌测试及材性试验

对锈蚀钢管进行切割加工，制作用于表面锈蚀形貌量测及材料力学性能试验的试件，试件尺寸见图2，用于表面形貌测量的区域为60 mm×8 mm。钢管表面形貌测试所用仪器为美国NANOVEA公司ST400型非接触式光学轮廓仪，该仪器通过其超灵敏探测器系统接收到样品表面反射出的不同波长的漫反射光，根据准共聚焦原理得到测点距离透镜的垂直距离，再通过点扫描方式以S路径获得钢管的三维表面形貌特征。通过Professional 3D软件对扫描所得三维形貌进行后处理以获取钢管表面特征参数。参照《金属材料拉伸试验 第一部分：室温试验方法》（GB/T 228.1—2010）中相关规定，在DNS300型电子万能试验机上进行钢管材性试件的单调拉伸试验，加载过程中控制位移速率，试验过程中系统自动对数据进行采集，试验结束后对试件变形进行量测。

图2 拉伸试件尺寸（单位：mm）Fig. 2 Dimensions of tensile specimens (Unit: mm)

1.3 钢管立杆轴心受压试验

钢管试件上下两端铰接固定，在试件上方施加沿钢管轴向的荷载，当试件加载至荷载下降至峰值荷载的80%时，终止试验。为获得加载过程中钢管的轴向变形与侧向变形，在试件中部截面外表面沿轴向均匀布置8组应变片，在试件加载端布置2个侧向位移计及1个竖向位移计，在试件中部沿周长均匀布置4个侧向位移计。试验装置及测点布置如图3所示。

图3 试验装置及测点布置Fig. 3 Test device and layout of measuring point

2 试验结果分析

2.1 锈蚀钢管表面形貌

图4为不同锈蚀时间钢管试件内、外壁表面形貌云图。云图左侧及下侧标注有扫描区域尺寸；右侧为云图标尺，反映表面高度，单位为μm。由图4可知：当锈蚀时间较短时，钢管表面整体较为平整，散布有相互独立的小体积蚀坑；随着锈蚀时间的增加，蚀坑面积和深度逐渐增加，蚀坑间开始相互贯通，形成溃疡状蚀坑群，表面形貌起伏波动越来越大。由于腐蚀微环境存在一定的差异，钢管外壁蚀坑发展强于内壁，且随着锈蚀时间的增加，二者差距逐渐增大。

图4 钢管表面形貌图Fig. 4 Surface morphology of steel tubes

采用失重率ηw描述钢管锈蚀程度，以坑蚀率V、算术平均高度Sa、均方根高度Sq和最大高度Sz等评价指标表征锈蚀钢管表面三维形貌特征，不同锈蚀程度钢管表面形貌特征参数见表2。由表2可知：

表2 钢管表面形貌参数Table 2 Surface morphology parameters of steel tubes

1）随着锈蚀时间的增长，钢管失重率ηw逐渐增加。随着锈蚀程度的增加，均匀锈蚀（剥蚀）程度加深，造成钢管壁厚t减小。

2）坑蚀率V表示扫描区域锈坑体积与包围锈坑的最小长方体的比值。钢管内、外壁坑蚀率均随着失重率的提高而逐渐增加，局部锈蚀（坑蚀）程度增强。其中，外壁坑蚀率高于内壁，外壁坑蚀率增长速率较为稳定，而在10 ～ 40 d期间内壁坑蚀率增长缓慢；这是由于随着锈蚀程度的加深，锈蚀产物在表面形成致密保护层，随着锈蚀时间的进一步增长，致密锈蚀产物逐渐分解剥落，锈蚀作用在坑蚀区域进一步发展，造成坑蚀率迅速增加；由于钢管外壁长期处于暴露条件，在盐雾喷淋及自然条件等因素作用下锈蚀产物更易剥落，锈蚀层对钢材表面的保护作用并未明显体现。

3）表面最大高差Sz仅体现表面最高点与最低点之间的高度差，由于其采样特性，导致数据离散性相对较大。

4）表面算数平均高度Sa和均方根高度Sq可在一定程度上反映采样区域试件的粗糙程度，数值越小则平面越光滑。随着失重率的增加，Sa、Sq值整体呈上涨趋势，表明试样表面起伏波动更大。当失重率较小时，内、外壁Sa、Sq值差距不大；随着锈蚀率的增加，外壁Sa值增长更迅速。

2.2 锈蚀钢管的材料力学性能

通过不同锈蚀时间钢管试件的单调拉伸试验，得到的钢管试件的力学性能参数见表3，试件力学性能随失重率增加的衰减规律见图5。对于不同失重率的试样，在拉伸过程中均出现了颈缩现象，随着锈蚀率的增加，钢材的极限强度fu、屈服强度fy、弹性模量E、断后伸长率A及断面收缩率Z近似呈线性下降，钢管的强度和塑性变形能力都有所降低，塑性变形能力的降低程度更明显；这主要是因为局部锈蚀会在钢材表面形成大小不一且随机分布的蚀坑，并且蚀坑体积随着锈蚀程度的增加而增加。在轴向拉伸时，蚀坑周围会产生应力集中现象，在坑蚀处过早地产生裂缝，随着裂缝的进一步发展，最终导致钢管材料强度和延性随失重率增加而逐渐下降。

表3 试件的力学性能指标Table 3 Mechanical properties of specimens

图5 钢材力学性能参数与失重率的关系Fig. 5 Relationship between mechanical property parameters and weight loss rate of steel

通过图5中回归关系，可建立锈蚀钢管材料力学性能指标与失重率ηw之间的定量关系，见式（2）。

2.3 锈蚀钢管的轴心受压试验结果

2.3.1 试验现象 试验中不同锈蚀龄期钢管的轴心受压破坏形态主要表现为整体弯曲失稳，曲率最大处均位于钢管中段。在加载初期，钢管试件侧向位移很小，钢管形态无明显变化；随着进一步加载，钢管开始表现出弯曲形态，此时对应轴向荷载值约为峰值荷载的30%～40%，随后钢管挠度缓慢发展；当轴向荷载增加至峰值荷载的75%～90%时，钢管侧向位移变形加剧，呈明显弯曲变形状态；在达到峰值后，轴向荷载迅速下降，钢管整体失稳，丧失承载能力。试验现象及破坏后试样形态如图6所示。

图6 试验现象及破坏后试样形态Fig. 6 Experimental phenomenon and failure mode of specimens

2.3.2 荷载—应变曲线 图7为不同锈蚀程度钢管试件跨中截面荷载—应变关系曲线，其中，拉伸应变为正，压缩应变为负。不同锈蚀钢管的跨中截面荷载—应变曲线规律基本一致，即：在加载初期，钢管应变随荷载的增加而线性增长，跨中截面各点处于弹性变形阶段，截面应变以压缩应变为主，各个方向应变值接近；随着荷载的增加，试件开始产生弯曲变形，构件出现了拉伸应变和压缩应变，且两个应变均随荷载的增加而逐渐增长，压缩应变增长速率更大；随着试件弯曲变形的加剧，跨中截面压缩应变、拉伸应变均加剧增长；试件达到峰值荷载后，跨中截面应变继续增大，试件发生整体失稳破坏。在弹性阶段，不同锈蚀程度的试件荷载—应变曲线斜率相差不大，弹性极限随锈蚀率增大而减小；在荷载下降段，锈蚀钢管跨中截面应变变化速率明显小于未锈蚀钢管。

图7 跨中截面荷载—应变曲线Fig. 7 Load-strain curves of mid-span sections

2.3.3 荷载—位移曲线 图8展示了不同锈蚀程度试件的荷载—侧向位移曲线与荷载—竖向位移曲线。其中，侧向位移为中部各方向侧向位移通过三角函数关系换算得到的跨中最大位移，在加载中后期，位移计端头滑出导致部分侧向位移采集不完整，分析其前期规律可知，锈蚀程度越高，钢管弹性变形阶段越短。荷载—竖向位移曲线大体可以分为3个阶段，即弹性阶段、弹塑性阶段、破坏阶段。在弹性阶段，随着荷载的增大，竖向位移呈线性增长；随着荷载的增大，试件进入弹塑性阶段，荷载增长不大，而竖向位移却迅速增长，对于体系中长细比较大的脚手架钢管，这一阶段非常短暂；荷载达到峰值后，试件进入破坏阶段，竖向位移迅速增长而荷载急剧下降，此时钢管迅速失去承载能力，试件发生整体失稳破坏。对比不同锈蚀程度钢管的荷载位移曲线，可知各试件上升段斜率较为接近，即钢管整体刚度差异不大；钢管的锈蚀程度越高，试件的弹塑性阶段越短，且峰值荷载对应的竖向位移越小。

图8 荷载—位移曲线Fig. 8 Load-displacement curve

2.3.4 极限承载力劣化规律 试件极限承载力Pu与失重率关系如图9所示。由图9可知，随着钢管失重率的增加，极限承载力基本呈线性下降；钢管平均失重率由0%增加至14.61%时，极限承载力降幅达到了19.81%。钢管极限承载力降低的原因：一是由于钢材锈蚀后钢管截面面积减小；二是锈蚀导致钢材力学性能下降；三是由于腐蚀微环境存在差异，横截面各点锈蚀会有一定的差别，导致钢管均匀性下降，钢管试件更易产生失稳破坏。

图9 荷载随失重率的变化曲线Fig. 9 Change curve of load with weight loss rate

2.3.5 锈蚀钢管轴压承载力计算模型 在《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》（JGJ 130—2011）（以下简称规范）中，钢管立杆稳定性按照式（3）进行验算。

式中：N为立杆轴向力设计值，N；φ为轴心受压构件的稳定性系数；A为钢管截面面积，mm2；f为钢材强度设计值，N/mm2。

钢管立杆锈蚀主要包括均匀锈蚀与局部锈蚀。均匀锈蚀会导致钢管壁厚减小，改变钢管几何参数。以失重率描述钢管锈蚀程度，发现局部锈蚀程度逐渐加深，进而造成钢材性能退化。因此，锈蚀后钢管立杆稳定性系数φ、钢管截面面积A和钢材强度f均会出现不同程度的劣化，造成钢管立杆极限承载能力的降低。实际工程中，由于锈蚀的不均匀性，截面损伤较难准确测量，加上锈蚀钢材力学性能试验存在一定难度，计算实际工程锈蚀脚手架体系承载力时，建议不对式（3）中的3个参数进行调整，直接截取一段钢管称重计算钢管失重率，并通过锈蚀影响系数K对锈蚀钢管轴压承载力进行计算，计算公式为

N≤KφAf（4）

式中：K为锈蚀影响系数，可从图9中拟合得到，K=1-0.013 68ηw（拟合相关系数R2=0.954）；φ、A、f按照未锈蚀钢管情况进行取值。

3 结论

对锈蚀钢管立杆开展表面形貌测试、材料性能试验、轴心受压试验，研究钢管内、外壁形貌特征、钢材性能退化及锈蚀钢管承载力特性，提出锈蚀钢管立杆稳定性的计算公式，得到以下主要结论：

1）随着钢管失重率的增加，钢管表面坑蚀面积和深度逐渐增加，分布方式也由独立蚀坑向溃疡状蚀坑群发展；钢管外壁蚀坑体积、粗糙程度均大于钢管内壁。

2）锈蚀导致钢材强度与塑性变形能力下降，相比于强度降低，锈蚀对钢材塑性变形能力的影响更严重。

3）不同锈蚀程度的钢管轴压破坏模式均为整体弯曲失稳。随着失重率ηw的增加，极限荷载Pu线性下降，同时，峰值荷载点对应的轴向位移值逐渐降低。钢管失重率ηw由0%增加到14.61%时，极限承载力降幅为19.81%。

4）通过试验结果分析，提出锈蚀钢管立杆稳定性的计算公式。在工程中，通过测定钢管失重率便可利用该公式对锈蚀钢管立杆稳定性进行验算。