随着工业化的发展, 环境恶化导致的危害也越来越严重, 而建筑环境问题也越来越引起人们的重视, 酸雨腐蚀问题就是其中之一。当钢管混凝土构件运用于塔架、桥梁、送变电杆塔和各种支架柱时, 容易暴露在酸雨环境下, 使得钢材锈蚀速度大大加快, 这将直接影响结构的安全性。林翠等^[1]模拟了20号碳钢在酸雨喷淋环境中的腐蚀, 分析了其腐蚀形貌、断面、产物及电化学特征。干伟忠等^[2]进行了4种不同工况下混凝土中钢筋的电化学加速腐蚀对比试验, 发现全浸泡外加电流加速锈蚀可以对试件进行加速锈蚀处理, 分析了模拟自然环境条件下钢筋锈蚀的适用性。为了了解腐蚀环境下钢管混凝土所受的影响, HAN L H等^[3]对氯盐腐蚀下28个钢管混凝土试件 (17根短柱和11根梁) 的承载能力进行了试验研究, 分析了不同的腐蚀程度及弯矩比对钢管混凝土力学性能的影响。

　　 近年来, 国内外学者对钢管再生混凝土的一系列研究表明^[4,5,6], 在钢管再生混凝土组合构件中, 钢管的套箍作用可大大提高混凝土的吸能能力, 弥补再生混凝土本身缺陷, 同时再生混凝土亦可增强钢管稳定性, 发挥两种材料的优点。为了进一步了解钢管再生混凝土的力学性能, 各学者亦对钢管再生混凝土的轴压^[7]、压弯^[8]、抗震^[9]等性能进行了一系列试验研究和理论计算。

　　 本文拟对处于酸雨环境下的方钢管再生混凝土构件进行纯弯性能试验研究, 通过有限元软件ABAQUS对试件的弯矩-挠度关系曲线进行计算, 并与试验结果作对比, 以期为工程实践提供参考。

　　 以混凝土骨料类型 (天然骨料、50%天然骨料和50%再生骨料) 和腐蚀程度β (不腐蚀、目标腐蚀度10%、目标腐蚀度20%, 目标腐蚀度为钢管预计达到的腐蚀程度, 以钢管厚度的减小作为定义的依据, 实际腐蚀程度无法控制到完全与之吻合, β= (t-t_e) /t×100%=Δt/t×100%, t为钢管初始厚度) 为主要变化参数共设计了6个试件, 试件的主要参数见表1。试件的命名规则为:首字母S表示截面类型为方形;中间字母P表示混凝土类型为普通混凝土, R表示再生混凝土;末尾的阿拉伯数字表示目标腐蚀度, 0, 1, 2分别代表不腐蚀、腐蚀10%、腐蚀20%。

　　 方钢管由按照预定尺寸切割好的4块钢板拼焊而成, 上下盖板为16mm厚的方钢板。对同批钢材制成的标准钢片进行拉伸试验可确定钢管的屈服强度。

　　 普通混凝土采用天然骨料, 再生混凝土粗骨料取代率为50%, 其他材料用量与普通混凝土相同。其中再生骨料来自原强度等级为C40的普通钢筋混凝土试件。再生粗骨料各项指标均符合《混凝土用再生粗骨料》 (GB/T 25177—2010) 的要求, 其粒径在5~40mm的范围内。普通粗骨料采用天然碎石, 细骨料采用天然砂, 水泥采用普通硅酸盐水泥, 拌合水为自来水, 混凝土配合比如表2所示。混凝土的搅拌方式为机械搅拌, 浇筑时钢管立起, 从顶部灌入混凝土, 并用振捣棒进行振捣。浇筑试件时同时浇筑且在同等条件下养护边长为150mm的标准立方体试块。在试件加载时, 按照《混凝土强度检验评定标准》 (GB 50107—2010) 将与试件同龄期的标准立方体试块置于压力试验机上, 测定其标准立方体抗压强度。

　　 本文腐蚀试验采用通电腐蚀, 根据电化学原理来控制腐蚀程度。试验前, 将试件放在浸泡池里, 为了防止试件底部腐蚀不均匀, 在浸泡池两端放几个垫块, 试件搁置在垫块上。浸泡池里为按江西酸雨比例配置的人工酸雨溶液^[11], 成分表见表3, p H值为2.30, 通过p H测试仪的显示缓慢加硝酸进行调试, 每天调节三次尽量使p H值稳定在2.30左右。把试件作为阳极, 环绕试件的不锈钢板作为阴极, 试件和阴极板通过螺杆用导线连接到直流稳压电源, 通过电箱控制保持电流不变可以控制腐蚀速度不变, 变化腐蚀时间得到腐蚀率不同的试件。腐蚀试验装置如图1所示。

　　 试件经过通电腐蚀后, 钢管厚度将会发生变化, 本文采用GM130型高精度数显超声波测厚仪来测量方截面试件的钢管壁厚。在钢管四周中间位置每隔30mm用白色涂改液做标记, 这是为了尽量保证每次测量在同一位置以减小测厚产生的误差。每次测量前, 通过与测厚仪配套的4mm标准标定块校核仪器, 保证测量精度。过程中选用无气泡、粘度适宜的耦合剂。测量时, 测厚仪探头与试件接触后, 略微用力压紧, 保证探头与试件之间耦合良好, 并且排出多余的耦合剂, 使被测试件表面形成一层极薄的耦合剂, 减少超声波通过耦合剂的时间, 提高测量精度。每隔一周将试件从浸泡池中拿出, 洗刷干净后测量钢管壁厚, 可得到钢管厚度变化情况表, 见表4, 其中理论腐蚀值是通过法拉第电解第一定律^[12]得到的, 实际腐蚀值通过测厚仪得到的大量数据分析后取平均值确定。

　　 根据表4中的厚度变化规律可知, 腐蚀前期, 实测的腐蚀厚度略低于理论的腐蚀厚度, 这主要是因为前期钢管表面的钝化膜的存在阻碍了酸雨溶液对钢管的腐蚀;后期实测的腐蚀厚度与理论的腐蚀厚度较为接近。这进一步验证了法拉第电解第一定律的可靠性。通过8周的腐蚀试验, 可以得到目标腐蚀度约为10%的试件 (S-P-1, S-R-1) 。通过16周的腐蚀试验, 可以得到目标腐蚀度约为20%的试件 (S-P-2, S-R-2) 。

　　 图2为试验的加载装置及测点布置图, 试验采用两点集中力对称加载, 用千斤顶通过反力架施加压力, 由分配梁分配荷载, 在跨中形成纯弯段。为了直观地看出试件的变形, 对试件前侧画上边长为3.5cm的正方形网格。试件横向放置于基座上, 其基座间的距离为1 300mm。为了较为准确地测量试件的变形, 在试件前侧贴3枚纵向应变片, 上下两侧各贴1枚纵向应变片。贴应变片之前, 先将预贴片位置打磨光滑, 尤其是经腐蚀试验导致表面产生坑洼的试件, 并用丙酮清洗干净钢管表面, 尽可能消除误差。为了准确测量试件的挠度, 在试件的中点、两加载点及基座两端各设置一个位移计。试验过程采用分级加载, 线弹性范围内每级荷载为预估极限荷载的1/10, 钢管屈服后每级荷载减为预估极限荷载的1/15, 每级持荷2~3min, 临近破坏时降低加载速度。挠度和应变数据由DH3815应变数据采集仪采集。

　　 图3给出了6根试件最终的破坏形态, 可见钢管再生混凝土试件和钢管普通混凝土试件的破坏形态比较接近, 骨料的类型对破坏形态影响不大。

　　 未腐蚀试件受压侧钢管出现鼓曲以及微小的焊缝开裂;腐蚀试件在接近破坏时发出巨响, 紧接着焊缝开裂破坏。为了研究内部混凝土破坏情况, 剖开1组试件中间段约为420mm的钢管, 剥开后观察内部破坏情况如图4所示, 在试件受压区, 尤其是钢管鼓曲部位, 内部混凝土有明显的压碎现象, 而且钢管鼓曲程度越大内部混凝土破坏得越厉害。试件前侧混凝土出现若干横向裂缝, 总体上看裂缝均匀分布并延伸至截面高度的3/4处。随着腐蚀程度的加深, 混凝土裂缝由细密整齐向稀疏杂乱发展, 这主要是因为经过腐蚀, 钢管的强度下降, 外荷载分配给混凝土的部分相对更多, 腐蚀试件内部的混凝土无法像未腐蚀试件内部的混凝土那样裂缝缓慢开展。

　　 图5给出了随着荷载增加, 典型试件 (S-R-2) 各测点挠度沿构件长度的分布图, 其中虚线为对应的正弦半波曲线, 横坐标为试件上各点距左端支座的距离 (L) , 纵坐标为各测点实测的挠度 (u) 。从图中可以看出, 在初始阶段, 构件的变形曲线与正弦半波曲线吻合良好;随着荷载的持续增大, 构件的变形曲线与正弦半波曲线出现微小的偏离, 其他试件与之类似。

　　 图6为试验实测的所有试件的弯矩 (M) -挠度 (u_m) 关系曲线。从图中可以看出, 随着腐蚀程度的加深, 试件弹性阶段刚度有所降低, 而后期的延性也略有降低。酸雨环境的变化对钢管混凝土试件的极限承载力有较大影响, 相比目标腐蚀度为10%的钢管混凝土, 目标腐蚀度为20%的钢管混凝土极限承载力下降幅度明显增大。从试件的破坏形态可以看出, 目标腐蚀度为20%的钢管混凝土焊缝开裂得较为厉害, 所以导致其极限承载力大幅下降。对3组腐蚀程度不同的试件来说, 钢管再生混凝土的极限承载力比普通钢管混凝土的略低, 但总体上看, 混凝土类型对试件的极限承载力影响不大, 进一步验证了再生混凝土替代普通混凝土使用的可能。

　　 图7为试验实测钢管再生混凝土试件的弯矩 (M) -应变 (ε) 关系曲线。由图可知, 加载初期, 试件处于线弹性阶段, 中间截面处的纵向应变略有增大, 但变化较小。随着弯矩的持续增大, 试件进入弹塑性阶段, 钢管达到其屈服应变, 试件的变形增长速率逐渐快于弯矩的增长速率。弯矩达到极限值后, 应变剧增, 试件进入塑性变形状态, 但弯矩仍在缓慢增长, 曲线并未见下降, 表明了构件良好的延性。

　　 通过有限元软件ABAQUS建立方钢管混凝土纯弯构件的计算模型, 对构件的弯矩-挠度关系曲线进行分析。建模时, 钢材采用塑性分析模型作为本构关系模型, 混凝土采用塑性损伤模型作为本构关系模型, 上、下盖板模拟为刚体。混凝土, 内、外钢管和盖板采用三维实体单元 (C3D8R) , 并对模型进行网格划分。混凝土与钢管间界面接触模型在法线方向为“硬”接触, 在切线方向为黏结滑移, 接触面的摩擦系数μ取0.6。内、外钢管和盖板之间采用绑定 (Tie) 约束, 混凝土和盖板之间采用法向硬接触模拟。具体内容参考文献[13], 此处不再细述。

　　 纯弯构件的计算模型如图8所示, 在距离左端盖板50mm处约束Y, Z方向的位移, 在距离右端盖板50mm处约束Y方向的位移, 采用位移加载方式在构件左、右两个四分点处对构件施加纵向位移, 加载点均在构件X方向的中点。

　　 试件S-R-2有限元计算模型的破坏模态与试验中试件的破坏形态对比如图9所示。由图9可以看出, 二者吻合得较好, 有限元能较好地模拟试验中的情况。

　　 图10为本文中所有试件实测的弯矩 (M) -挠度 (u_m) 关系曲线与有限元计算曲线的比较。图中显示:有限元模拟的所有试件在线弹性阶段的刚度比试验中试件的刚度略大, 这主要是因为有限元模拟中的材料比较趋于理想, 而试验中的试件可能存在初始缺陷。但如表1所示, 比较试验结果M_ue和有限元计算结果M_uc, M_ue/M_uc的平均值为0.96, 标准差为0.055, 可见有限元计算与试验结果在极限承载力方面相差不大。总的来说, 有限元计算与实测的酸雨环境下钢管混凝土试件弯矩-挠度关系曲线吻合较好, 说明折减钢管壁厚的方法可以有效模拟酸雨腐蚀对钢管普通 (或再生) 混凝土纯弯试件承载力的影响。

　　 本文对酸雨环境下方钢管再生混凝土构件进行了纯弯性能试验研究, 并通过有限元软件ABAQUS对其进行模拟分析, 可得到如下结论:

　　 (1) 根据电化学原理, 采用通电腐蚀可以较好地模拟实际情况下酸雨对钢管混凝土的腐蚀作用, 得到目标腐蚀度不同的试件。

　　 (2) 钢管再生混凝土和钢管普通混凝土试件的破坏形态较为接近。钢管再生混凝土的极限承载力总体上比普通钢管混凝土的略低。

　　 (3) 腐蚀程度越深, 试件的弹性阶段刚度和极限承载力越低, 后期的延性也略有降低。目标腐蚀度为20%的试件比目标腐蚀度为10%的试件极限承载力下降幅度明显加大。

　　 (4) 有限元模拟的试件在线弹性阶段的刚度比本次试验中试件的刚度略大, 但在破坏形态和极限承载力方面与试验吻合良好。