锈蚀脚手架钢管轴压稳定性试验研究

　　摘 要：为研究锈蚀对扣件式脚手架体系中钢管立杆稳定性的影响，通过对不同锈蚀龄期的钢管进行表面形貌测试，分析了锈蚀对钢管内外壁表面形貌的影响;通过锈蚀钢管材料单调拉伸试验，探讨了锈蚀条件下钢材力学性能退化规律;基于锈蚀钢管的轴心受压试验结果提出了锈蚀钢管立杆稳定性的计算模型。研究结果表明：随着钢管失重率的增加，钢管表面坑蚀分布由独立蚀坑向溃疡状蚀坑群发展，外壁坑蚀率、算术平均高度和均方根高度均不同程度的高于钢管内壁;锈蚀钢材表面随机分布、大小不一的蚀坑会导致钢材强度与塑性变形能力下降，钢材塑性变形能力劣化更明显;不同锈蚀程度钢管轴压破坏模式均为整体弯曲失稳，锈蚀钢管的极限荷载随失重率的增加线性下降，峰值荷载对应轴向位移值逐渐降低。

　　本文源自土木与环境工程学报(中英文) 2021-02-01《土木与环境工程学报(中英文)》创刊于1957年，是由中华人民共和国教育部主管、重庆大学主办的专业性学术刊物。据2020年4月《土木与环境工程学报(中英文)》官网显示，该刊第十一届编委会有委员66名。

　　关键词：扣件式脚手架;锈蚀钢管;表面形貌;材料力学性能;轴心受压

　　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的钢管锈蚀会导致钢管承载能力的降低，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反映锈蚀钢管表面形貌特征。Gathimba 等[6]对海水锈蚀条件下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力学性能[8-9]。为减小数值计算成本， Chun 等[10]基于钢材表面形貌特征，利用卷积神经网络对钢材有效厚度进行预测，采用有限单元法对钢材强度进行计算。

　　对于钢管的轴压承载性能，学者们开展了大量研究工作[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表面形貌以及成分，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。

　　目前来看，锈蚀钢管轴压力学性能方面已取得了一定的成果。但由于腐蚀环境的不同，钢管构件内、外壁锈蚀演化存在明显的差异，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的研究。笔者通过脚手架钢管加速锈蚀后的钢材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 Φ48mm×3.5 mm，长度 1.2 m，钢材牌号为 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)中要求，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。

　　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，每种锈蚀批次设试件 3 个，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。

　　(1)式中：m0 为试件锈蚀前质量，kg;m 为试件锈蚀后质量，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，再通过点扫描的方式以 S 路径获得钢管三维表面形貌特征。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。

　　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。

　　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钢管内壁，且随着锈蚀时间的增加二者差距逐渐增加。

　　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：

　　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，而钢管内壁在 10 d ~ 40 d 期间坑蚀率增长缓慢;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加，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，造成了坑蚀率迅速增加;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，并未明显体现出锈蚀层对钢材表面的保护作用。

　　3)表面最大高差 Sz 仅体现表面最高点与最低点间高度差，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 值整体呈现上涨趋势，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锈坑，并且蚀坑体积随着锈蚀程度的增加而增加。在轴向拉伸时锈坑周围会产生应力集中现象，在坑蚀处过早的产生裂缝，随着裂缝进一步的发展，最终导致了钢管材料强度和延性随失重率增加而逐渐下降。

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

　　2.3 锈蚀钢管轴心受压试验结果

　　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，曲率最大点均处于钢管中段。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，钢管呈现明显弯曲变形状态;轴向荷载在达到峰值后迅速下降，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。

　　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弹性阶段、弹塑性阶段、破坏阶段 3 个阶段;在弹性阶段，随荷载的增大，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。

　　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%。钢管极限承载力的降低原因有：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。

　　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。

　　(3)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增强，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 均会呈现不同程度劣化，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，建议实际工程锈蚀脚手架体系承载力计算时，不对式(3)中的 3 个参数调整，而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 进行锈蚀钢管轴压承载力的计算，计算公式见式(4)。

　　(4)式中，K 为锈蚀影响系数，可从图 9 拟合得到， K=1 0.01368   w (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了表面形貌测试、材料性能试验、轴心受压试验，研究了钢管内外壁形貌特征、钢材性能退化以及锈蚀钢管承载力特性，提出了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、粗糙程度均强于钢管内壁。

　　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，提出了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公式对锈蚀钢管立杆稳定性进行验算。