随机点蚀圆钢管柱力学性能试验与应用分析

2022-09-27杨明飞董悦奇程华瑞沙志平陈宜网

安徽建筑大学学报 2022年4期

杨明飞，董悦奇，程华瑞，沙志平，陈宜网

（1.安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南 232001；2.中国二十冶集团有限公司工程设计研究院，上海 201900；3.安徽圣沃建设集团有限公司，安徽合肥 230001）

钢的耐腐蚀性较差，尤其在潮湿环境中更容易发生腐蚀损伤，其中以点蚀损伤最为常见。点蚀又称为孔蚀，是一种集中于金属表面很小的范围并深入到金属内部的腐蚀形态。由于钢结构构件中大阴极与小阳极这种腐蚀电池的存在，使得构件局部卤素离子不断入侵，金属离子不断析出，最终形成了阳极区域局部高度集中的腐蚀形式。点蚀损伤会影响构件的屈服荷载和弹性模量等力学属性，从而影响结构的安全。从人类社会大量使用钢结构至今，许多国内外专家、学者已经对钢材发生点蚀损伤进行了大量研究[1-4]。Nakai 等[5]分析了海洋环境中船舶的点蚀损伤，研究了腐蚀坑的形态，提出了不同腐蚀坑形状随时间的作用。马厚标等[6]研究了高强度钢材表面的点蚀损伤对钢材力学性能的影响，得出点蚀损伤导致的局部应力集中是引起钢材屈服平台消失和力学性能衰退的主要原因。Rahbar-Ranji 等[7]采用非线性有限元方法比较了不规则腐蚀板和均匀腐蚀板的极限强度，并引入折减系数，为评价腐蚀构件的强度提供了依据。Silva等[8]和Karagah 等[9]研究了随机腐蚀厚度分布对单轴压缩无筋矩形钢板极限强度的影响。徐善华等[10]采用三维形貌测量技术测得不同锈蚀程度钢板表面点蚀坑几何参数，并通过单调拉伸试验和有限元数值分析研究了点蚀损伤对钢板延性的影响。吴兆旗等[11]对局部锈蚀的圆钢管构件进行轴压力学性能正交试验，研究了环向锈蚀比例、轴向锈蚀比例和锈蚀时间等因素对圆钢管中长柱轴压性能的影响。此外，一些国内专家、学者通过试验及利用有限元软件模拟对点蚀损伤构件的力学性能做了进一步研究[12-15]。

本文设计了随机点蚀圆形钢管柱轴压试验，考虑了内径（Rn）和点蚀损伤强度（DOP）对圆形钢管柱力学性能的影响。利用ANSYS 有限元软件分别建立了损伤构件和非损伤构件的数值模型；接着进行非线性分析，通过控制点蚀参数和改变点蚀损伤位置，确定了点蚀损伤对构件屈服载荷的影响；最后，通过分析得出了一些有价值的结论。

1 点蚀损伤构件试验分析

1.1 试验参数与工况

试验中构件高度L 为0.5 m，壁厚T 为0.004 m。点蚀损伤构件如图1 所示。

图1 点蚀损伤构件

随机点蚀损伤构件上的点蚀坑深d 为0.003 m，半径r 为0.004 m，点蚀区域为2L/5 柱脚。将点蚀区域进行网格划分，点蚀坑的具体位置根据ANSYS 有限元软件中的随机函数确定。同时，点蚀坑的数量P 由DOP 决定，按照构件基本参数选择合理的点蚀损伤强度。这里，DOP 根据式（1）计算。

Api为第i 个坑的截面积，由式（2）计算；di是坑的直径；A 为局部点蚀区面积，在此截面模型中，由式（3）计算。

轴向压缩试验在安徽理工大学地下结构工程实验室电液伺服万能试验机（100 t）上进行。试验采用分级加载方法：第一阶段采用理论计算得到的设计极限荷载的1/10 进行预紧。在此之后，加载速率保持在2 mm/min。当试件在经度方向的位移达到25 mm 时，宣告试验结束。试验结果如表1所示。

表1 试验结果

1.2 试验结果分析

1.2.1 屈服荷载分析

三种不同内径损伤构件的屈服荷载随DOP 变化的曲线如图2 所示。

图2 屈服荷载-DOP 曲线

由图2 可知，随着DOP 的增大，三种不同内径损伤构件的屈服荷载均近似呈现线性下降趋势。

当Rn 为16 mm 时，随着DOP 的增大，损伤构件的承载能力逐渐被削弱，屈服荷载分别下降了5.27%、7.52%、12.31%，影响较为显著。当Rn 为36 mm 时，随着DOP 的增大，屈服荷载下降趋势较低，屈服荷载分别下降了1.53%、5.79%、4.56%，影响相对较小；DOP 为3%时的屈服荷载为358.72 kN，屈服荷载仅下降了4.56%，下降幅度约为前者三分之一，影响较小。构件发生点蚀损伤时，内径越小构件屈服荷载下降越大。

1.2.2 弹性模量分析

三种不同内径损伤构件的弹性模量随DOP 变化的曲线如图3 所示。

图3 弹性模量-DOP 曲线

由图3 可知，随着DOP 的增大，三种不同内径损伤构件的弹性模量均显著下降，下降趋势可以近似用线性表示。并且，弹性模量下降幅度与内径大小显著相关。

当DOP 为3%时，Rn 为16 mm 的损伤构件的弹性模量仅为180.34 GPa，降低了14.92%；而Rn为36 mm 的损伤构件的弹性模量为197.75 GPa，仅降低了7.12%，下降幅度仅为前者一半左右。DOP对内径较小损伤构件的弹性模量影响较大，对内径较大损伤构件的弹性模量影响较小。

1.2.3 应变分析

应变测点T1 位于环向点蚀坑之间，T2 位于纵向点蚀坑之间，如图4 所示。应变测点处布置单向应变片，并用静态应变仪测出应变值。三种内径的随机点蚀损伤构件，在DOP 为4%时，对应测点应变发展趋势大致相同。以内径为26 mm 的损伤构件为例，测点T1、T2 的荷载-应变曲线如图5 所示。

图4 测点位置

图5 荷载-应变曲线

由图5 可知，环向点蚀坑之间T1 的应变发展迅速，构件达到屈服状态时应变为-5 100με；纵向点蚀坑之间T2 的应变发展较为缓慢，构件达到屈服状态时应变仅为-1 833με。构件发生随机点蚀损伤时，构件环向应变发展明显快于纵向应变发展。

2 点蚀损伤构件数值分析

2.1 无损圆形钢管柱

根据试验中的无损圆形钢管柱参数建立其数值模型，模型中钢材使用SHELL 181 单元模拟，泊松比为0.3，弹性模量为206 GPa，材料假设为弹塑性体，采用双线性随动强化模型（BKIN）。

无损圆钢管柱构件试验变形情况与数值模拟结果基本一致，其中内径为36 mm 的构件的荷载-位移试验曲线与数值曲线如图6 所示。

图6 荷载-位移曲线

由图6 可以清楚地看出，试验构件的荷载-位移曲线与数值分析得到的曲线吻合较好。试验曲线上屈服荷载为375.87 kN，数值曲线上屈服荷载为371.36 kN。试验和数值分析的其余结果见表2。

表2 无随机点蚀损伤圆形钢管柱的屈服荷载

由图7 可知，当内径为36 mm，DOP 为2%时，通过数值模型得到的荷载-位移曲线与试验得到的荷载-位移曲线吻合较好。试验曲线上屈服荷载为354.10 kN，数值曲线上屈服荷载为358.23 kN。试验和数值分析的其余结果见表3。

图7 荷载-位移曲线

表3 中屈服荷载的试验值由荷载-位移曲线得到。由表3 可知，在9 个误差数据中，数值与试验值的最大误差为-11.78%，最小误差仅为1.17%。从以上分析可以看出，损伤和未损伤构件的数值模型是合理的，可以用于后续的分析。

表3 随机点蚀损伤圆形钢管柱的屈服荷载

3 点蚀损伤构件应用分析

井架一般位于露天环境中，井架构件在长期服役过程中受到雨水冲刷等环境因素影响，易发生点蚀损伤造成构件承载能力降低，进而影响井架结构的安全性，如图8 所示。

图8 井架

3.1 参量设置

在井架结构的服役过程中，其底部柱子由于接近地面，更易受到点蚀损伤。为了对柱子进行更好的防护，需要研究柱子的点蚀损伤敏感区。因此，沿纵向将损伤范围分别设为L/5、2L/5、3L/5，如图9所示。

图9 局部点蚀损伤区域

t 为点蚀坑深度，T 为未损坏圆形钢管柱的壁厚。

在分析中，M0L0 被定义为未损坏构件，M1L1是DOP 不同的损坏构件。壁厚损伤因子α 按比例增大考虑对屈服荷载的影响。同时，根据实际结构情况，柱脚处出现局部点蚀破坏。因此，以L/5柱脚损伤为例，所有参数设置如表4 所示。

表4 L/5 柱脚点蚀损坏情况

3.2 工况分析

未损坏构件M0L0 的屈服荷载为2 038.30 kN。当α 为常数时，屈服载荷-DOP 曲线如图10 所示。

由图10 可知，当α 为常数时，随着DOP 的增加，不同点蚀区域下圆钢管柱的屈服荷载均呈下降趋势，但下降幅度差别显著。

当α 为0.2、DOP 为23.61%时，L/5 柱脚处，屈服荷载为2 032.13 kN，仅下降了0.30%；2L/5～3L/5柱脚处，屈服荷载为1 965.32 kN，下降了3.58%，下降幅度明显大于前者。

当α 为0.8、DOP 为23.61%时，L/5 柱脚处，屈服荷载为1 982.41 kN，仅下降了2.74%；2L/5～3L/5柱脚处，屈服荷载为1 488.80 kN，下降了26.96%，下降幅度明显大于前者。

由图10 及以上分析可知，构件发生点蚀损伤时，文中所选损伤区域屈服荷载的下降幅度顺序为：2L/5～3L/5 柱脚＞L/5～2L/5 柱脚＞L/5 柱脚。2L/5～3L/5 柱脚处随机点蚀损伤对构件屈服荷载的影响最大，故2L/5～3L/5 柱脚处是点蚀损伤的敏感区，在实际工程中应对构件的该区域重点防护。