摘要
钢管混凝土具有强度高、韧性好、施工便捷和抗震性能优良等优点，被广泛应用于建筑、桥梁、地下工程、输电塔以及石油钻井平台等结构中。沿海环境、潮湿和酸雨环境下服役的钢管混凝土极易出现腐蚀，腐蚀会削弱钢材截面面积，导致力学性能的劣化，降低构件的承载力和塑性变形能力。因此，腐蚀后钢管混凝土力学性能研究是工程界亟需解决的问题之一，也是进一步研究在役钢管混凝土结构耐久性的重要问题。目前关于钢管混凝土构件腐蚀后的力学性能研究主要集中在轴压、轴拉、偏压和拟静力等力学性能方面，钢材强度主要采用Q235和Q345,混凝土强度主要采用C30-C55,而对高强钢管混凝土柱腐蚀后的力学性能研究还十分有限，因此本文针对腐蚀后的高强钢管混凝土柱的轴压力学性能开展研究，主要研究内容如下: (1)对12组Q460高强钢材性试样进行了不同腐蚀率加速腐蚀试验和拉伸试验，分析了高强钢腐蚀后的力学性能和破坏形态。通过观察钢材的腐蚀过程发现:实际腐蚀是均匀腐蚀和点蚀同时发生的，钢表面有明显坑蚀，表面不平整，肉眼可见细小无规律的凸起或凹陷。通过腐蚀后钢材试样的单轴拉伸试验发现:高强钢(Q460)腐蚀前后的各个材性试样均无明显屈服平台，普通强度钢材(Q235、Q345)腐蚀后屈服平台消失;随着腐蚀率增加，所有材性试样由韧性破坏变为脆性破坏，断裂应变逐渐减小，屈服强度和极限强度逐渐降低，强化段变短;由于腐蚀坑出现了随机性，断裂发生在截面面积最小处或应力集中处。对腐蚀后的Q460、Q235、Q345圆钢管和Q460方钢管的屈服强度、极限强度和弹性模量进行线性拟合，得到回归直线方程，拟合优度平均值为0.860,回归直线拟合较好。 (2)以腐蚀后钢管混凝土柱和高强钢管混凝土柱的轴压试验为基础建立有限元模型，验证了本构模型、接触关系和边界条件的正确性。在此基础上建立了88个钢管混凝土柱有限元模型，考虑了腐蚀率、钢材强度、混凝土强度和长细比对轴压承载力的影响。结果表明:腐蚀率越大，高强钢管混凝土柱极限承载力退化越明显，相对于圆形截面，方形截面的轴压承载力受腐蚀影响更为明显;相较于方形截面，提高钢材强度对圆形截面的腐蚀后钢管混凝土柱的承载力提升幅度更大，腐蚀率为20％,钢材强度等级从Q235提高到Q460时，承载力可提升14.25％;减小混凝土强度，对腐蚀率越大的构件，其承载力降低幅度越明显，且方形截面的钢管混凝土柱承载力下降幅度更大，方钢管混凝土腐蚀率为20％,混凝土强度从C60减小到C50和C40时，承载力分别下降12.89％和24.72％;长细比从8.75加到16.63,对承载力影响不大，对刚度影响明显。 (3)通过引入“腐蚀后屈服强度”，得到了腐蚀后圆/方钢管混凝土轴压承载力修正公式，并根据有限元计算结果证明了修正方法的可行性。根据修正后公式计算，发现修正后的ACI 318-19和CECS 28-2012计算结果与有限元计算的承载力相差最大，平均误差均大于5％。修正后的英国规范BS 5400预测腐蚀后圆形截面和方形截面的高强钢管混凝土轴压承载力更为准确，平均误差分别为2％和1％,可为工程实际作为参考。
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