抗弯区局部锈蚀高性能钢梁有限元研究.pdf

为了探索局部腐蚀对 高性能钢梁力学性能的影响，通过有限元建模和 扫描技术，分析了相对腹板高度、相对腹板厚度和相对翼缘厚度对锈蚀梁极限承载力、临界屈曲荷载的影响，同时，将有限元模拟结果与试验结果进行比较。研究结果表明：扫描技术结合有限元分析能较好地预测试验结果；腹板厚度的锈蚀损伤对极限强度和临界屈曲荷载的影响大于腹板高度的锈蚀损伤，腹板锈蚀对临界屈曲荷载的退化影响更大；腹板腐蚀不影响极限荷载，但当相对腹板腐蚀深度小于 时，临界屈曲荷载的折减率维持在 左右。关键词：梁；局部锈蚀；有限元；抗弯区中图分类号：文献标志码：引言钢结构是民用基础设施的重要组成部分，随着大跨度建筑结构的发展，要求钢结构质量越来越轻，工程结构中对力学性能好且轻质的材料需求不断增加。高性能钢（）以其优异的强度、刚度和轻质等性能已广泛应用于工程结构中 。对于暴露在潮湿或盐环境中的钢结构，锈蚀是其结构性能退化的主要影响因素 。由于锈蚀造成的建筑结构事故往往伴随着人员伤亡和经济损失 ，因此如何防止锈蚀、保持工程结构正常使用非常重要 。目前，与 结构相关的研究方向主要集中在锈蚀钢的残余力学性能 和影响锈蚀 组分性能退化的因素方面 ，且主要针对整体构件的均匀锈蚀，而关于抗弯区局部锈蚀对 整体结构性能的影响研究甚少。有限元分析作为一种高效和经济的仿真方法已被广泛运用。许多学者运用有限元分析方法研究锈蚀 结构力学性能。郭鹏 利用直接分析法对 梁的初始几何缺陷进行处理，同时分析了 梁截面的残余应力分布状态。等 通过一系列非线性有限元分析，对承受均匀竖向弯矩影响下的锈蚀箱梁进行分析。于坤等 以青岛航道桥为工程背景，基于海洋环境下钢材的锈蚀预测模型，建立不同锈蚀年限的有限元钢箱梁锈蚀模型，对钢箱梁桥的耐久性和安全性做出评估。另外，光学扫描技术已成功应用于工程锈蚀领域 ，利用降低厚度的传统表征锈蚀方法已被 光学扫描所取代 。基于三维扫描，许多学者得到了锈蚀钢筋的残余截面面积和力学性能的退化规律 。等 将三维扫描生成的网格模型进行转换，得到四面体网格有限元模型，并将数值结果与试验结果进行比较。三维光学扫描具有精度高、携带方便、效率高等优点，是捕获 光束锈蚀特性的有效方法。目前对于局部锈蚀高性能钢的力学性能研究较少，为了更好地了解不同几何参数对局部锈蚀 梁抗弯性能的影响，本文结合 扫描技术和有限元分析方法建立了考虑局部锈蚀 梁的有限元模型，在此基础上，分析了相对腹板高度、相对腹板厚度和相对翼缘厚度对锈蚀梁极限承载力、临界屈曲荷载和破坏模式的影响。局部锈蚀高性能钢抗弯静载试验本试验设计了 片局部锈蚀 梁，设计参数如表 所示，符合 钢结构设计规范（湖南交通科技 卷 ）要求。试验梁几何尺寸如图 所示。试验梁采用实验室电化学快速锈蚀，锈蚀设计如图所示。在获得试验梁的初始质量后，将锈蚀槽安装在预定的锈蚀位置，然后将 的氯化钠溶液作为电解液注入锈蚀槽中。锈蚀时间采用法拉第定律 计算，可以表示为：式中：为元电荷；为阿伏加德罗常数；为电子束初始质量；为锈蚀后电子束质量；为锈蚀电流。试验梁锈蚀完成后，采用 点加载的静载试验，试验装置见图 ，图中 为百分表，用于测量挠度，同时测量试验梁不同位置的应变。试验中采用分级加载，试验梁屈服前 一级，屈服后 一级。表 构件设计及分组编号锈蚀位置预期锈蚀率 材料数量 未锈蚀 纯弯段受拉区 纯弯段受拉区 纯弯段右半区 881848100200350350350100350200200110110图 试验梁几何尺寸（单位：）5?%?（）梁 和 锈蚀?5?%（）梁 锈蚀图 试验梁锈蚀设计?D4D5D1D2D3100350350400350350100图 试验梁加载装置（单位：）有限元分析 有限元模型介绍本文中 梁模型采用八节点线性六面体实体单元。为了保证足够的计算精度，纵向单元尺寸设置为 。厚度方向的单元个数不同，其中最小的锈蚀面积为 个单元。文献 研究了锈蚀材料力学性能的退化，但这种退化对锈蚀梁承载能力或弯曲行为的影响很少被讨论，这是因为锈蚀不会改变真实应变和真实应力之间的关系。另外，也有学者认为材料的应变硬化对钢结构极限强度的影响可以忽略不计，因此本文针对 的材料性能选择了弹塑性材料模型，忽略了应变硬化的影响。为了得到更真实的结果，本文选择 三阶段本构模型，如图 所示。图中 为屈服应力，为屈服应变，为极限应力，为极限应变。本文 材料性能数据是根据 金属材料室温拉伸试验方法（）对试验梁同批次钢进行力学试验而获得。拉伸试验结果表明，的实际屈服应力为 ，泊松比为 。弹性模量为 ，不受锈蚀程度影响。期周艺广：抗弯区局部锈蚀高性能钢梁有限元研究fucfyc0fshchcucsc图 本构关系图 为有限元模型约束条件，如图所示，在试验加载装置的基础上设置了锈蚀 梁的边界条件。实际加载边界条件为梁的两端简支，因此，在个支座位置，约束纵向和横向位移；在梁的下翼图 有限元模型约束条件缘处，在其中 个支座处约束纵向位移。梁腹板和上翼缘处的横向位移也受到约束。通过耦合约束将集中荷载施加到梁截面上，以避免应力集中。有限元模型锈蚀有限元模型由 块加筋肋板、块翼缘板和 块腹板组成。采用精度为 的 扫描设备对锈蚀梁进行扫描，确定锈蚀程度、锈蚀部位的残余厚度以及锈蚀梁各部位的细节（见图 ）。如图 所示，上翼缘、下翼缘和腹板的锈蚀程度不同，但同一部位的锈蚀尺寸分布相对均匀。表 给出了能够真实反映出锈蚀区域的平均残余厚度。在相同锈蚀条件下，梁 和 拉伸翼缘的锈蚀率几乎是其腹板的 倍，这是因为在电偶锈蚀过程中，连接电极的钢板被放置在锈蚀槽上，因此，在实际锈蚀过程中，底板比腹板离电极更近，锈蚀效果更强烈。图 锈蚀 梁扫描结果表 试验梁 扫描后各部分厚度部位 厚度 锈蚀率 厚度 锈蚀率 厚度 锈蚀率 厚度 锈蚀率 受压翼缘腹板（下半部）受拉翼缘 受压翼缘（右半部）腹板（右边）受拉翼缘（右半部）有限元分析验证为了验证有限元分析的可靠性，对试验梁与相应的有限元模型梁的荷载 挠度曲线和破坏模式进行了对比，如图 所示。由图 可知，各梁的荷载 挠度曲线变化趋势相同，但相同数值量级荷载作用下，有限元分析的位移值小于试验结果，这可能是因为在试验过程中，测试梁与各仪器之间的接触存在间隙，导致存在一定的虚位移。各梁的极限荷载对比如表 所示，这些数据表明有限元分析可以较准确地预测试验结果。例如，试验和有限元分析得到的梁 极限荷载分别为 和 ，相对误差小于 。临界屈曲荷载的模拟值和测试结果之间有一定的误差，主要原因可能是焊接完成后，出现初始应变前，虽然试样的应变对极限荷载湖南交通科技 卷的影响不明显，但在加载的过程中，这将导致翼缘板的表面积提前发生局部屈曲。01002003004005006000102030405060?/kN?/mm（）梁?01002003004005006000102030405060?/kN?/mm（）梁?/mm01002003004005006000102030405060?/kN（）梁?/kN01002003004005006000102030405060?/mm（）梁 图 模拟值与试验值对比表 试验结果和模拟结果对比试验梁试验极限荷载 试验临界压屈荷载 有限元极限荷载 有限元临界屈曲荷载 有限元模型参数分析本文中有限元模型和试验梁的原始尺寸保持一致，设置 个局部锈蚀参数为可变参数，即底部翼缘厚度损失 、腹板高度损失 和腹板厚度损失（见图 ）。下翼缘的锈蚀长度和锈蚀宽度是恒定的，分别为 和 。此外，锈蚀的位置也固定在弯曲段。腹板相对高度损失定义为实际损失高度 与腹板高度 的比值。底部翼缘和腹板的相对厚度损失分别定义为实际厚度损失（或 ）与梁相应的原始厚度（或）之比。表 记录了上述比值。图 为典型梁有限元模型荷载 挠度曲线，试验梁在屈曲发生之前，整个梁对荷载的响应遵循胡?tcf?/2tcw?hcw图 梁锈蚀截面克定律，将图 中直线段与曲线段分叉点处的荷载定义为临界屈曲荷载。最大荷载值由荷载 位移曲线确定，即锈蚀 梁的极限荷载。锈蚀 梁期周艺广：抗弯区局部锈蚀高性能钢梁有限元研究010020030040050060001020304050?/mm?/kN图 典型梁有限元模型荷载 挠度曲线的极限荷载和临界屈曲荷载可根据表 信息求得。图 和图 给出了局部锈蚀 梁在不同相对锈蚀腹板厚度和相对锈蚀腹板高度下的临界屈曲荷载比和极限荷载比的减小情况。锈蚀腹板厚度比对临界屈曲荷载和极限荷载的影响相较于锈蚀腹板高度比更重要、更敏感。也就是说，腹板厚度的锈蚀损伤对极限强度和临界屈曲荷载的影响大于腹板高度的锈蚀损伤。此外，可以发现腹板锈蚀对临界屈曲荷载的退化影响更大。腹板腐蚀不影响极限荷载，但当相对腹板腐蚀深度小于 时，临界屈曲荷载的折减率维持在 左右。表 锈蚀梁有限元模型几何参数模型 图 不同锈蚀腹板厚度对临界屈曲荷载比的影响图 不同锈蚀腹板厚度对极限荷载比的影响湖南交通科技 卷 结论本文通过有限元建模和 扫描技术，研究了局部腐蚀对 高性能钢梁力学性能的影响，分析了相对腹板高度、相对腹板厚度和相对翼缘厚度对锈蚀梁极限承载力、临界屈曲荷载的影响，获得了如下结论：）扫描技术扫描锈蚀状态，结合有限元分析能较好地预测局部锈蚀高性能钢力学性能。）腹板厚度的锈蚀损伤对极限强度和临界屈曲荷载的影响大于腹板高度的锈蚀损伤，腹板锈蚀对临界屈曲荷载的退化影响更大。腹板腐蚀不影响极限荷载，但相对腹板腐蚀深度小于 时，临界屈曲荷载的折减率维持在 左右。参考文献：，（）：，（）：唐皇，彭建新，王晗，等 考虑黏结应力传递的抗弯加固锈蚀 梁挠度计算方法 土木与环境工程学报（中英文），（）：唐皇，彭建新，王晗 不同钢板加固方式对锈蚀钢筋混凝土梁承载性能的影响 土木与环境工程学报（中英文），（）：张建仁，唐皇，彭建新，等 锚贴钢板加固 锈蚀梁承载力计算方法与试验研究 工程力学，（）：，（）：，：，（）：，：，（）：郭鹏 高强钢焊接工字梁整体稳定和局部稳定性能分析 天津：天津大学，（）：于坤，董彩常，姜美文，等 红岛航道桥钢箱梁腐蚀后安全性分析 公路交通科技，（）：，：，（）：，（）：，（）：，：，（）：櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧 （上接第 页）褚晨枫高速公路改扩建旧路检测与评价技术 长沙：长沙理工大学，交通运输部 ，公路水泥混凝土路面设计规范 北京：人民交通出版社有限公司，交通运输部 ，公路沥青路面设计规范 北京：人民交通出版社有限公司，彭杰 高速公路大修工程路面施工方案优化设计 公路工程，（）：刘朝晖，周婷，李盛，等 现行规范旧水泥混凝土路面加铺层设计的若干问题研究 公路交通科技，（）：邵文文 潭耒高速公路旧水泥路面共振破碎施工技术研究 长沙：长沙理工大学，杨梦 沪昆高速公路湘潭至邵阳段旧水泥路面大修方案研究 长沙：长沙理工大学，