項(xiàng)目的技術(shù)路線及預(yù)期成果
技術(shù)路線：
圍繞本申請項(xiàng)目的研究內(nèi)容，采用模型試驗(yàn)方法對高性能鋼材及結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能展開研究?；韭肪€如下：
1. 室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)
高性能鋼梁15片，其中有6片梁在清洗完表面銹層后直接進(jìn)行極限加載試驗(yàn)，作為后續(xù)研究中性鹽霧腐蝕鋼梁抗彎性能的對比組，剩余9片梁使用電化學(xué)加速腐蝕的方法分別腐蝕不同的時間，達(dá)到設(shè)計銹蝕率左右后，進(jìn)行腐蝕鋼梁抗彎性能研究。
試驗(yàn)采用電化學(xué)快速腐蝕方法進(jìn)行高性能鋼的快速銹蝕，使試件達(dá)到所控制的銹蝕率。實(shí)驗(yàn)在溫度為20℃，濕度為65%的環(huán)境中進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)步驟如下：
按設(shè)計尺寸制作銹蝕槽，將連接工字鋼的導(dǎo)線與恒定直流電源陽極相連接，而直流電源的陰極則與溶液中的不銹鋼相連接，通過槽內(nèi)5%的NaCl溶液形成回路，在電流作用下，陽極的試件發(fā)生銹蝕。
工字鋼銹蝕量的控制：設(shè)需銹蝕的工字鋼總重量為W，由陽極反應(yīng)Fe-2e→Fe2+知，1mol鐵的銹蝕，釋放2mol的電子。因此，銹蝕W/M的鐵（M為鐵的摩爾質(zhì)量），釋放的電子數(shù)為2W/M，因此消耗電量為：Q＝（2W/M）N*e。式中：N為阿佛加德羅常數(shù)，6.02×1023mol-1；設(shè)通電時電流強(qiáng)度為i，通電時間為t，則消耗電量為Q＝i×t，即：i×t＝（2W/M）Ne設(shè)銹蝕速度為V，由W＝V×t，可得：V＝（M×i）/（2N×e）因此，確定電流強(qiáng)度i，計算出銹蝕速度V后，由所需要銹蝕的鋼重量W，可以算出需要通電的時間：
t＝W/V=2W×Ne/M/i
銹蝕之前需要對構(gòu)件進(jìn)行稱重，并利用3D掃描儀掃出其輪廓尺寸。銹蝕過程中，定時記錄電流和加水，確保溶液覆蓋銹蝕部位。銹蝕以后，將表面的浮銹清洗之后，再用12%的稀鹽酸進(jìn)一步清洗鐵銹，隨后用氫氧化鈣中和，烘干以后稱重并計算質(zhì)量銹蝕率，隨后再進(jìn)行3D掃描儀掃出其銹后的輪廓尺寸。
2. 統(tǒng)計相關(guān)參數(shù)
基于室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)，統(tǒng)計腐蝕參數(shù)，運(yùn)用3D掃描儀設(shè)計表格統(tǒng)計蝕坑數(shù)，蝕坑形狀以及蝕坑的分布位置，翼緣腹板等蝕坑分布情況及規(guī)律等，統(tǒng)計結(jié)構(gòu)初始質(zhì)量，通電時間和銹蝕率，腐蝕速率等數(shù)據(jù)。
3.銹蝕梁抗彎承載力性能試驗(yàn)
銹蝕梁抗彎試驗(yàn)主要分為兩個步驟進(jìn)行，以分別研究其抗彎剛度退化以及極限承載力的退化。
3.1 腐蝕梁抗彎剛度（EI）退化研究試驗(yàn)
該部分試驗(yàn)完全在鋼梁材料彈性范圍內(nèi)進(jìn)行，對儀器精度要求很高、每一次測量和每一步操作都必須精準(zhǔn)到位。首先用鋼尺將鋼梁上下翼緣板沿梁長方向進(jìn)行20等分，等分距為100mm，沿寬度方向進(jìn)行2等分找出對稱軸，并用油性筆標(biāo)出方便后續(xù)架設(shè)百分表，在跨中、集中荷載作用處、距離跨中50mm處設(shè)置5個百分表，編號D1～D5,測量鋼梁同一級荷載下不同位置處的撓度，其中D2～D3除了用來測量撓度外，還可以組合起來用來測量鋼梁處于彈塑性階段的變形曲率，具體見后續(xù)介紹。這里需采用機(jī)械千斤頂加載，機(jī)械千斤頂相對于其他液壓裝置來說具有更好的穩(wěn)定性在正式加載前必須對鋼梁進(jìn)行預(yù)加載，減少或消除支座位移，觀察千分表運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常。正式加載采用分級加載，加載上限初步設(shè)定為40kN，加載步長為每級2kN至4kN不等，每加載一級后停10—15min，待荷載穩(wěn)定后進(jìn)行讀數(shù)，加載裝置如圖7所示。
圖7 研究抗彎剛度退化加載簡圖 單位（mm）
3.2腐蝕梁極限抗彎承載力退化研究試驗(yàn)
進(jìn)行完抗彎剛度退化研究試驗(yàn)后，百分表數(shù)量可適當(dāng)減少至5個，分別放置在跨中、梁跨1/3處以及兩支座點(diǎn)處，在分別距支座位置500mm設(shè)置側(cè)向支撐防止加載過程中出現(xiàn)整體失穩(wěn)現(xiàn)象，同時在支座位置處設(shè)置夾支鉗住梁端防止扭轉(zhuǎn)，預(yù)加載檢測儀器設(shè)備正常后進(jìn)行分級加載，每加載一級中間停10—15min，待荷載穩(wěn)定后進(jìn)行讀數(shù)，加載步長10KN到20KN不等，試驗(yàn)梁開始進(jìn)入塑性后連續(xù)加載直至荷載不能繼續(xù)增加，達(dá)到極限荷載且隨后荷載出現(xiàn)顯著下降后停止加載，觀察最終的破壞形態(tài)數(shù)據(jù)要連續(xù)采集。具體加載裝置如圖3.2所示。
圖8 研究極限承載能力退化試驗(yàn)加載簡圖
4.利用3D掃描技術(shù)，分析鋼板銹蝕特征，建立銹蝕特征與鋼板的力學(xué)性能的相關(guān)模型
加速腐蝕高性能鋼梁，建立不同腐蝕形式下高性能鋼梁的抗力計算模型；分析腐蝕參數(shù)的概率分布特征，考慮隨機(jī)參數(shù)的時變性及空間變異性，建立不同腐蝕形式下的抗力退化模型及時空可靠度計算模型。具體如下：
為了對銹蝕坑洞的分布規(guī)律、銹坑的形態(tài)以及截面尺寸進(jìn)行準(zhǔn)確地統(tǒng)計，長沙理工大學(xué)橋梁試驗(yàn)室購買了3D掃描儀，對銹蝕構(gòu)件進(jìn)行掃描以后，利用3D systems公司的geomagic軟件進(jìn)行3D數(shù)字化處理，以達(dá)到分析目的。
為了對比室內(nèi)加速腐蝕以及通電腐蝕高性能鋼結(jié)構(gòu)的性能退化規(guī)律，利用長沙理工大學(xué)人工氣候箱進(jìn)行自然噴霧腐蝕模擬，利用電化學(xué)腐蝕技術(shù)對高性能鋼進(jìn)行通電加速腐蝕，本團(tuán)隊在兩項(xiàng)技術(shù)的運(yùn)用十分嫻熟，已經(jīng)進(jìn)行過大量的鋼筋混凝土梁，預(yù)應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)。
5.對比自然腐蝕與加速腐蝕以及未腐蝕試件，研究腐蝕影響
自然腐蝕主要是空氣中的氧氣和水與鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行化學(xué)和電化學(xué)腐蝕引起，大氣中的水汽層作為金屬表層的電解離層，空氣中的溶于水汽層的氧作為陰極，鋼結(jié)構(gòu)作為陽極一起形成腐蝕原電池。形成大氣腐蝕電極反應(yīng)。
加速腐蝕即以NaCl溶液為電解液，以一金屬與鋼結(jié)構(gòu)共同形成腐蝕原電池，通電加速鋼結(jié)構(gòu)腐蝕。
相比傳統(tǒng)的電解腐蝕試驗(yàn)，我們通過三種不同情況（自然腐蝕，加速腐蝕與未腐蝕）的腐蝕條件進(jìn)行試驗(yàn)，且加速腐蝕采用9個不同濃度的電解質(zhì)溶液（NaCl溶液）又形成一個相同試驗(yàn)不同濃度的對比試驗(yàn)，更加清晰鮮明的試驗(yàn)結(jié)果。最后進(jìn)行加載荷載，得到不同試驗(yàn)方式的實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及同種試驗(yàn)方式不同試驗(yàn)濃度的試驗(yàn)結(jié)果，研究腐蝕對高性能鋼結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能影響。
預(yù)期成果：
通過團(tuán)隊成員努力，在3D掃描技術(shù)的支持下，利用計算機(jī)手段展現(xiàn)和分析研究在不同的腐蝕環(huán)境下的鋼梁的銹坑的形狀孔徑、蝕坑數(shù)目、及分布特征，翼緣腹板等蝕坑分布情況及規(guī)律等，統(tǒng)計結(jié)構(gòu)初始質(zhì)量，通電時間和銹蝕率，腐蝕速率等數(shù)據(jù)，最終建立兩種銹蝕環(huán)境下的面積損失模型。
對比電化學(xué)加速腐蝕和自然噴霧腐蝕兩種不同的手段，揭示通電腐蝕與噴霧腐蝕環(huán)境下高性能鋼梁結(jié)構(gòu)性能的退化規(guī)律。
通過承載力試驗(yàn)，結(jié)合高性能鋼的腐蝕特征，分析得出腐蝕環(huán)境下鋼結(jié)構(gòu)力學(xué)行為變化規(guī)律，成功建立承載力計算模型。
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