既有大跨度鋼結(jié)構(gòu)空間管桁架銹蝕情況分析

金偉峰

上海市機械施工集團有限公司 上海 200072

現(xiàn)階段，我國有大量既有鋼結(jié)構(gòu)建筑經(jīng)過長時間服役，已經(jīng)進入功能退化期，其在建造與服役期間產(chǎn)生、積累的缺陷與損傷已對結(jié)構(gòu)抗力產(chǎn)生了重大影響?？紤]到我國現(xiàn)階段的經(jīng)濟水平，將這些既有鋼結(jié)構(gòu)建筑全部拆除重建是不現(xiàn)實的。因此，將這些既有鋼結(jié)構(gòu)建筑加固、改造后繼續(xù)服役是符合國情的最佳戰(zhàn)略。

鋼材銹蝕問題是一個極為復(fù)雜的問題，它涉及物理、化學(xué)等一系列自然科學(xué)。對于這樣的一個跨學(xué)科問題，想用一個公式或者幾個定理將其闡述完整是十分困難的[1]。在面對實際工程問題時，人們往往更關(guān)心鋼結(jié)構(gòu)銹蝕引起的鋼結(jié)構(gòu)承載性能、剛度及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等方面的變化。銹蝕對鋼結(jié)構(gòu)造成的損傷容易導(dǎo)致工程事故的發(fā)生，例如1996年武鋼焦化廠鋼結(jié)構(gòu)皮帶通廊整體倒塌，2004年萊蕪鋼鐵股份有限公司特鋼廠煉鋼主廠房倒塌，2004年陜西重型機器廠鑄鋼車間倒塌，2005年俄羅斯丘索沃伊市游泳館鋼結(jié)構(gòu)頂棚坍塌等，這些事故造成了嚴重的人員傷亡和巨大的經(jīng)濟損失[2]。

目前，人們主要注重新建鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與設(shè)計方法的研究，對結(jié)構(gòu)損傷的識別以及計算模型的修正仍處于初期發(fā)展階段，相關(guān)試驗研究也僅僅局限于簡單的平面桿系結(jié)構(gòu)等，對于較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體系，則很難定量評定其剩余承載能力。因此，研究如何將既有鋼結(jié)構(gòu)存在的缺陷、損傷引入結(jié)構(gòu)計算分析模型，并定量評定結(jié)構(gòu)的承載能力，具有重大的理論價值和實際意義。銹蝕損傷作為鋼結(jié)構(gòu)最普遍的損傷類型，對其研究具有重大意義。

1 銹蝕損傷綜述

目前，針對既有鋼結(jié)構(gòu)存在的銹蝕損傷檢測方法已有較多研究，但是對于銹蝕損傷的分布規(guī)律，以及如何將現(xiàn)場檢測得到的數(shù)據(jù)引入既有鋼結(jié)構(gòu)計算模型的研究還不夠充分。

結(jié)構(gòu)中使用的鋼材主要是普通低合金鋼和普通碳素結(jié)構(gòu)鋼，其耐候性并不優(yōu)秀，為了防止其在服役過程中產(chǎn)生銹蝕，需要在構(gòu)件和節(jié)點的表面覆蓋保護涂層。在國際標準ISO 12944—2017《Paints and Varnishes—Corrosion Protection of Steel Structure by Protective Paint Systems》中，將保護涂層的設(shè)計使用壽命分為低、中、高共3個等級。低級壽命2～5年，中級壽命5～15年，高級壽命15年以上。在實際使用的過程中，涂層的實際壽命往往還會短于設(shè)計壽命。鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限往往為50年甚至更久，很明顯，保護涂層的使用壽命遠遠低于結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限，若不能及時維護、更換涂層，鋼構(gòu)件會不可避免地產(chǎn)生銹蝕現(xiàn)象。銹蝕不僅僅會減小構(gòu)件的截面尺寸，還會使鋼材的延性降低，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件與連接承載性能退化，降低結(jié)構(gòu)的安全性能[3]。

鋼構(gòu)件的銹蝕按照銹蝕范圍可分為2種，即局部銹蝕與均勻銹蝕[4]。局部銹蝕的主要特點是銹蝕分布范圍無規(guī)律、銹蝕深度不統(tǒng)一。目前，船舶結(jié)構(gòu)與航空航天領(lǐng)域?qū)植夸P蝕的研究成果較多[5-6]，這與船舶和飛行器嚴酷的工作環(huán)境是密不可分的。均勻銹蝕的主要特點是銹蝕分布均勻且銹蝕深度相近。結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域?qū)鶆蜾P蝕的研究較多，圍繞均勻銹蝕的主要研究內(nèi)容分3個大方向：銹蝕損傷的表征方法、銹蝕損傷對構(gòu)件及材料受力性能的影響、銹蝕損傷的預(yù)測。

調(diào)查結(jié)果顯示，我國既有鋼結(jié)構(gòu)的銹蝕以點蝕（在金屬表面出現(xiàn)縱向發(fā)展的腐蝕小孔，其余區(qū)域不腐蝕或僅輕微腐蝕，這種腐蝕形態(tài)即為點蝕）為主[4]。目前，描述點蝕程度的參數(shù)主要有：銹蝕區(qū)域、銹蝕面積、銹坑深度、銹坑密度、銹坑形狀等?？紤]到上述參數(shù)存在一定的內(nèi)在相關(guān)性，所以我國的國家標準GB/T 18590—2001《金屬和合金的腐蝕 點蝕評定方法》[7]選取歸納了3個參數(shù)來對點蝕進行評級：銹坑密度、銹坑大小和銹坑深度。對于存在點蝕的既有鋼構(gòu)件，羅立勝[8]提出根據(jù)銹蝕程度將鋼構(gòu)件人為分段，每段構(gòu)件均采用扣除平均銹蝕深度后的有效截面進行計算評定。

均勻銹蝕對鋼構(gòu)件帶來的最直觀的改變是截面幾何特性的變化，發(fā)生均勻銹蝕時，構(gòu)件銹蝕深度近似相等。對均勻銹蝕的鋼構(gòu)件進行承載力計算時可以采用扣除銹蝕部分后的有效截面。

此外，銹蝕還會影響鋼材的彈性模量、屈服強度、抗拉強度等。因此，在將均勻銹蝕損傷引入既有鋼結(jié)構(gòu)分析計算模型時，既要考慮截面幾何特性的改變，又要考慮銹蝕對鋼材力學(xué)性能的影響。一般采用銹蝕率η來表征均勻銹蝕鋼材的銹蝕程度，其表達公式如下：

史煒洲等[10]對銹蝕Q235B鋼構(gòu)件進行了力學(xué)性能試驗，并通過最小二乘法回歸，分別給出了銹蝕鋼材的失重率與屈服強度、抗拉強度和伸長率下降的關(guān)系式：

2 工程實例

2.1 工程概況

某大跨度空間管桁架屋蓋位于上海市，于1997年投入使用，總建筑面積約為13萬 m2，建筑外輪廓為直徑300 m的圓形，原建筑最大標高為70.8 m，是集體育比賽、文體表演、酒店等為一體的大型綜合體育設(shè)施。

本次改造擬將上述建筑改造為滿足FIFA國際A級比賽要求的專業(yè)足球場。

上海體育場屋蓋為鋼結(jié)構(gòu)空間管桁架體系，徑向由32榀懸挑鋼桁架構(gòu)成，環(huán)向由內(nèi)圈和外圈鋼桁架構(gòu)成，東西側(cè)有加強環(huán)向鋼桁架。徑向懸挑鋼桁架插入外圈混凝土斜柱內(nèi)，懸挑鋼桁架水平投影長度21.936～73.790 m；懸挑鋼桁架桿件均為鋼管，外徑219～508 mm，壁厚10～16 mm。桿件鋼材為英鋼50D（相當于我國16Mnq橋梁鋼）。屋蓋結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 屋蓋結(jié)構(gòu)剖面

屋蓋鋼結(jié)構(gòu)上覆PTFE膜，膜屋面敷設(shè)在飛索桅桿結(jié)構(gòu)上。上表面鋼索φ25.4 mm，預(yù)應(yīng)力56～75 kN，下表面鋼索φ38.1 mm，應(yīng)力117～141 kN。

2.2 主體結(jié)構(gòu)銹蝕損傷

經(jīng)過對既有結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場檢測，結(jié)果如下：徑向桁架、中間環(huán)向桁架桿件涂層普遍老化脫落；徑向桁架、內(nèi)外環(huán)桁架弦桿局部表面略有銹蝕，厚度銹蝕率在0.8%～5.0%；少量內(nèi)環(huán)桁架弦桿局部表面銹蝕，厚度銹蝕率在6.3%～11.6%；個別徑向桁架近內(nèi)環(huán)的弦桿局部嚴重銹蝕；部分徑向桁架桿件表面有水漬現(xiàn)象。

桿件銹蝕情況具體如圖2所示，部分桿件銹蝕率如表1所示。

表1 屋蓋桿件銹蝕率

圖2 主體結(jié)構(gòu)桿件銹蝕情況

斜立柱與徑向桁架連接處銹蝕情況如下：斜立柱與徑向桁架外側(cè)連接板普遍銹蝕，厚度銹蝕率在0.3%～4.3%；個別連接板銹蝕明顯，厚度銹蝕率9.3%。斜立柱頂部桁架少量斜腹桿表面涂料脫落，少量表面銹蝕，厚度銹蝕率在0.6%～4.1%；個別明顯銹蝕，厚度銹蝕率在6.0%～10.1%。

2.3 圍護結(jié)構(gòu)銹蝕損傷

現(xiàn)場檢測結(jié)果顯示，屋蓋支座處裝飾物存在部分嚴重損壞情況，存在一定的安全隱患。裝飾鋼龍骨下部角鋼、槽鋼均有銹蝕。在抽檢的26根角鋼中，輕微銹蝕18根，厚度平均銹蝕率3.2%；中等銹蝕1根，厚度銹蝕率8.3%；嚴重銹蝕7根，厚度平均銹蝕率33.8%。在抽檢的7根槽鋼中，輕微銹蝕2根，厚度平均銹蝕率1.9%；中等銹蝕2根，厚度平均銹蝕率7.1%；嚴重銹蝕3根，厚度平均銹蝕率16.6%。現(xiàn)場銹蝕照片如圖3所示。

圖3 圍護結(jié)構(gòu)桿件銹蝕情況

外環(huán)裝飾龍骨則僅存在少量浮銹，本體未發(fā)生銹蝕。

3 銹蝕情況分析

我國早年通過對17種碳鋼、低合金鋼在全國7個典型大氣環(huán)境下進行為期16年的大規(guī)模、大范圍暴露腐蝕試驗研究，得到大氣腐蝕深度與腐蝕時間的函數(shù)關(guān)系[11]。

研究結(jié)果表明，在選取的7個典型大氣環(huán)境中（北京、青島、武漢、江津、廣州、瓊海、萬寧），C的值在0.02～0.10 mm之間，n的值在一般環(huán)境中為0.4～0.5 mm，在極端濕熱的海洋氣候中可達到0.7～1.5 mm[12]。國外學(xué)者對于鋼材大氣腐蝕試驗研究擬合出的公式大體上與式（6）相近，只是常數(shù)取值因地而異。

上文所述結(jié)構(gòu)地處上海，服役時間為23年，根據(jù)式（6）對銹蝕厚度進行推算，考慮到上海的平均濕度與青島接近，n取值0.5，C取值0.1，代入式（6），則推算銹蝕厚度為：dc＝CT n＝0.1×230.5＝0.48 mm。

上述計算結(jié)果與表1相比較，數(shù)值是偏大的，其原因在于反腐涂層。對于式（6），其針對的是裸露在大氣環(huán)境中的無涂層鋼材，而在實際鋼結(jié)構(gòu)工程中，鋼構(gòu)件的表面均會覆蓋保護涂層，涂層可以大幅延緩鋼構(gòu)件的銹蝕速度。在國際標準ISO 12944—2017《Paints and Varnishes—Corrosion Protection of Steel Structure by Protective Paint Systems》中，將保護涂層的設(shè)計使用壽命分為低、中、高共3個等級。低級壽命2～5年，中級壽命5～15年，高級壽命15年以上。我國國家標準GB 50046—2008《工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計規(guī)范》[13]也給出了鋼結(jié)構(gòu)各種防腐涂層的使用年限（短則2～5年，長則15年以上）。在保護涂層的使用壽命中，鋼構(gòu)件幾乎不發(fā)生銹蝕，保護涂層失效后，鋼構(gòu)件才開始發(fā)生大氣腐蝕。

因此采用式（6）計算的結(jié)果稍大于表1中基于既有結(jié)構(gòu)的實際檢測結(jié)果是合理的，采用式（6）對既有鋼結(jié)構(gòu)銹蝕情況進行預(yù)測，并根據(jù)防腐涂料情況酌情修正，可以較為準確地得到構(gòu)件的銹蝕率。進而可以根據(jù)第1節(jié)的關(guān)系式，計算帶有銹蝕損傷鋼材的彈性模量、屈服強度、抗拉強度、伸長率等材性指標。

4 結(jié)語

本文針對既有大跨度鋼結(jié)構(gòu)的銹蝕損傷進行了系統(tǒng)介紹，并結(jié)合既有研究成果指出銹蝕損傷對鋼材的彈性模量、屈服強度、抗拉強度、伸長率等材性指標均有顯著影響。因此，在評估、預(yù)測既有銹蝕損傷結(jié)構(gòu)殘余承載力時，不宜僅僅對構(gòu)件截面進行削減，還需要在材料力學(xué)性能上進行修正。通過統(tǒng)計某既有大跨度空間管桁架屋蓋服役23年后的銹蝕損傷檢測結(jié)果，采用銹蝕率這一參數(shù)對主體結(jié)構(gòu)以及圍護結(jié)構(gòu)的銹蝕損傷進行了量化表征。將實測銹蝕率與公式預(yù)測銹蝕率進行了對比，并指出理論與實測銹蝕率偏差的原因在于建筑防腐涂層的保護作用，驗證了預(yù)測既有結(jié)構(gòu)銹蝕損傷程度的理論手段。