网架腐蚀承载能力研究

郑 军

1 工程概况

太原市某游泳馆焊接空心球网架结构建于1986年,网架采用涂料敷盖法进行防腐处理,2000年对网架进行重新涂刷。因常年湿度大,通风不畅及腐蚀性气体等原因,造成网架构件出现不同程度的腐蚀。针对此网架结构进行杆件腐蚀深度的测试和分析。

2 杆件腐蚀状况

游泳馆内常年的相对湿度大于70%,在网架杆件的表面上有凝聚态的水膜。采用玻璃钢衬里防腐涂层的杆件,大部分呈块状鼓起,有的已剥落。拨开剥离状态的涂层,里面存积有凝聚态的水且杆件锈迹斑斑呈黑褐色。“蚀坑”面积大小不同,形状各异,腐蚀深度有的已穿透杆件壁厚。检查中发现无玻璃钢衬里涂层的杆件,涂层薄而均匀的腐蚀较轻;涂层厚且不均匀的腐蚀较重。有玻璃钢衬里涂层的杆件腐蚀程度比无玻璃钢衬里涂层的杆件腐蚀大。各类构件中被评价为CS级的标准为:面漆脱落(包括起鼓面积)对普通钢结构不大于15%,对薄壁型钢和轻钢不大于10%,底漆腐蚀面积正在扩大,易锈部位的平面可以见到麻面状腐蚀。

本次共检测上弦杆的数量为153;下弦杆为153;斜腹杆为170;竖杆为170;节点为334,总计杆件数量为 980。按杆件的别类,评定腐蚀等级的统计结果如图 1所示,各类杆件的CS(损伤严重,需要加固或更换)级占各类杆件总检测数量的69%～78%。采用测厚仪和直径测量仪对16根原设计钢管壁厚为 t=5mm,直径为d=60mm的杆件进行检测,壁厚检测结果见表1。

表1 钢管壁厚检测结果表 mm

一般在设计涂层上要按10年～15年来考虑涂刷周期。法国埃菲尔铁塔涂刷普通红丹底漆平均13年一次,德国门斯登桥平均16年涂刷一次。此网架虽然在5年前进行重新涂刷,但涂层厚度的不均匀、流痕、橘子皮、刷纹、颜色浓淡不均等都降低了涂层的寿命。防腐涂层遭到破坏,凝聚态的水与金属材料的腐蚀就以电化学腐蚀的过程进行。金属锈层的膨胀导致防腐涂层鼓起、破裂和呈块状剥离;锈层和底部基体钢在大气中氧的作用下,锈层重新氧化成Fe3+的氧化物,在干湿交替的条件下,锈层加速钢的腐蚀,造成杆件腐蚀的面积和腐蚀深度逐渐扩展加深。金属腐蚀速度还与环境中的SO2,Cl-,S2-及尘埃等杂质关系密切,这些有害物质进入有缺陷的防腐涂层与杆件金属表面接触,形成封闭或开启的化学腐蚀环境,加剧了杆件的腐蚀速度。

3 A3(Q235)钢腐蚀速率与时间关系

根据符合标准的碳钢(A3)材料的第一年暴露数据,按照ISO 09233对我国七个地区大气腐蚀性见表2。

表2 A3(Q235)碳钢在不同地区的大气腐蚀表 mm/年

暴露1年的碳钢的锈层疏松[1],锈层中存在着较多的孔洞和裂纹,不能起到对基体的保护作用;暴露2年的碳钢是疏松多孔的块状锈层[2];非耐候钢的 4年暴露腐蚀率[3]为15 μ m/年～200 μ m/年,环境影响极为明显。对非耐候钢,污染情况下湿热条件的长远影响非常大,会造成特别严重的腐蚀。对4种钢在沈阳污染地区腐蚀随时间变化关系进行了调查与分析[4],指出碳钢和低合金钢,危害最大的污染是氧化硫及氯离子。湿热条件在短期里对腐蚀的影响并不大,但长期暴露危害作用非常大,如果同时存在污染,更会造成很严重的腐蚀。提出了碳钢的腐蚀随时间(年)的变化关系为:Δw=38.7t0.597。

这里把相关文献[1]～[5]的大气常规环境下的A3(Q235)腐蚀状况数据绘成图2。诸如化工厂、烟厂、游泳馆、煤棚等,腐蚀环境远远超过当地的平均大气环境,其对钢材的腐蚀速率十分显著,如本次检测的游泳馆建筑。根据本次的检测结果,本次新建项目建议碳钢的腐蚀深度与时间的关系如下:Δw=86.3t0.909(单位为μ m)。

4 不同腐蚀情况下的结构承载能力计算分析

强腐蚀环境下腐蚀的结果直接造成网架构件有效截面削弱,特别是管状截面的钢结构,因管壁较薄,其腐蚀的损伤及其累积效应更为突出。针对新建网架,在设计载荷作用下,考虑腐蚀造成杆件壁厚减少来分析其对结构的影响。各类杆件壁厚平均减小0.5 mm,1.0 mm,1.5 mm,2.0 mm等情况,分别在ANSYS程序中进行计算可得相应变形和杆件屈服分布等情况。

计算结果表明,随着杆件壁厚的减小,网架的最大位移、最大应力增加明显,屈服杆件的数量增加很快,当壁厚减小从1 mm变到2 mm时,超过屈服强度的杆件数从178变到734,占总杆件比例的16%。由屈服杆件的分布图可见,随管壁厚的减小,进入屈服状态的不同类型杆件数量变化不同。壁厚减小1 mm时,屈服的下弦杆数量增加快,当壁厚减小2 mm时,屈服的腹杆数量增加快,这与设计的杆件壁厚有明显的关系,使用过薄的管壁对防锈很不利。

5 腐蚀环境下的网架非线性反应

因腐蚀导致网架杆件的应力超过屈服强度,将引起结构较大的非线性反应。以壁厚减小2 mm为例,若考虑材料的非线性特性,即材料的屈服强度为235 MPa,切线模量为 6.18 GPa,对F区网架结构进行非线性分析。图3为结构的最大位移随载荷的变化关系,位移的变化明显地表现出由线性进入非线性的特征,使结构的整体位移大为增加,由不考虑非线性效应的136 mm增到351 mm,屈服的杆件由 734根增到992根,已占到总杆件的1/5,对应的变形云图如图4所示。由于结构的腐蚀,其强度和刚度降低的同时,部分杆件进入屈服阶段,使结构产生更大的变形,反之,因大变形又使屈服杆件的数量增加,这种几何非线性和材料非线性的耦合作用,使结构承载能力大为降低或发生倒塌。

建议高腐蚀性环境下的网架结构设计,应确定材料相应的腐蚀速率,进行不考虑锈蚀下的网架设计和相应腐蚀情况下的网架验算,通过调整相应杆件截面,达到设计目标。

6 结语

提出了高腐蚀环境下普通碳素钢的腐蚀速率公式。腐蚀情况下的网架非线性检测和计算分析表明,几何和材料非线性的耦合作用,将促使结构变形增大。建议针对高腐蚀的使用环境,确定材料相应的腐蚀速率,进行不考虑腐蚀下的网架设计和考虑腐蚀的网架验算,调整相应杆件截面以达到设计目标。

[1]张全成,吴建生,陈家光,等.暴露 1年的耐大气腐蚀用钢表面锈层分析[J].中国腐蚀与防护学报,2001,21(5):297-300.

[2]杨晓芳,郑文龙.暴露2年的碳钢与耐候钢表面锈层分析[J].腐蚀与防护,2002,23(3):97-101.

[3]侯文泰,于敬敦,梁彩凤.钢的大气腐蚀性4年调查及其机理研究[J].腐蚀科学与防护技术,1994,6(2):137-142.

[4]王振尧,郑逸苹,于国才,等.钢在污染环境中的大气腐蚀[J].腐蚀科学与防护技术,1999,11(5):306-308.

[5]梁彩凤.钢在中国大陆的大气腐蚀研究[J].电化学,2001,7(2):215-219.