腐蚀环境下轴心受压构件的屈曲荷载分析

刘德峰,徐善华,孔正义,2,宋 晗,李立云

(1.西安建筑科技大学 土木学院,陕西 西安710055;2.宿迁学院 建筑工程系,江苏 宿迁223800;3.陕西建工集团总公司,陕西 西安710061;4.北京工业大学 建筑工程学院,北京100124)

在钢结构中,屋架、塔架、网架等各种类型的平面或空间钢桁架以及支撑中,轴心受压构件占了很大的比例,一般情况下,其设计时不考虑耐久性,而是通过防护措施、构造措施和维修制度来保证的[1～3],并认为结构性能在服役期间保持不变。

如今由于钢结构在工程中的广泛应用,其在安全性、适用性方面的理论已很成熟,文献[4]系统地介绍了轴心受压构件的弯曲、扭转、弯扭屈曲。但是这些理论都没有考虑轴心受压构件在使用期间的损伤和结构性能演变,而在工程实际中,许多长期处于海洋大气、工业大气等腐蚀环境下的大型钢结构工程(如桥梁、大型工业建筑、电视塔、高压输电铁塔、大型水库闸门、海上采油设施等)都出现了锈蚀问题,如图1、图2所示。

因此,如何在设计时考虑材料退化性能,如何对腐蚀后钢结构进行安全评定,如何进行结构的耐久性设计已成为各国学者研究的热点。为此,国家科委也在1994年批准了重大基础性研究项目(攀登计划)“重大土木与水利安全性与耐久性的基础研究”[5],由此可见其重要性。

图1 屋架腐蚀图

图2 高压输电塔腐蚀图

1 理论分析

为了更好的对腐蚀环境下的轴心受压构件进行理论分析,以100×100的宽翼缘H型钢柱为例,如图3所示,构件上下截面不能翘曲,但能自由转动,在其侧向三分点处设有支撑点,钢材屈服强度为235 N/mm2。E为206 000 N/mm2,G为79 000 N/mm2。

图3 轴心受压构件

在腐蚀环境下,构件尺寸随着时间变化而变化,梁彩凤等通过在国内7个点17种钢的4 a、8 a、16 a暴露试验[6～8],得出了钢的大气腐蚀的发展规律:

其中:D为腐蚀深度(mm);t为暴露时间(a);A、n为常数。

表1中列出了我国北京、青岛、武汉、江津、广州、琼海、万宁7个典型环境下相应的A、n值。

表1 典型环境下相应的A、n值

基本假定:

(1)工字钢在翼缘和腹板以相同的速度D腐蚀;

(2)只考虑H型钢沿厚度方向的腐蚀;

(3)不考虑残余应力。

腐蚀环境下构件截面尺寸如图4所示。

图4 H型钢构件图

(1)整体稳定:根据图中所示尺寸,求得构件的几何特性如下:

Ik值与其它值相比,可忽略不计。

根据几何特性,求得构件弯曲屈曲和扭转屈曲荷载,计算公式如下:

通过计算,构件将发生绕x轴弹性弯曲屈曲,屈曲荷载随着使用年限的增加逐渐降低,尤其在海南万宁地区,如钢材不进行有效防护,其屈曲荷载将迅速下降,30 a后,屈曲荷载下降50%,不到50 a其屈曲荷载将下降到零。图5给出了屈曲荷载随时间的变化图。

图5 屈曲荷载变化图

(2)局部稳定:钢材厚度随着使用年限增加而减小,因此,构件宽厚比也将逐渐增大。翼缘宽厚比变化如图6所示,由于翼缘视为三边简支,一边自由,为防止整体失稳前发生局部屈曲,翼缘宽厚比限值为[9]:

图6 翼缘宽厚比变化图

代入数据得:

通过图6看出,在海南万宁地区,当钢材历经43 a后翼缘宽厚比将不满足要求,可能先于整体稳定前发生局部屈曲。

腹板宽厚比变化如图7所示,由于腹板视为四边支撑板,为防止整体失稳前发生局部屈曲,腹板宽厚比限值为[9]:

代入数据得:

图7 腹板宽厚比变化图

通过图7看出,在海南万宁地区,当历经38 a后腹板宽厚比将不满足要求,可能先于整体稳定前发生局部屈曲。

局部屈曲后,构件还可能继续维持着整体稳定,但由于部分板件屈曲后退出工作,使构件有效截面减小,加速了构件的整体屈曲[9],此时,整体屈曲荷载将进一步减小。

通过整体屈曲荷载与局部屈曲荷载的分析,可以看出,在北京等地区,环境对屈曲荷载的影响不大,但在海南万宁地区,仅在大气环境作用下,如钢材不进行有效的防护,30 a左右H型钢柱承载力下降到原承载力的50%,因此,如果仍按照原设计荷载承载,结构将不再安全。

2 结 语

本文首次利用钢的大气腐蚀的发展规律,以H型钢为例,分析了腐蚀环境下轴心受压构件的屈曲荷载,建立了屈曲荷载随时间的变化关系,从而为耐久性设计提供了依据。但本文仅考虑了均匀锈蚀,没有考虑局部腐蚀,而局部腐蚀对结构安全性影响也是不能忽视的,因此,如何考虑局部腐蚀,如何建立在均匀腐蚀与局部腐蚀下承载能力随时间的变化应该是今后进行结构耐久性设计的研究方向之一。

[1]GB50017-2003.钢结构设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2003.

[2]AISC.Load and Resistance Factor Design Specification for Structural Steel Buildings[S].1999.

[3]GB 50046-1995.工业建筑防腐蚀设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2005.

[4]陈骥.钢结构稳定理论与设计[M].北京:科学出版社,2001.

[5]赵国藩,金伟良,贡金鑫.结构可靠度理论[M].北京:中国建筑工业出版社,2000.

[6]候文泰,梁彩凤,等.碳钢及低合金钢的大气腐蚀[J].中国腐蚀与防护学报,1993,13(4):291.

[7]梁彩凤,候文泰.碳钢及低合金钢8年大气暴露腐蚀研究[J].中国腐蚀与防护学报,1995,7(3):182.

[8]梁彩凤,候文泰.碳钢及低合金钢16年大气暴露腐蚀研究[J].中国腐蚀与防护学报,2005,2(1):25.

[9]魏明钟.钢结构[M].武汉:武汉理工大学出版社,2003.