工业大气环境下钢结构耐久性模糊综合评判*

徐善华 夏 敏 董黎明

(西安建筑科技大学土木工程学院，西安 710055)

近年来，由于钢产量的增加和钢结构设计理论的发展，钢结构建筑工程数量日益增多。然而，钢结构的耐久性较差，许多长期处于腐蚀环境下的钢结构工程出现了耐久性不足的问题，造成了工程安全和国民经济方面极大的损失和危害［1］，因此建立合理的耐久性评价体系对既有钢结构耐久性的设计、评价和日常维护具有重要意义。

钢结构耐久性面临的主要问题是大气腐蚀，大气腐蚀分为乡村大气腐蚀、海洋大气腐蚀和工业大气腐蚀等［2］。工业大气中主要的腐蚀性气体有SO2、H2S和NOx等，且不同的工业生产活动要求的环境条件和产生的大气污染物组分各不相同，导致工业建筑结构耐久性损伤具有明显的区域特征。

腐蚀引起的涂层失效、材料截面减小和力学性能退化造成钢结构耐久性损伤，目前，已经有学者开展了相关研究并取得了一定成果：耿刚强等将灰色理论引入到桥梁防腐蚀涂层的失效研究中，建立了涂层腐蚀坑剥落的面积随时间变化的模型，并在此基础上推导出桥梁防腐蚀涂层寿命的一般预测公式［3］。尹英杰通过测得不同腐蚀时间的涂层的腐蚀电化学参数来表征其表面腐蚀程度，再对相应的腐蚀试件进行单向拉伸试验，建立钢材力学性能退化与钢材表面涂层腐蚀程度的量化关系［4］。文献［5］通过对四种不同腐蚀环境下的钢板进行拉伸试验，研究了锈蚀钢材各项力学指标的退化规律;文献［6］对不同点蚀因子下槽钢梁受弯承载力进行研究，发现腐蚀造成的表面锈坑导致不同程度的应力集中，从而降低了结构受弯承载力。

同时，环境因素对结构的耐久性也有较大影响，这是由于不同环境条件下腐蚀性介质的种类、含量不同，对材料的腐蚀行为和影响程度也不同。然而传统的钢结构耐久性评价方法仅考虑涂层质量和腐蚀程度两方面，却忽略环境因素的作用，这显然是不够全面的。

本文以钢铁工业生产实际为背景，首先调查分析武钢第二炼钢厂钢结构厂房的耐久性现状和环境条件，深入分析工业大气环境中的腐蚀因素，再利用层次分析法［7］建立因素的层次结构模型并计算各因素的权重，最后依据模糊综合评价方法建立钢结构耐久性模糊综合评价体系。

1 钢铁工业的大气环境特点分析

钢铁工业的生产过程工艺路线长，生产工序多，排放大量有害气体、废水及工业废渣。厂房内环境湿度较高，钢结构表面沉积的吸潮性污染物使其容易形成潮气薄膜，发生材料腐蚀。

综合现行GB/T 15957—1995《大气环境腐蚀性分类》和GB 50046—2008《工业建筑防腐蚀设计规范》［8-9］中工业大气环境下对建筑钢结构的主要腐蚀性气态介质的控制要求，总结钢铁工业生产过程中各分厂的工业大气环境特征和典型腐蚀性气体，如表1所示。

表1 钢铁工业生产过程中各厂房的环境特征Table 1 Environmental characteristics of various plants in the production process of the steel industry

图1 日平均温度Fig.1 Daily average temperature

图2 日平均湿度Fig.2 Daily average humidity

由表1可知：在工业大气环境下，钢结构耐久性主要受温度、湿度、SO2、NOx影响，并且大量的 SO2、NOx气体排入大气，会加大酸雨形成的可能，加剧对钢结构的腐蚀危害。轧钢厂及金属制品厂、铁合金厂均有对钢结构腐蚀影响很大的Cl-排放，故工业大气环境下HCl浓度也应着重考虑。以武钢第二炼钢厂浇铸跨、接受跨为例，进行工业大气环境下建筑钢结构耐久性现状调查与检测，分析钢铁工业大气环境的腐蚀因素。

1.1 环境信息调查

参考表1，对厂房内部温度、湿度、主要腐蚀性气体SO2、NOx浓度进行检测，并查阅当地气象资料得到雨水pH值均值为6.28。

厂房内部悬挂温湿度自动记录仪，监测8月13日至10月27日共76天的温、湿度数据，处理后绘制温度日平均图、湿度日平均图，见图1、图2所示。经计算：厂房内温度平均值为34.35℃，并筛选出湿度大于55%的时间为110 h。

由于接受跨、浇铸跨温、湿度均偏高，日平均温度最高达到45℃，日平均湿度最高达到58%，厂房局部会出现高温、高湿环境，对钢结构耐久性不利。实际生产中，铁水预处理脱硫工艺、转炉炼钢工艺脱硫均会排放SO2气体。空气中的N2在高温状态下氧化生成NOx，燃料中含氮化物在燃烧过程中部分氧化生成NOx。采用移动式气体检测仪，对厂房内部 SO2、HCl、NOx气体进行检测，结果列入表 2。该环境中 SO2浓度均值为1.3 mg/m3，局部极值达到5.4 mg/m3;NOx浓度均值为 0.64 mg/m3，局部极值达到1.12 mg/m3。随着环境湿度升高，钢结构表面出现结露，腐蚀性气体遇结露水珠溶解并发生反应，使结露水珠变成富含腐蚀性介质的小液珠，对钢结构产生腐蚀和涂层破坏。同时，腐蚀性介质结合环境中的水蒸气，形成微小液珠，弥散在环境中，进一步破坏涂层，腐蚀钢结构。

表2 厂房内环境腐蚀性介质调查结果Table 2 Survey results of environmental corrosive media in the plant mg/m3

1.2 涂层质量及腐蚀情况调查

依据GB 51008—2016《高耸与复杂钢结构检测与鉴定技术标准》［10］中的相关规定，对钢构件涂层质量及腐蚀情况进行调查检测。

对浇铸跨和接受跨排架柱进行涂层外观完整度观察检测。在不同轴线位置的钢柱上分别布置共计51个测点，检测钢结构涂层外观完整度，检测统计结果如表3所示。结果显示：涂层完整度综合等级为4.78，外观完整度为73%。说明涂层已有中等程度的劣化，保护功能下降。

表3 涂层外观完整度检测结果Table 3 Coating appearence integrity test results

用涂层厚度仪对钢材涂层厚度进行抽样检测，每个构件检测5处，每处以三个相距不小于50 mm的测点的平均值作为该处涂层厚度的代表值。根据现场检测条件，抽取15个工字型钢柱进行检测，计算得到平均涂层厚度为156 μm，涂层厚度检测结果如图3所示。

图3 涂层厚度实测平均值Fig.3 Coating thickness test result

根据GB/T 50621—2010《钢结构现场检测技术标准》［11］，采用超声波测厚仪在构件的3个不同部位进行厚度检测，并取3处测试值的平均值作为钢材的代表值。抽取10根工字型钢柱进行检测，统计平均腐蚀程度为12%，检测结果如图4所示(腐蚀相对深度为构件腐蚀深度占钢材厚度的百分比)。

图4 钢材腐蚀程度检测结果Fig.4 Steel corrosion degree test result

调查结果显示：厂房内部环境温、湿度较高，并伴有局部高温、高湿，属典型工业大气环境，腐蚀性较强。由于炼钢工艺的脱硫工艺排放大量SO2，环境腐蚀性气体以 SO2为主，NOx气体浓度也较高，容易造成厂房内大量钢结构腐蚀，影响钢结构耐久性。

2 钢结构耐久性模糊综合评判

2.1 基本思路

首先确定影响评价结果的各项因素，建立因素集 U={U1，U2，…，Un}，并根据评价对象的特点，建立由m个评价结果组成的评价集V={v1，v2，…，vm}。然后对各因素分配权值，形成权重集A=(a1，a2，…，an)。构造单因素评价矩阵 R=(rij)n×m，将权重集A与单因素模糊评价矩阵R合成，得到模糊综合评价B=AoR。式中，“o”代表模糊合成算子，本文选用加权平均型，即 M(×，+)［12］。最后选择合适的贴近度方法对评价向量B确定评价等级。

2.1.1 用层次分析法确定权重

层次分析法是一种将定性与定量分析相结合的多目标决策方法，可以将复杂的问题拆分为若干层次和若干因素，对两两指标间的重要程度作出判断［13］，通过建立判断矩阵，计算其最大特征值以及对应特征向量，得出方案重要性的权重。具体步骤为：1)建立层次结构模型，形成一个由上至下存在支配关系的递进层次。2)构造比较判别矩阵，采用Satty提出的1～9比率标度法［13］，将同一准则下两个元素的相对重要性进行比较。3)计算各指标权重，根据比较判别矩阵，求解判断矩阵A的特征根问题AW=λmaxW。其中，λmax是A的最大特征根，W是相应的特征向量，所得到的W经归一化后可以作为权重向量。4)对判断矩阵进行一致性检验。

2.1.2 构造单因素评价矩阵

单因素评价矩阵R=(rij)n×m，其中的元素rij表示第i个因素对评价集中第j个元素的隶属度，在研究实际问题时，经常会用一些常见的分布型函数作为隶属度函数来近似表达一些模糊集合，本文中选用梯形分布确定隶属度［12］。

2.1.3 非对称贴近度法

为了确定评价等级，通常采用最大隶属度原则的方法，即仅考虑最大评价指标的贡献，舍去其他指标所提供的信息。然而当最大的评价指标不止一个时，用最大隶属度原则便很难决定具体的评价结果。为防止评判失误，本文采用非对称贴近度法确定等级。首先对评价结果B进行标准化处理，再按非对称贴近度［14］进行评价：

式中：μ(vk)为评定向量中隶属于vk的隶属度。

2.2 具体实现过程

2.2.1 建立因素集、评价集

通过对影响钢结构耐久性因素的分析，利用层次分析方法，将钢结构的耐久性U作为目的层，将环境条件U1、涂层质量 U2、腐蚀程度 U3作为准则层，各影响因素ui作为评价指标层，建立影响钢结构耐久性评价的二级模糊综合评价体系，如图5所示。

图5 钢结构耐久性模糊综合评价指标体系Fig.5 Fuzzy comprehensive evaluation index system for steel structure durability

评价集包含五个评价结果，即 V={v1，v2，v3，v4，v5}，对应为：优、良、中、差、劣五种评价等级，每一评价等级的定义列入表4。考虑到钢铁工业大气环境腐蚀性强的实际情况，参考文献［8-9］中的腐蚀等级分类方法，建立耐久性等级划分表，如表5所示。其中，湿度 u2指环境湿度大于55%的所有时间，单位为小时;腐蚀程度为钢结构原厚度，t为钢结构腐蚀后1厚度。

表4 评价等级定义Table 4 Evaluation level definition

表5 钢结构耐久性等级划分Table 5 Steel structure durability classification

2.2.2 构造比较判断矩阵并计算权重

分析各因素影响钢结构耐久性的相对重要程度，咨询有关专家，按比率标度法得到U1={u1，u2，u3，u4，u5，u6}的判断矩阵：

计算其最大特征值与相应特征向量得到权重向量为：

对于因素集涂层质量 U2而言，其子因素较少，用层次分析方法计算权重结果并不理想。考虑到涂层完整度不足会直接导致暴露在腐蚀环境中的钢结构被腐蚀，且腐蚀气体易由钢结构涂层剥落处侵蚀到尚有涂层覆盖的钢结构基面，导致尚有涂层覆盖的钢结构腐蚀，造成涂层剥落处周围涂层的“鼓泡”，进而导致涂层剥落扩大，加速涂层质量劣化。参考专家意见，赋予涂层完整度较大权重，给出 U2中元素的权重 WU2=(0.6，0.4)T。因素集腐蚀程度 U3中只包含一个元素，即权重WU3=1。

环境腐蚀性强、涂层质量差都会导致腐蚀速率快、腐蚀程度高，影响钢结构耐久性，属于长效机制，对钢结构耐久性起间接作用。而钢结构腐蚀程度则直接影响钢结构耐久性，为决定性因素。故对钢结构腐蚀程度权重分配0.4，环境条件、涂层质量均分配 0.3，即 WU=(0.3，0.3，0.4)T。

2.2.3 模糊综合评判

基于已有的检测数据，按照前文论述的方法，易得因素集：

代入隶属函数中求出各因素对各评价结果的隶属度，分别形成单因素评定矩阵：

根据最大隶属度原则，确定各因素的评定结果，如表6所示。可见，影响该厂房耐久性的主要因素是腐蚀程度和涂层质量，环境条件属良。

表6 二级综合评定内容及结果Table 6 Secondary comprehensive assessment content and results

类似地，得到一级评定矩阵为：

对应的权重向量为：WU=(0.3，0.3，0.4)。

则一级综合评定向量为：B=AoR=(0.093，0.168 ，0.317 ，0.422 ，0)，按照最大隶属度原则，以评定向量中最大指标对应的等级作为评定结果，此评定结果为差。

为了避免误判，使用非对称贴近度法，先对B进行标准化处理，再按照公式(1)，取P=1计算非对称贴近度N(B，Bi)，从而确定评价等级，如表7所示。

表7 非对称贴近度评价结果Table 7 Asymmetric closeness evaluation result

分析评价结果，依照最大隶属度原则，耐久性评价为差(B=0.422)，考虑评价向量中每个元素对最终评价结果的贡献，采用非对称贴近度法，得到该工程的耐久性评定为中等偏差。

3 结束语

1)结合钢铁工业的生产流程及工艺特点，对不同工艺厂房的环境特征进行分析，得到钢铁企业中不同工艺厂房的工业大气环境特征和主要腐蚀因素。

2)以武钢第二炼钢厂接受跨、浇铸跨为例，分析得出典型工业大气环境中影响钢结构耐久性主要因素：温度、湿度、SO2浓度、HCl浓度、NOx浓度及雨水pH值。

3)引入环境因素作为工业大气环境建筑钢结构耐久性的评价指标，利用层次分析法和模糊数学理论，建立了钢结构耐久性的二级综合评价体系。为了避免最大隶属度原则造成误判，使用非对称贴近度作为补充原则确定评价等级。

·信 息·

由东南大学、中国工程建设标准化协会轻型钢结构委员会、江苏省建筑钢结构混凝土协会主办，上海东阁实业有限公司、江苏省建筑钢结构混凝土协会钢结构分会协办的第二届全国不锈钢结构技术研讨会于2018年12月15日(会期1天)在江苏南京东南大学榴园宾馆召开。

本次会议以不锈钢结构研究的最新进展，以及技术的创新与应用为重点，诚邀各位专家和学者积极参会，届时将邀请国内不锈钢结构研究领域的专家作主题报告，交流与分享研究成果。会议主题包括：

1.建筑用高性能不锈钢材料的研发与应用;

2.不锈钢构件的计算理论和设计;

3.不锈钢连接及节点的性能和设计;

4.不锈钢结构的抗震性能与设计;

5.不锈钢结构的抗火性能与设计;

6.《不锈钢结构技术规程》修编及未来研究方向。

会务组联系人：范圣刚(13851620034)、郑宝锋(13814512942)、王嘉昌(15151847800)、张磊(15851890602)。