温润海洋大气环境腐蚀下门式刚架厂房钢结构受力性能有限元分析

李 琨

(厦门大学, 福建漳州 363105)

门式刚架结构近年来被广泛应用于轻型工业厂房，但处于海洋大气、污染大气等腐蚀环境下，钢结构出现了严重锈蚀，导致构件的有效截面尺寸减小、强度和延性下降。这些因素导致承重构件承载力和延性下降。而结构整体性能变化情况，受腐蚀的钢构件的力学模型，腐蚀时长对其结构性能退化规律的影响等，都必须从结构层面入手进行深入研究。

国内外近年来的研究成果表明，运用有限元数值模拟方法分析腐蚀后的结构性能是可行的。本文也采用此方法，基于文献[1]中钢材在受腐蚀后，截面减小的试验数据结果基础上，分析和预测门式刚架厂房腐蚀后，承载力、变形的变化，进而在一定程度上评估腐蚀对于钢结构厂房造成的不利影响。

1 构件截面设计

为符合实际工程情况，根据GB 51022-2015《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》、GB 50017-2003《钢结构设计规范》和GB 5009-2012《建筑结构荷载规范》的有关规定要求进行设计。对厦门市郊区较为常用的跨度18～36 m跨度单层单跨门式刚架，取常见荷载情况和结构布置方案，选择合理的构件尺寸(表1)。所取构件尺寸均能满足结构及节点的强度、刚度、稳定要求。

表1 门式刚架构件截面尺寸

2 腐蚀对钢结构门式刚架结构性能的影响

2.1 有限元模型的建立

许多研究表明，在腐蚀环境下，构件尺寸随着时间变化而变化。梁彩凤等通过暴露试验[2]，用逐步回归方法，得到钢材的大气腐蚀发展规律：钢材的大气腐蚀发展遵循幂函数曲线D=Atn，式中：D为腐蚀深度(mm)；t是暴露时间(a)；A和n是常数。同样，2001年Townesend[3]用同样方法得到各种典型气候下，工业建筑在不同年限与钢材腐蚀之间的定量关系。此方法被证明是比较有效的。

国际标准化组织ISO 12944-2:1998中对大气环境腐蚀性环境进行了分类。其中热带温润海洋性气候，厦门室外钢结构厂房属于C5-M，对于有涂装保护膜的Q235钢材，使用2 a钢结构腐蚀深度D=0.032×21.4=0.084mm；5a：D=0.032×51.4=0.305mm；10a：D=0.032×101.4=0.804mm；若使用时间为20 a，则为D=0.032×201.4=2.12mm。

已有研究表明，可以通过“失重率”这一指标来衡量“钢材平均截面面积的减少”“不均匀腐蚀造成的应力集中”和“钢材内部晶格变化”这三个因素对钢材材性劣化程度的影响[4]。Dw=(W0-W1)/W0，为受腐蚀钢材的失重率，W0、W1分别为腐蚀前后钢材的质量。按照腐蚀损伤量相同的原则，将上文中计算的腐蚀深度，分别按板厚8 mm、10 mm、12 mm和14 mm计算出失重率(表2)。

基于受腐蚀钢材力学性能试验结果，文献[5]用失重率Dw这一指标来衡量腐蚀后钢材力学性能劣化程度。通过试验数据，运用最小二乘法线性回归，得出有涂装受腐蚀Q235B钢材屈服强度、抗拉强度和伸长率下降与其失重率之间的关系式为：

表2 不同厚度钢板在各使用时间下的失重率

分别为未腐蚀和腐蚀钢材的极限强度。

表3 不同失重率下各使用年限钢材性能指标换算

2.2 结构和构件验算结果

经过对未腐蚀和不同腐蚀时间后的单层门式刚架，进行ANSYS有限元数值模拟，并对18～36 m 4个不同跨度结构模型参照相关规范进行计算分析，结果表明腐蚀对整体结构的变形有不同程度的影响(图1～图4)。

图1 跨度18m结构腐蚀前后变形比

图2 跨度24m结构腐蚀前后变形比

图3 跨度30m结构腐蚀前后变形比

图4 跨度36m结构腐蚀前后变形比

图1～图4为腐蚀前后，门式刚架整体结构在不同腐蚀时长的变形比值。ANSYS分析结果表明，变形最大点仍然为屋脊处梁的竖向挠度。2 a、5 a和10 a的变形比增加，接近于线性递增，但到20 a，变形比出现跳跃式增加，最大变形比接近1.7。说明经过较长时间腐蚀后，结构整体刚度削弱严重，发生了本质的变化。单独比较截面减小和弹性模量E下降，可以发现，随腐蚀时间增加，结构变形都逐渐增加，但两个因素单独作用时，较难确定何者的影响程度更大。可以确定的是两个因素共同作用时，结构整体变形明显比单一因素影响大。

3 结论

(1)有限元数值模拟的经过2～20 a温润地区海洋大气腐蚀后，门式刚架结构和构件承载力降低，整体刚度被削弱，主要表现为结构屋脊处竖向挠度变形比。

(2)分析表明，腐蚀对截面尺寸和弹性模量的削弱，都影响了结构的刚度和承载能力。

(3)由于ANSYS有限元无法建立实际节点连接模型，故分析结果与实际结构会存在一些误差。本文分析过程和结果表明，利用失重率公式(2)估算截面弹性模量减小，利用经验公式估算腐蚀深度是可行的，同时可利用有限元分析方法，进一步研究有效的防腐措施。