钢结构耐久性性能研究

钢结构耐久性性能研究随着钢产量的增加与钢结构设计理论的日益成熟，我国钢结构工程的数量和规模逐年增加，然而钢结构耐久性差，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）出现了锈蚀问题。为此，近些年来，国内外学者开始对钢结构耐久性进行研究。由于试验条件、试验方法、试验性质（问题本身的复杂性）等因素导致不同学者得出的结论差异性较大，所得出的数据难以得到充分利用，统计得出的关系式也难以有说服力。到目前为止，尚未有比较成熟的关系式以供应用。显然，对锈蚀钢材性能的全面认识是一个非常复杂的问题，需要积累大量的试验数据及参考大量的工程实例。本文对当前国内外相关研究现状进行总结分析，提出有待继续研究的问题，为进一步进行钢结构安全评定奠定基础。1研究方法目前对锈蚀钢材性能的研究主要以试验研究为主，通过对不同锈蚀程度的钢材进行试验，统计其力学性能的变化情况。锈蚀钢材的获取通常有３种方法：１）实际工程中拆换下来的锈蚀钢试件；２）大气环境中自然裸露锈蚀钢试件；３）实验室模拟锈蚀钢试件，如盐雾试验等。第１种方法能够真实反映工程实际情况，但是相应的零锈蚀率的对比试件往往难以获得，给钢材锈蚀率的确定以及锈蚀钢材力学性能变化程度的确定带来了难度，此外，不同年代的钢材由于其化学成分、加工工艺不同，锈蚀钢材力学性能退化规律也有所不同。第２种方法由于锈蚀机理与锈蚀形态随暴露环境不同，且难以获得锈蚀率较大的钢试件。第３种方法获取锈蚀钢筋的周期短，相应的同批零锈蚀率试件也较易获得，但是其与实际工程中自然锈蚀的相关性有待研究；锈蚀钢材表面锈坑的复杂性缺乏相应的统计分析。2锈蚀程度表征方法对于锈蚀程度的表征，现在通行的做法是采用锈蚀率或损失厚度，但两者都只能反映均匀锈蚀的影响，很难反映出锈坑的影响，而锈坑对结构安全的影响是不可忽略的。文献在锈蚀程度表征方面做了一些尝试，提出用分形维数来表征锈蚀后的表面，但数据量较少，统计得出的关系式也难以有说服力。3建筑加固改造的目的及工程特点对在役钢结构进行安全评价，其最重要一点就是锈蚀程度的检测，如锈坑深度，锈蚀率等。目前，锈坑的测量主要有光学显微镜观察和Ｘ射线透视法。光学显微镜观察法由于本身的限制很难测量试样内部的空洞，或由表面开始向试样内部斜向延伸的斜坑；而Ｘ射线透视法的最大缺陷是不适用于斜坑，无法反映斜坑的走向及其深度。文献[1]基于Ｘ射线透射造影术的基本原理，提出了一种简易的Ｘ射线斜透射测量技术，用以测量金属板材上腐蚀坑的最大深度。这种方法操作起来十分简便，对仪器的要求也很低，对于锈坑深度的测量精确度也令人满意。但由于该方法通过平面图像进行，缺乏对锈坑形状变化的描述。文献[2]采用粗糙度检测仪测量表面锈坑，此方法仅用于实验室研究，不具有工程应用价值。文献[3]采用数字图像分析技术，用图像分维探讨了腐蚀图像特征与表面腐蚀坑分布特征的关系。此方法适合于工程应用，但相关性还有待进一步研究。4锈蚀钢材力学性能现有的文献主要针对锈蚀钢筋的力学性能进行研究。文献[4]通过力学试验或有限元数值模拟，得出锈蚀钢材的屈服强度、极限强度随锈蚀率增大而减小，极限伸长率也随之降低；文献[5]对锈蚀钢筋的力学性能进行了总结。文献[6]通过运用５种室内加速腐蚀方法：酸性土壤、盐性土壤、酸性大气、盐性大气和湿热循环获得了锈蚀钢板，首次进行了钢板试件的拉伸试验。通过试验得出锈蚀钢材的屈服强度、极限强度随锈蚀率增大而线性减小，伸长率呈幂关系降低。但由于试验试件的锈蚀率有限，未能反映出锈蚀率较大时的力学性能退化情况，因此还需要进行大量的研究工作。5锈蚀钢构件承载力对于构件承载力的研究，主要集中在一些国外文献上，相比之下，国内相关文献资料要少得多。日本学者Yamamoto[7]等人一直致力于坑蚀构件承载力的研究，撰写了很多关于这方面的文章。在文献[8]中，以某锈蚀船舱为研究对象，对锈蚀构件的锈坑形状、大小进行了详细描述。在锈蚀的研究中，采用人工打孔方式模拟锈坑，通过对比人工锈坑构件与天然锈坑构件的拉伸性能，认为人工锈坑构件与天然锈蚀构件有着较为完美的相似性。同时，在锈蚀构件锈坑深度、密度与试件拉伸性能的关系上，该文献也做了一些定性分析。文献[3]的下半部分主要围绕着工字钢的受压屈曲进行了一定的研究，这部分仍然沿用了上面所述人工锈坑代替天然锈坑，通过对因锈坑深度、分布不同而导致承载力及屈曲形态不同的现象分析，得出了锈坑深度、分布与锈蚀构件受压屈曲承载力的关系。文献[4]沿用了文献[8]的试验方法，用人工打孔的方法对工字梁腹板不同位置进行人工锈蚀，通过一系列的４点弯曲测试对腹板锈蚀部位不同时引起的承载力改变及构件变形进行了详细探讨。文献[9]认为坑蚀的极限荷载值等于或略小于普通腐蚀的极限荷载值。而实际情况下，构件的平均厚度可以作为评估腹板坑蚀的一个重要参数[10]。文献[11]通过自然暴露锈蚀的Ｈ型钢梁受弯承载性能试验，揭示了锈蚀Ｈ型钢梁受弯性能退化规律，用等效缺陷面积建立了锈蚀Ｈ型钢构件受弯承载力退化模型。文献[12]通过自然暴露锈蚀的槽钢梁受弯承载性能试验，并结合有限元软件，揭示出锈蚀对槽钢梁受弯性能的影响，提出平均厚度的概念，并指出随着锈蚀量的增大，仅平均厚度减小而不影响钢材强度。文献[13]对１６根角钢构件进行腐蚀，然后进行受压试验，对８根未锈蚀杆件也进行了试验，分析了锈蚀程度对抗压性能的影响，并与考虑质量损失的分析方法进行了对比。这些研究大多停留在构件的受弯、受压承载力方面，而且数据有限，很难有说服力，因此还有大量的工作要做。6锈蚀钢结构承载力对锈蚀钢结构承载力的研究，现有的文献都只考虑均匀腐蚀，反映局部腐蚀对结构承载力的影响还很鲜见。文献[14-15]在分析结构承载力下降时，均通过对构件截面进行简单折减，目前，对构件的层次研究尚未清楚，因此，结构承载力的评价仍然需要做大量工作。7锈蚀钢结构连接性能钢结构的连接主要有焊缝和螺栓连接两种方式。对锈蚀后钢结构连接性能的研究，目前国内学者仅西安建筑科技大学的徐善华教授做了一些工作[16]，但数据有限，还需要进一步研究。8结语钢结构耐久性研究的重要性和应用前景毋庸质疑，这一领域的理论已取得了一些进展，但离实用还有一段距离，需要结构工程研究人员在基础理论方面进行深入研究，从而揭示在役钢结构潜在危险，为在役钢结构维修加固提供理论依据。