網(wǎng)架腐蝕承載能力研究

鄭 軍

1 工程概況

太原市某游泳館焊接空心球網(wǎng)架結(jié)構(gòu)建于1986年,網(wǎng)架采用涂料敷蓋法進(jìn)行防腐處理,2000年對(duì)網(wǎng)架進(jìn)行重新涂刷。因常年濕度大,通風(fēng)不暢及腐蝕性氣體等原因,造成網(wǎng)架構(gòu)件出現(xiàn)不同程度的腐蝕。針對(duì)此網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行桿件腐蝕深度的測(cè)試和分析。

2 桿件腐蝕狀況

游泳館內(nèi)常年的相對(duì)濕度大于70%,在網(wǎng)架桿件的表面上有凝聚態(tài)的水膜。采用玻璃鋼襯里防腐涂層的桿件,大部分呈塊狀鼓起,有的已剝落。撥開(kāi)剝離狀態(tài)的涂層,里面存積有凝聚態(tài)的水且桿件銹跡斑斑呈黑褐色。“蝕坑”面積大小不同,形狀各異,腐蝕深度有的已穿透桿件壁厚。檢查中發(fā)現(xiàn)無(wú)玻璃鋼襯里涂層的桿件,涂層薄而均勻的腐蝕較輕;涂層厚且不均勻的腐蝕較重。有玻璃鋼襯里涂層的桿件腐蝕程度比無(wú)玻璃鋼襯里涂層的桿件腐蝕大。各類(lèi)構(gòu)件中被評(píng)價(jià)為CS級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)為:面漆脫落(包括起鼓面積)對(duì)普通鋼結(jié)構(gòu)不大于15%,對(duì)薄壁型鋼和輕鋼不大于10%,底漆腐蝕面積正在擴(kuò)大,易銹部位的平面可以見(jiàn)到麻面狀腐蝕。

本次共檢測(cè)上弦桿的數(shù)量為153;下弦桿為153;斜腹桿為170;豎桿為170;節(jié)點(diǎn)為334,總計(jì)桿件數(shù)量為 980。按桿件的別類(lèi),評(píng)定腐蝕等級(jí)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖 1所示,各類(lèi)桿件的CS(損傷嚴(yán)重,需要加固或更換)級(jí)占各類(lèi)桿件總檢測(cè)數(shù)量的69%～78%。采用測(cè)厚儀和直徑測(cè)量?jī)x對(duì)16根原設(shè)計(jì)鋼管壁厚為 t=5mm,直徑為d=60mm的桿件進(jìn)行檢測(cè),壁厚檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 鋼管壁厚檢測(cè)結(jié)果表 mm

一般在設(shè)計(jì)涂層上要按10年～15年來(lái)考慮涂刷周期。法國(guó)埃菲爾鐵塔涂刷普通紅丹底漆平均13年一次,德國(guó)門(mén)斯登橋平均16年涂刷一次。此網(wǎng)架雖然在5年前進(jìn)行重新涂刷,但涂層厚度的不均勻、流痕、橘子皮、刷紋、顏色濃淡不均等都降低了涂層的壽命。防腐涂層遭到破壞,凝聚態(tài)的水與金屬材料的腐蝕就以電化學(xué)腐蝕的過(guò)程進(jìn)行。金屬銹層的膨脹導(dǎo)致防腐涂層鼓起、破裂和呈塊狀剝離;銹層和底部基體鋼在大氣中氧的作用下,銹層重新氧化成Fe3+的氧化物,在干濕交替的條件下,銹層加速鋼的腐蝕,造成桿件腐蝕的面積和腐蝕深度逐漸擴(kuò)展加深。金屬腐蝕速度還與環(huán)境中的SO2,Cl-,S2-及塵埃等雜質(zhì)關(guān)系密切,這些有害物質(zhì)進(jìn)入有缺陷的防腐涂層與桿件金屬表面接觸,形成封閉或開(kāi)啟的化學(xué)腐蝕環(huán)境,加劇了桿件的腐蝕速度。

3 A3(Q235)鋼腐蝕速率與時(shí)間關(guān)系

根據(jù)符合標(biāo)準(zhǔn)的碳鋼(A3)材料的第一年暴露數(shù)據(jù),按照ISO 09233對(duì)我國(guó)七個(gè)地區(qū)大氣腐蝕性見(jiàn)表2。

表2 A3(Q235)碳鋼在不同地區(qū)的大氣腐蝕表 mm/年

暴露1年的碳鋼的銹層疏松[1],銹層中存在著較多的孔洞和裂紋,不能起到對(duì)基體的保護(hù)作用;暴露2年的碳鋼是疏松多孔的塊狀銹層[2];非耐候鋼的 4年暴露腐蝕率[3]為15 μ m/年～200 μ m/年,環(huán)境影響極為明顯。對(duì)非耐候鋼,污染情況下濕熱條件的長(zhǎng)遠(yuǎn)影響非常大,會(huì)造成特別嚴(yán)重的腐蝕。對(duì)4種鋼在沈陽(yáng)污染地區(qū)腐蝕隨時(shí)間變化關(guān)系進(jìn)行了調(diào)查與分析[4],指出碳鋼和低合金鋼,危害最大的污染是氧化硫及氯離子。濕熱條件在短期里對(duì)腐蝕的影響并不大,但長(zhǎng)期暴露危害作用非常大,如果同時(shí)存在污染,更會(huì)造成很?chē)?yán)重的腐蝕。提出了碳鋼的腐蝕隨時(shí)間(年)的變化關(guān)系為:Δw=38.7t0.597。

這里把相關(guān)文獻(xiàn)[1]～[5]的大氣常規(guī)環(huán)境下的A3(Q235)腐蝕狀況數(shù)據(jù)繪成圖2。諸如化工廠、煙廠、游泳館、煤棚等,腐蝕環(huán)境遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)當(dāng)?shù)氐钠骄髿猸h(huán)境,其對(duì)鋼材的腐蝕速率十分顯著,如本次檢測(cè)的游泳館建筑。根據(jù)本次的檢測(cè)結(jié)果,本次新建項(xiàng)目建議碳鋼的腐蝕深度與時(shí)間的關(guān)系如下:Δw=86.3t0.909(單位為μ m)。

4 不同腐蝕情況下的結(jié)構(gòu)承載能力計(jì)算分析

強(qiáng)腐蝕環(huán)境下腐蝕的結(jié)果直接造成網(wǎng)架構(gòu)件有效截面削弱,特別是管狀截面的鋼結(jié)構(gòu),因管壁較薄,其腐蝕的損傷及其累積效應(yīng)更為突出。針對(duì)新建網(wǎng)架,在設(shè)計(jì)載荷作用下,考慮腐蝕造成桿件壁厚減少來(lái)分析其對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。各類(lèi)桿件壁厚平均減小0.5 mm,1.0 mm,1.5 mm,2.0 mm等情況,分別在ANSYS程序中進(jìn)行計(jì)算可得相應(yīng)變形和桿件屈服分布等情況。

計(jì)算結(jié)果表明,隨著桿件壁厚的減小,網(wǎng)架的最大位移、最大應(yīng)力增加明顯,屈服桿件的數(shù)量增加很快,當(dāng)壁厚減小從1 mm變到2 mm時(shí),超過(guò)屈服強(qiáng)度的桿件數(shù)從178變到734,占總桿件比例的16%。由屈服桿件的分布圖可見(jiàn),隨管壁厚的減小,進(jìn)入屈服狀態(tài)的不同類(lèi)型桿件數(shù)量變化不同。壁厚減小1 mm時(shí),屈服的下弦桿數(shù)量增加快,當(dāng)壁厚減小2 mm時(shí),屈服的腹桿數(shù)量增加快,這與設(shè)計(jì)的桿件壁厚有明顯的關(guān)系,使用過(guò)薄的管壁對(duì)防銹很不利。

5 腐蝕環(huán)境下的網(wǎng)架非線性反應(yīng)

因腐蝕導(dǎo)致網(wǎng)架桿件的應(yīng)力超過(guò)屈服強(qiáng)度,將引起結(jié)構(gòu)較大的非線性反應(yīng)。以壁厚減小2 mm為例,若考慮材料的非線性特性,即材料的屈服強(qiáng)度為235 MPa,切線模量為 6.18 GPa,對(duì)F區(qū)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性分析。圖3為結(jié)構(gòu)的最大位移隨載荷的變化關(guān)系,位移的變化明顯地表現(xiàn)出由線性進(jìn)入非線性的特征,使結(jié)構(gòu)的整體位移大為增加,由不考慮非線性效應(yīng)的136 mm增到351 mm,屈服的桿件由 734根增到992根,已占到總桿件的1/5,對(duì)應(yīng)的變形云圖如圖4所示。由于結(jié)構(gòu)的腐蝕,其強(qiáng)度和剛度降低的同時(shí),部分桿件進(jìn)入屈服階段,使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更大的變形,反之,因大變形又使屈服桿件的數(shù)量增加,這種幾何非線性和材料非線性的耦合作用,使結(jié)構(gòu)承載能力大為降低或發(fā)生倒塌。

建議高腐蝕性環(huán)境下的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),應(yīng)確定材料相應(yīng)的腐蝕速率,進(jìn)行不考慮銹蝕下的網(wǎng)架設(shè)計(jì)和相應(yīng)腐蝕情況下的網(wǎng)架驗(yàn)算,通過(guò)調(diào)整相應(yīng)桿件截面,達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

6 結(jié)語(yǔ)

提出了高腐蝕環(huán)境下普通碳素鋼的腐蝕速率公式。腐蝕情況下的網(wǎng)架非線性檢測(cè)和計(jì)算分析表明,幾何和材料非線性的耦合作用,將促使結(jié)構(gòu)變形增大。建議針對(duì)高腐蝕的使用環(huán)境,確定材料相應(yīng)的腐蝕速率,進(jìn)行不考慮腐蝕下的網(wǎng)架設(shè)計(jì)和考慮腐蝕的網(wǎng)架驗(yàn)算,調(diào)整相應(yīng)桿件截面以達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

[1]張全成,吳建生,陳家光,等.暴露 1年的耐大氣腐蝕用鋼表面銹層分析[J].中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào),2001,21(5):297-300.

[2]楊曉芳,鄭文龍.暴露2年的碳鋼與耐候鋼表面銹層分析[J].腐蝕與防護(hù),2002,23(3):97-101.

[3]侯文泰,于敬敦,梁彩鳳.鋼的大氣腐蝕性4年調(diào)查及其機(jī)理研究[J].腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù),1994,6(2):137-142.

[4]王振堯,鄭逸蘋(píng),于國(guó)才,等.鋼在污染環(huán)境中的大氣腐蝕[J].腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù),1999,11(5):306-308.

[5]梁彩鳳.鋼在中國(guó)大陸的大氣腐蝕研究[J].電化學(xué),2001,7(2):215-219.