鐵路鋼結構站房及雨棚的耐久性研究

余洋

摘 要：隨著高速鐵路的快速發展，鐵路站房作為展示城市和高鐵形象的窗口，得到了社會的普遍關注?，F代化高鐵站房和無站臺柱雨棚多采用大跨度空間鋼結構，鋼結構防腐蝕性能較差，造成了大量的鋼材損耗，同時大大降低了鋼結構的承載能力。從既有鋼結構站房和雨棚的腐蝕現狀入手，分析了鋼結構腐蝕的環境影響因素，詳細介紹了鋼結構腐蝕損傷的機理和類型，并提出了其耐久性設計的要點，以期能為以后的鋼結構站房和雨棚設計提供借鑒。

關鍵詞：鋼結構站房；雨棚；耐久性；鋼結構腐蝕

中圖分類號：TU391 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.03.062

1 鋼結構的耐久性

鋼結構具有力學性能好、承載力好、自重輕、抗震性能好、易于工廠化生產、施工周期短、節能環保等一系列優點，在鐵路站房和雨棚中得到了大量的應用。但鋼結構有一個致命的弱點——容易被腐蝕，因此造成了大量鋼材損失，同時降低了結構的承載能力，嚴重時，還有可能導致結構的坍塌。因此，防腐成為鋼結構站房和雨棚耐久性研究中的重點。

耐久性是指材料抵抗自身和自然環境雙重因素長期破壞作用的能力，即保證其經久耐用的能力。耐久性越好，材料的使用壽命越長。業內對于混凝土結構耐久性的定義是在預定作用和預期的維護和使用條件下，其結構和部件在預定的期限內維持其所需的最低性能要求的能力。目前，業界對于鋼結構的耐久性并沒有明確的定義，對于其耐久性的研究也并未形成完善的體系和理論。參考混凝土耐久性定義對鋼結構耐久性進行定義，即鋼結構耐久性是指在設計確定的環境作用和維修、使用條件下，鋼結構構件和相關連接件在設計使用年限內保持其適用性和安全性的能力。

就鋼結構本身而言，其耐久性又與鋼結構材料本身的耐久性和防腐涂料的耐久性有關，而涂料往往就是鋼結構防腐蝕的“頭道防線”。

2 鐵路鋼結構站房和雨棚的耐久性現狀

鐵路站房的候車大廳、進出站雨棚和其他大跨度懸挑部分均采用鋼結構，中小型站臺雨棚和省會級的大跨度無站臺柱雨棚也多采用鋼結構。由于鋼結構均處于半露天或露天環境中，陽光、大氣、水、海洋氣候等均會造成鋼結構的腐蝕。圖1為膠新線某站（建成11年）輕鋼雨棚柱銹蝕現狀。從圖1中不難看出，立柱涂層大面積粉化、脫落，鋼結構銹蝕嚴重。這主要因為鋼結構涂層在常年的日曬雨淋中失效，且受到涂層防腐蝕年限的影響。圖2為秦沈線某站（建成12年）輕鋼雨棚鋼梁銹蝕現狀。從圖2中可以看出，鋼梁涂層粉化和鋼結構點狀銹蝕嚴重。這主要是由于該地區靠近海洋，受海洋大氣環境影響較大。圖3為太中銀線某站（建成4年）大跨度無站臺柱鋼結構雨棚。從圖3中可以看出，由于涂裝質量較差，該雨棚臺柱出現粉化和脫落。圖4為某站房內網架球節點銹蝕。圖5為某站房屋面板因自身材質原因，老化嚴重。圖6為某站因養護不到位而引起鋼結構銹蝕。

鐵路站房和雨棚作為鐵路交通運輸中不可或缺的一環，根據對鋼結構雨棚腐蝕現狀的調查，我們有必要根據鐵路站房和雨棚所處的環境，分析其腐蝕機理和特點，研究適用于鐵路站房和雨棚的耐久性設計。

3 鋼結構腐蝕的影響因素

鋼結構的腐蝕主要受大氣環境的影響，大氣環境中的水分、氧氣和其他腐蝕性介質（包括雨水中的雜質、灰塵、表面沉積物、鹽霧、酸雨）與鋼材表面接觸，發生化學腐蝕或電化學腐蝕，導致鋼結構被腐蝕。影響鋼結構腐蝕的因素可以分為氣候因素和大氣污染因素兩大類。

3.1 氣候因素

氣候因素直接影響著鋼結構的腐蝕，包括日照時間、氣溫、相對濕度、降水等。

3.2 大氣污染因素

大氣的主要成分是不變的，但是被污染的大氣中含有的硫化物、氮化物、碳化物和海洋大氣中的鹽粒子等會對金屬造成腐蝕。

4 鋼結構腐蝕損傷的機理

鋼結構腐蝕損傷的機理包括兩方面，分別是電化學腐蝕機理和熱力學腐蝕機理。在大氣環境中，比較常見的是電化學腐蝕機理。

4.1 電化學腐蝕機理

電化學腐蝕過程與電解質電池反應相同，構成這種反應的三個要素是陽極、陰極和導電介質。陽極過程：Fe→Fe2++2e，陰極過程（氧的還原）：O2+2H2O+4e→4（OH）-.陽極產物鐵離子與陰極產物氫氧根離子相結合，生成初步的腐蝕產物（氫氧化亞鐵）而沉淀：Fe2++2（OH）-→Fe（OH）2.氫氧化亞鐵進一步被溶液中的氧所氧化，轉變為氫氧化鐵（即鐵銹）：4Fe（OH）2+2H2O→4Fe（OH）3. 圖7為鋼結構電化學腐蝕的基本原理圖。

4.2 熱力學腐蝕機理

任何一種元素，包括金屬元素和非金屬元素，在自然界都有一種最穩定的狀態，即能量最低狀態。鐵是在高爐中用焦炭中的碳對赤鐵礦（Fe2O3）還原而得到的，即2Fe2O3（鐵礦）+3C（焦炭）→4Fe（鐵）+3CO2（氣）.該反應是在溫度極高的條件下發生的，需要大量的能量，且生成的最終產物鐵和最后的鋼是不穩定的，當鋼暴露于潮濕和有氧的環境中，鐵將趨向于恢復成原來的形態，即Fe（鐵）+O2+H2O→Fe2O3·H2O（鐵銹）.

5 鋼結構腐蝕損傷的分類和破壞形式

5.1 腐蝕損傷的分類

鋼結構腐蝕的本質就是鋼材的主要元素鐵被氧化失去電子（Fe-2e=Fe2+）變成鐵銹的過程。鋼結構的腐蝕根據鋼結構周圍的環境、空氣中的有害成分（例如酸、鹽等）以及溫、濕度和通風情況的不同可分為兩類，分別是化學腐蝕和電化學腐蝕。

化學腐蝕是鋼結構暴露于潮濕和有氧的環境下發生的化學銹蝕，也就是鋼材表面與周圍介質直接發生化學反應而產生的腐蝕，其腐蝕程度隨時間和溫度的增加而增加。化學反應方程式為Fe（鐵）+O2+3H2O=4Fe2O3（鐵銹）+3CO2.

電化學腐蝕是鋼材在存放和使用中與周圍介質之間發生氧化還原反應而產生的腐蝕，其本質就是鋼結構中的鐵在腐蝕介質中通過電化學反應被氧化成正的化學價狀態。

5.2 腐蝕損傷的破壞形式

鋼結構腐蝕的破壞形式大體上可以分為兩大類，分別是全面腐蝕和局部腐蝕。全面腐蝕又稱均勻腐蝕，是最常見的腐蝕形態，由于腐蝕速率均勻，相對容易進行預測和防護。只要進行嚴格的工程設計和采取合理的防腐蝕措施，就不會發生突然的腐蝕事故。局部腐蝕由于腐蝕機理不同，發生的部位也不同，有時，關鍵點的腐蝕會造成鋼結構整體的坍塌。常見的局部腐蝕形式主要有點蝕、縫隙腐蝕、電偶腐蝕、晶間腐蝕、選擇性腐蝕、應力腐蝕和腐蝕疲勞等。

6 鋼結構的防腐方法

根據化學腐蝕和電化學腐蝕的本質，鋼結構防腐主要是針對溫度、濕度、水等大氣環境和電位差等方面進行防腐。

6.1 鋼結構防腐原則

建筑結構用鋼存在不少有害物質，造成不同區域的鋼材存在較大差異，這些差異為電化學腐蝕提供了先決條件。為避免此類腐蝕的發生，需要提高鋼材的均勻性和質量，減少材料差異，從根本上降低腐蝕發生的可能性，從而達到防腐目的。

鋼結構桿件節點構造連接能取得很好的防腐效果。節點構造設計應避免積水和灰塵積累，提供恰當的排水系統，減少腐蝕發生的可能性；避免采用搭接和形成縫隙的結構，避免采用螺栓連接和斷續焊接的角鋼結構，應優先選擇周長和面積較小的截面和實腹式結構。同時，應對鋼材表面進行有效的防腐處理，最大程度地減少與不利環境接觸的概率。針對電化學腐蝕，陰極保護法能有效提高防腐效果。

6.2 不同環境下鋼結構的防腐方法

站房內鋼結構均處于室內環境，常采用防腐涂層法。一般的配套方案為：防腐底漆采用水性無機富鋅底漆，中間漆采用環氧云鐵中間漆，并采用環氧封閉漆封閉，面漆為聚氨酯或氟碳噴涂。每層漆涂刷的具體遍數和厚度應根據腐蝕作用的分類和結構的重要程度確定。

站臺雨棚、人行天橋、進站雨棚等鋼結構大多處于室外環境，受大氣環境影響較大，應考慮更為嚴格的防腐措施。常用的方法有采用耐候鋼、熱鍍鋅防腐、熱噴涂鋁（鋅）復合涂層等。具體的選用原則還需綜合考慮建設地點的氣候特征，并結合其他地區的使用經驗確定，以獲得預期的防腐目標。

7 鋼結構站房和雨棚的耐久性設計要點

鋼結構站房和雨棚的耐久性設計應提前調查環境條件，根據結構的重要性確定合理的腐蝕環境等級。根據不同的腐蝕環境等級，選用不同的涂層保護。

7.1 防腐蝕設計控制要點

根據不同的腐蝕環境類別，選用合理的結構形式和節點構造，有利于提高結構自身的抗腐蝕能力，同時便于施工和使用過程中的檢查維修。當鋼結構可能與液態腐蝕性物質或固態腐蝕性物質接觸時，應采取隔離措施。腐蝕性等級為Ⅳ，Ⅴ或Ⅵ級時，桁架、柱、主梁等重要受力構件不應采用格構式構件和冷彎薄璧型鋼。桿件應采用實腹式或閉口截面，閉口截面端部應進行封閉，同時控制桿件的最小厚度。網架結構宜采用管形截面、球型節點。腐蝕性等級為Ⅳ，Ⅴ或Ⅵ級時，應采用焊接連接的空心球節點。當采用螺栓球節點時，桿件與螺栓球的接縫應采用密封材料填嵌嚴密，多余螺栓孔應封堵。對于不同金屬材料的接觸部位，應采取隔離措施。桁架、柱、主梁等重要鋼構件和閉口截面桿件的焊縫應采用連續焊縫方法。當腐蝕等級較高時，應采用耐候鋼等防腐蝕性能較好的鋼材。

7.2 表面處理

鋼結構站房和雨棚涂層施工前應進行表面處理，一般情況下，表面粗糙度不宜超過涂裝系統總干膜厚度的1/3.鋼結構表面的焊渣、毛刺和飛濺物等附著物會造成防腐蝕保護層的局部缺陷，施工前應清除干凈，對邊角進行鈍化處理，使用清潔劑或堿液擦洗、火焰燃燒等方法清除鋼結構表面的油污，并用淡水沖洗至中性。清理表面后，應采用吸塵器或干燥、潔凈的壓縮空氣清除浮塵和碎屑，然后采取涂層或金屬熱噴涂的保護方式。

7.3 涂層保護

涂層應按涂層配套原則設計，應滿足腐蝕環境、工況條件和防腐蝕年限要求，同時，同一配套的底漆、中間漆、面漆應有良好的相容性。針對鐵路站房和雨棚的特殊環境，確定了環氧防銹底漆、環氧云鐵中間漆和氟碳面漆的涂裝體系，涂裝厚度則根據室內鋼結構和室外鋼結構的環境類別選取，確保預留適當的防腐蝕量。

涂層施工是溫度宜為5～38 ℃，相對濕度不宜大于85%，鋼材表面溫度應高于露點3 ℃以上，雨、霧、雪、大風天氣不宜進行室外施工。

7.4 金屬熱噴涂

在腐蝕性等級為Ⅳ，Ⅴ或Ⅵ級腐蝕環境類型中的鋼結構防腐蝕宜采用金屬熱噴涂。熱噴涂金屬材料宜選用鋁、鋁鎂合金或鋅鋁合金。在大氣環境下，金屬熱噴涂系統最小局部厚度應根據金屬熱噴涂系統的組成和防護層的使用年限確定。金屬熱噴涂的外面根據金屬熱噴涂系統組成的不同，應做封閉層和涂裝層。

8 鋼結構的維護保養

對于鐵路站房和雨棚建筑全生命周期而言，后期的維護保養是提高鋼結構耐久性不可或缺的一環。定期的安全檢測、評估可以了解鋼結構所處的狀態，通過對涂層的檢測，可以確定其使用壽命。日常的巡檢、春秋檢、年檢等有助于及時發現鋼結構失效部分和腐蝕情況，進而對涂層的破壞、銹蝕，支座的老化，焊縫的撕裂等進行維護保養，確保鋼結構處于正常工作狀態?！惰F路運輸房建設備大修維修規則》（鐵總運〔2014〕60號）對鋼結構站房和雨棚的巡檢頻次、巡檢部位和維修周期等作了詳細規定。

9 結束語

本文從不同地區、不同使用年限既有鋼結構站房和雨棚的銹蝕現狀出發，介紹了氣候因素、大氣污染因素等鋼結構腐蝕的大氣環境影響因素。在此基礎上，本文介紹了電化學腐蝕機理和熱力學腐蝕機理，明確了鋼結構腐蝕損傷的原理，分析了化學腐蝕和電化學腐蝕以及均勻腐蝕和局部腐蝕等不同的腐蝕形式，提出了鋼結構防腐蝕設計的控制要點，并從表面處理、涂層設計及施工、金屬熱噴涂等多方面詳細講述了鋼結構的耐久性設計要點，希望能為以后鋼結構工程的設計和施工提供借鑒。

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〔編輯：王霞〕