溫潤海洋大氣環境腐蝕下門式剛架廠房鋼結構受力性能有限元分析

李 琨

(廈門大學, 福建漳州 363105)

門式剛架結構近年來被廣泛應用于輕型工業廠房，但處于海洋大氣、污染大氣等腐蝕環境下，鋼結構出現了嚴重銹蝕，導致構件的有效截面尺寸減小、強度和延性下降。這些因素導致承重構件承載力和延性下降。而結構整體性能變化情況，受腐蝕的鋼構件的力學模型，腐蝕時長對其結構性能退化規律的影響等，都必須從結構層面入手進行深入研究。

國內外近年來的研究成果表明，運用有限元數值模擬方法分析腐蝕后的結構性能是可行的。本文也采用此方法，基于文獻[1]中鋼材在受腐蝕后，截面減小的試驗數據結果基礎上，分析和預測門式剛架廠房腐蝕后，承載力、變形的變化，進而在一定程度上評估腐蝕對于鋼結構廠房造成的不利影響。

1 構件截面設計

為符合實際工程情況，根據GB 51022-2015《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范》、GB 50017-2003《鋼結構設計規范》和GB 5009-2012《建筑結構荷載規范》的有關規定要求進行設計。對廈門市郊區較為常用的跨度18～36 m跨度單層單跨門式剛架，取常見荷載情況和結構布置方案，選擇合理的構件尺寸(表1)。所取構件尺寸均能滿足結構及節點的強度、剛度、穩定要求。

表1 門式剛架構件截面尺寸

2 腐蝕對鋼結構門式剛架結構性能的影響

2.1 有限元模型的建立

許多研究表明，在腐蝕環境下，構件尺寸隨著時間變化而變化。梁彩鳳等通過暴露試驗[2]，用逐步回歸方法，得到鋼材的大氣腐蝕發展規律：鋼材的大氣腐蝕發展遵循冪函數曲線D=Atn，式中：D為腐蝕深度(mm)；t是暴露時間(a)；A和n是常數。同樣，2001年Townesend[3]用同樣方法得到各種典型氣候下，工業建筑在不同年限與鋼材腐蝕之間的定量關系。此方法被證明是比較有效的。

國際標準化組織ISO 12944-2:1998中對大氣環境腐蝕性環境進行了分類。其中熱帶溫潤海洋性氣候，廈門室外鋼結構廠房屬于C5-M，對于有涂裝保護膜的Q235鋼材，使用2 a鋼結構腐蝕深度D=0.032×21.4=0.084mm；5a：D=0.032×51.4=0.305mm；10a：D=0.032×101.4=0.804mm；若使用時間為20 a，則為D=0.032×201.4=2.12mm。

已有研究表明，可以通過“失重率”這一指標來衡量“鋼材平均截面面積的減少”“不均勻腐蝕造成的應力集中”和“鋼材內部晶格變化”這三個因素對鋼材材性劣化程度的影響[4]。Dw=(W0-W1)/W0，為受腐蝕鋼材的失重率，W0、W1分別為腐蝕前后鋼材的質量。按照腐蝕損傷量相同的原則，將上文中計算的腐蝕深度，分別按板厚8 mm、10 mm、12 mm和14 mm計算出失重率(表2)。

基于受腐蝕鋼材力學性能試驗結果，文獻[5]用失重率Dw這一指標來衡量腐蝕后鋼材力學性能劣化程度。通過試驗數據，運用最小二乘法線性回歸，得出有涂裝受腐蝕Q235B鋼材屈服強度、抗拉強度和伸長率下降與其失重率之間的關系式為：

表2 不同厚度鋼板在各使用時間下的失重率

分別為未腐蝕和腐蝕鋼材的極限強度。

表3 不同失重率下各使用年限鋼材性能指標換算

2.2 結構和構件驗算結果

經過對未腐蝕和不同腐蝕時間后的單層門式剛架，進行ANSYS有限元數值模擬，并對18～36 m 4個不同跨度結構模型參照相關規范進行計算分析，結果表明腐蝕對整體結構的變形有不同程度的影響(圖1～圖4)。

圖1 跨度18m結構腐蝕前后變形比

圖2 跨度24m結構腐蝕前后變形比

圖3 跨度30m結構腐蝕前后變形比

圖4 跨度36m結構腐蝕前后變形比

圖1～圖4為腐蝕前后，門式剛架整體結構在不同腐蝕時長的變形比值。ANSYS分析結果表明，變形最大點仍然為屋脊處梁的豎向撓度。2 a、5 a和10 a的變形比增加，接近于線性遞增，但到20 a，變形比出現跳躍式增加，最大變形比接近1.7。說明經過較長時間腐蝕后，結構整體剛度削弱嚴重，發生了本質的變化。單獨比較截面減小和彈性模量E下降，可以發現，隨腐蝕時間增加，結構變形都逐漸增加，但兩個因素單獨作用時，較難確定何者的影響程度更大。可以確定的是兩個因素共同作用時，結構整體變形明顯比單一因素影響大。

3 結論

(1)有限元數值模擬的經過2～20 a溫潤地區海洋大氣腐蝕后，門式剛架結構和構件承載力降低，整體剛度被削弱，主要表現為結構屋脊處豎向撓度變形比。

(2)分析表明，腐蝕對截面尺寸和彈性模量的削弱，都影響了結構的剛度和承載能力。

(3)由于ANSYS有限元無法建立實際節點連接模型，故分析結果與實際結構會存在一些誤差。本文分析過程和結果表明，利用失重率公式(2)估算截面彈性模量減小，利用經驗公式估算腐蝕深度是可行的，同時可利用有限元分析方法，進一步研究有效的防腐措施。