既有大跨度鋼結構空間管桁架銹蝕情況分析

金偉峰

上海市機械施工集團有限公司 上海 200072

現階段，我國有大量既有鋼結構建筑經過長時間服役，已經進入功能退化期，其在建造與服役期間產生、積累的缺陷與損傷已對結構抗力產生了重大影響。考慮到我國現階段的經濟水平，將這些既有鋼結構建筑全部拆除重建是不現實的。因此，將這些既有鋼結構建筑加固、改造后繼續服役是符合國情的最佳戰略。

鋼材銹蝕問題是一個極為復雜的問題，它涉及物理、化學等一系列自然科學。對于這樣的一個跨學科問題，想用一個公式或者幾個定理將其闡述完整是十分困難的[1]。在面對實際工程問題時，人們往往更關心鋼結構銹蝕引起的鋼結構承載性能、剛度及結構穩定等方面的變化。銹蝕對鋼結構造成的損傷容易導致工程事故的發生，例如1996年武鋼焦化廠鋼結構皮帶通廊整體倒塌，2004年萊蕪鋼鐵股份有限公司特鋼廠煉鋼主廠房倒塌，2004年陜西重型機器廠鑄鋼車間倒塌，2005年俄羅斯丘索沃伊市游泳館鋼結構頂棚坍塌等，這些事故造成了嚴重的人員傷亡和巨大的經濟損失[2]。

目前，人們主要注重新建鋼結構設計理論與設計方法的研究，對結構損傷的識別以及計算模型的修正仍處于初期發展階段，相關試驗研究也僅僅局限于簡單的平面桿系結構等，對于較為復雜的結構體系，則很難定量評定其剩余承載能力。因此，研究如何將既有鋼結構存在的缺陷、損傷引入結構計算分析模型，并定量評定結構的承載能力，具有重大的理論價值和實際意義。銹蝕損傷作為鋼結構最普遍的損傷類型，對其研究具有重大意義。

1 銹蝕損傷綜述

目前，針對既有鋼結構存在的銹蝕損傷檢測方法已有較多研究，但是對于銹蝕損傷的分布規律，以及如何將現場檢測得到的數據引入既有鋼結構計算模型的研究還不夠充分。

結構中使用的鋼材主要是普通低合金鋼和普通碳素結構鋼，其耐候性并不優秀，為了防止其在服役過程中產生銹蝕，需要在構件和節點的表面覆蓋保護涂層。在國際標準ISO 12944—2017《Paints and Varnishes—Corrosion Protection of Steel Structure by Protective Paint Systems》中，將保護涂層的設計使用壽命分為低、中、高共3個等級。低級壽命2～5年，中級壽命5～15年，高級壽命15年以上。在實際使用的過程中，涂層的實際壽命往往還會短于設計壽命。鋼結構的設計使用年限往往為50年甚至更久，很明顯，保護涂層的使用壽命遠遠低于結構的設計使用年限，若不能及時維護、更換涂層，鋼構件會不可避免地產生銹蝕現象。銹蝕不僅僅會減小構件的截面尺寸，還會使鋼材的延性降低，導致鋼結構的構件與連接承載性能退化，降低結構的安全性能[3]。

鋼構件的銹蝕按照銹蝕范圍可分為2種，即局部銹蝕與均勻銹蝕[4]。局部銹蝕的主要特點是銹蝕分布范圍無規律、銹蝕深度不統一。目前，船舶結構與航空航天領域對局部銹蝕的研究成果較多[5-6]，這與船舶和飛行器嚴酷的工作環境是密不可分的。均勻銹蝕的主要特點是銹蝕分布均勻且銹蝕深度相近。結構工程領域對均勻銹蝕的研究較多，圍繞均勻銹蝕的主要研究內容分3個大方向：銹蝕損傷的表征方法、銹蝕損傷對構件及材料受力性能的影響、銹蝕損傷的預測。

調查結果顯示，我國既有鋼結構的銹蝕以點蝕（在金屬表面出現縱向發展的腐蝕小孔，其余區域不腐蝕或僅輕微腐蝕，這種腐蝕形態即為點蝕）為主[4]。目前，描述點蝕程度的參數主要有：銹蝕區域、銹蝕面積、銹坑深度、銹坑密度、銹坑形狀等。考慮到上述參數存在一定的內在相關性，所以我國的國家標準GB/T 18590—2001《金屬和合金的腐蝕 點蝕評定方法》[7]選取歸納了3個參數來對點蝕進行評級：銹坑密度、銹坑大小和銹坑深度。對于存在點蝕的既有鋼構件，羅立勝[8]提出根據銹蝕程度將鋼構件人為分段，每段構件均采用扣除平均銹蝕深度后的有效截面進行計算評定。

均勻銹蝕對鋼構件帶來的最直觀的改變是截面幾何特性的變化，發生均勻銹蝕時，構件銹蝕深度近似相等。對均勻銹蝕的鋼構件進行承載力計算時可以采用扣除銹蝕部分后的有效截面。

此外，銹蝕還會影響鋼材的彈性模量、屈服強度、抗拉強度等。因此，在將均勻銹蝕損傷引入既有鋼結構分析計算模型時，既要考慮截面幾何特性的改變，又要考慮銹蝕對鋼材力學性能的影響。一般采用銹蝕率η來表征均勻銹蝕鋼材的銹蝕程度，其表達公式如下：

史煒洲等[10]對銹蝕Q235B鋼構件進行了力學性能試驗，并通過最小二乘法回歸，分別給出了銹蝕鋼材的失重率與屈服強度、抗拉強度和伸長率下降的關系式：

2 工程實例

2.1 工程概況

某大跨度空間管桁架屋蓋位于上海市，于1997年投入使用，總建筑面積約為13萬 m2，建筑外輪廓為直徑300 m的圓形，原建筑最大標高為70.8 m，是集體育比賽、文體表演、酒店等為一體的大型綜合體育設施。

本次改造擬將上述建筑改造為滿足FIFA國際A級比賽要求的專業足球場。

上海體育場屋蓋為鋼結構空間管桁架體系，徑向由32榀懸挑鋼桁架構成，環向由內圈和外圈鋼桁架構成，東西側有加強環向鋼桁架。徑向懸挑鋼桁架插入外圈混凝土斜柱內，懸挑鋼桁架水平投影長度21.936～73.790 m；懸挑鋼桁架桿件均為鋼管，外徑219～508 mm，壁厚10～16 mm。桿件鋼材為英鋼50D（相當于我國16Mnq橋梁鋼）。屋蓋結構如圖1所示。

圖1 屋蓋結構剖面

屋蓋鋼結構上覆PTFE膜，膜屋面敷設在飛索桅桿結構上。上表面鋼索φ25.4 mm，預應力56～75 kN，下表面鋼索φ38.1 mm，應力117～141 kN。

2.2 主體結構銹蝕損傷

經過對既有結構的現場檢測，結果如下：徑向桁架、中間環向桁架桿件涂層普遍老化脫落；徑向桁架、內外環桁架弦桿局部表面略有銹蝕，厚度銹蝕率在0.8%～5.0%；少量內環桁架弦桿局部表面銹蝕，厚度銹蝕率在6.3%～11.6%；個別徑向桁架近內環的弦桿局部嚴重銹蝕；部分徑向桁架桿件表面有水漬現象。

桿件銹蝕情況具體如圖2所示，部分桿件銹蝕率如表1所示。

表1 屋蓋桿件銹蝕率

圖2 主體結構桿件銹蝕情況

斜立柱與徑向桁架連接處銹蝕情況如下：斜立柱與徑向桁架外側連接板普遍銹蝕，厚度銹蝕率在0.3%～4.3%；個別連接板銹蝕明顯，厚度銹蝕率9.3%。斜立柱頂部桁架少量斜腹桿表面涂料脫落，少量表面銹蝕，厚度銹蝕率在0.6%～4.1%；個別明顯銹蝕，厚度銹蝕率在6.0%～10.1%。

2.3 圍護結構銹蝕損傷

現場檢測結果顯示，屋蓋支座處裝飾物存在部分嚴重損壞情況，存在一定的安全隱患。裝飾鋼龍骨下部角鋼、槽鋼均有銹蝕。在抽檢的26根角鋼中，輕微銹蝕18根，厚度平均銹蝕率3.2%；中等銹蝕1根，厚度銹蝕率8.3%；嚴重銹蝕7根，厚度平均銹蝕率33.8%。在抽檢的7根槽鋼中，輕微銹蝕2根，厚度平均銹蝕率1.9%；中等銹蝕2根，厚度平均銹蝕率7.1%；嚴重銹蝕3根，厚度平均銹蝕率16.6%。現場銹蝕照片如圖3所示。

圖3 圍護結構桿件銹蝕情況

外環裝飾龍骨則僅存在少量浮銹，本體未發生銹蝕。

3 銹蝕情況分析

我國早年通過對17種碳鋼、低合金鋼在全國7個典型大氣環境下進行為期16年的大規模、大范圍暴露腐蝕試驗研究，得到大氣腐蝕深度與腐蝕時間的函數關系[11]。

研究結果表明，在選取的7個典型大氣環境中（北京、青島、武漢、江津、廣州、瓊海、萬寧），C的值在0.02～0.10 mm之間，n的值在一般環境中為0.4～0.5 mm，在極端濕熱的海洋氣候中可達到0.7～1.5 mm[12]。國外學者對于鋼材大氣腐蝕試驗研究擬合出的公式大體上與式（6）相近，只是常數取值因地而異。

上文所述結構地處上海，服役時間為23年，根據式（6）對銹蝕厚度進行推算，考慮到上海的平均濕度與青島接近，n取值0.5，C取值0.1，代入式（6），則推算銹蝕厚度為：dc＝CT n＝0.1×230.5＝0.48 mm。

上述計算結果與表1相比較，數值是偏大的，其原因在于反腐涂層。對于式（6），其針對的是裸露在大氣環境中的無涂層鋼材，而在實際鋼結構工程中，鋼構件的表面均會覆蓋保護涂層，涂層可以大幅延緩鋼構件的銹蝕速度。在國際標準ISO 12944—2017《Paints and Varnishes—Corrosion Protection of Steel Structure by Protective Paint Systems》中，將保護涂層的設計使用壽命分為低、中、高共3個等級。低級壽命2～5年，中級壽命5～15年，高級壽命15年以上。我國國家標準GB 50046—2008《工業建筑防腐蝕設計規范》[13]也給出了鋼結構各種防腐涂層的使用年限（短則2～5年，長則15年以上）。在保護涂層的使用壽命中，鋼構件幾乎不發生銹蝕，保護涂層失效后，鋼構件才開始發生大氣腐蝕。

因此采用式（6）計算的結果稍大于表1中基于既有結構的實際檢測結果是合理的，采用式（6）對既有鋼結構銹蝕情況進行預測，并根據防腐涂料情況酌情修正，可以較為準確地得到構件的銹蝕率。進而可以根據第1節的關系式，計算帶有銹蝕損傷鋼材的彈性模量、屈服強度、抗拉強度、伸長率等材性指標。

4 結語

本文針對既有大跨度鋼結構的銹蝕損傷進行了系統介紹，并結合既有研究成果指出銹蝕損傷對鋼材的彈性模量、屈服強度、抗拉強度、伸長率等材性指標均有顯著影響。因此，在評估、預測既有銹蝕損傷結構殘余承載力時，不宜僅僅對構件截面進行削減，還需要在材料力學性能上進行修正。通過統計某既有大跨度空間管桁架屋蓋服役23年后的銹蝕損傷檢測結果，采用銹蝕率這一參數對主體結構以及圍護結構的銹蝕損傷進行了量化表征。將實測銹蝕率與公式預測銹蝕率進行了對比，并指出理論與實測銹蝕率偏差的原因在于建筑防腐涂層的保護作用，驗證了預測既有結構銹蝕損傷程度的理論手段。