鋼結(jié)構(gòu)耐久性性能研究

1、鋼結(jié)構(gòu)耐久性性能研究隨著鋼產(chǎn)量的增加與鋼結(jié)構(gòu)設計理論的日益成熟，我國鋼結(jié)構(gòu)工 程的數(shù)量和規(guī)模逐年增加，然而鋼結(jié)構(gòu)耐久性差，許多長期處于海洋 大氣、工業(yè)大氣等腐蝕環(huán)境下的大型鋼結(jié)構(gòu)工程（如橋梁、大型工業(yè) 建筑、電視塔、高壓輸電鐵塔、大型水庫閘門、海上采油設施等）出 現(xiàn)了銹蝕問題。為此，近些年來，國內(nèi)外學者開始對鋼結(jié)構(gòu)耐久性進 行研究。由于試驗條件、試驗方法、試驗性質(zhì)（問題本身的復雜性） 等因素導致不同學者得出的結(jié)論差異性較大，所得出的數(shù)據(jù)難以得到 充分利用，統(tǒng)計得出的關系式也難以有說服力。到目前為止，尚未有 比較成熟的關系式以供應用。顯然，對銹蝕鋼材性能的全面認識是一 個非常復雜的問題，需要積累

2、大量的試驗數(shù)據(jù)及參考大量的工程實 例。本文對當前國內(nèi)外相關研究現(xiàn)狀進行總結(jié)分析，提出有待繼續(xù)研 究的問題，為進一步進行鋼結(jié)構(gòu)安全評定奠定基礎。1研究方法目前對銹蝕鋼材性能的研究主要以試驗研究為主，通過對不同銹 蝕程度的鋼材進行試驗，統(tǒng)計其力學性能的變化情況。銹蝕鋼材的獲 取通常有3種方法：1 ）實際工程中拆換下來的銹蝕鋼試件；2）大 氣環(huán)境中自然裸露銹蝕鋼試件；3 ）實驗室模擬銹蝕鋼試件，如鹽霧 試驗等。第1種方法能夠真實反映工程實際情況，但是相應的零銹蝕 率的對比試件往往難以獲得，給鋼材銹蝕率的確定以及銹蝕鋼材力學 性能變化程度的確定帶來了難度，此外，不同年代的鋼材由于其化學成分、加工工藝不

3、同，銹蝕鋼材力學性能退化規(guī)律也有所不同。第2 種方法由于銹蝕機理與銹蝕形態(tài)隨暴露環(huán)境不同，且難以獲得銹蝕率 較大的鋼試件。第3種方法獲取銹蝕鋼筋的周期短，相應的同批零銹 蝕率試件也較易獲得，但是其與實際工程中自然銹蝕的相關性有待研 究；銹蝕鋼材表面銹坑的復雜性缺乏相應的統(tǒng)計分析。2銹蝕程度表征方法對于銹蝕程度的表征，現(xiàn)在通行的做法是采用銹蝕率或損失厚 度，但兩者都只能反映均勻銹蝕的影響，很難反映出銹坑的影響，而 銹坑對結(jié)構(gòu)安全的影響是不可忽略的。文獻在銹蝕程度表征方面做了 一些嘗試，提出用分形維數(shù)來表征銹蝕后的表面，但數(shù)據(jù)量較少，統(tǒng) 計得出的關系式也難以有說服力。3建筑加固改造的目的及工程特點

4、對在役鋼結(jié)構(gòu)進行安全評價，其最重要一點就是銹蝕程度的檢測，如 銹坑深度，銹蝕率等。目前，銹坑的測量主要有光學顯微鏡觀察和x射線透視法。光學顯微鏡觀察法由于本身的限制很難測量試樣內(nèi)部 的空洞，或由表面開始向試樣內(nèi)部斜向延伸的斜坑；而x射線透視法 的最大缺陷是不適用于斜坑，無法反映斜坑的走向及其深度。文獻1 基于x射線透射造影術(shù)的基本原理，提出了一種簡易的x射線斜透射 測量技術(shù)，用以測量金屬板材上腐蝕坑的最大深度。這種方法操作起 來十分簡便，對儀器的要求也很低，對于銹坑深度的測量精確度也令 人滿意。但由于該方法通過平面圖像進行，缺乏對銹坑形狀變化的描 述。文獻2采用粗糙度檢測儀測量表面銹坑，此方法

5、僅用于實驗室 研究，不具有工程應用價值。文獻采用數(shù)字圖像分析技術(shù)，用圖 像分維探討了腐蝕圖像特征與表面腐蝕坑分布特征的關系。此方法適 合于工程應用，但相關性還有待進一步研究。4銹蝕鋼材力學性能現(xiàn)有的文獻主要針對銹蝕鋼筋的力學性能進行研究。文獻4通過力 學試驗或有限元數(shù)值模擬，得出銹蝕鋼材的屈服強度、極限強度隨銹 蝕率增大而減小，極限伸長率也隨之降低；文獻對銹蝕鋼筋的力 學性能進行了總結(jié)。文獻6通過運用5種室內(nèi)加速腐蝕方法：酸性 土壤、鹽性土壤、酸性大氣、鹽性大氣和濕熱循環(huán)獲得了銹蝕鋼板， 首次進行了鋼板試件的拉伸試驗。通過試驗得出銹蝕鋼材的屈服強 度、極限強度隨銹蝕率增大而線性減小，伸長率呈無

6、關系降低。但由 于試驗試件的銹蝕率有限，未能反映出銹蝕率較大時的力學性能退化 情況，因此還需要進行大量的研究工作。5銹蝕鋼構(gòu)件承載力對于構(gòu)件承載力的研究，主要集中在一些國外文獻上，相比之下, 國內(nèi)相關文獻資料要少得多。日本學者yamamoto等人一直致力于 坑蝕構(gòu)件承載力的研究，撰寫了很多關于這方面的文章。在文獻岡中, 以某銹蝕船艙為研究對象，對銹蝕構(gòu)件的銹坑形狀、大小進行了詳細 描述。在銹蝕的研究中，采用人工打孔方式模擬銹坑，通過對比人工 銹坑構(gòu)件與天然銹坑構(gòu)件的拉伸性能，認為人工銹坑構(gòu)件與天然銹蝕 構(gòu)件有著較為完美的相似性。同時，在銹蝕構(gòu)件銹坑深度、密度與試 件拉伸性能的關系上，該文獻也做

7、了一些定性分析。文獻3的下半 部分主要圍繞著工字鋼的受壓屈曲進行了一定的研究，這部分仍然沿 用了上面所述人工銹坑代替天然銹坑，通過對因銹坑深度、分布不同 而導致承載力及屈曲形態(tài)不同的現(xiàn)象分析，得出了銹坑深度、分布與 銹蝕構(gòu)件受壓屈曲承載力的關系。文獻4沿用了文獻的試驗方法， 用人工打孔的方法對工字梁腹板不同位置進行人工銹蝕，通過一系列 的4點彎曲測試對腹板銹蝕部位不同時引起的承載力改變及構(gòu)件變 形進行了詳細探討。文獻9認為坑蝕的極限荷載值等于或略小于普 通腐蝕的極限荷載值。而實際情況下，構(gòu)件的平均厚度可以作為評估 腹板坑蝕的一個重要參數(shù)10。文獻11通過自然暴露銹蝕的h型鋼 梁受彎承載性能試驗

8、，揭示了銹蝕h型鋼梁受彎性能退化規(guī)律，用等 效缺陷面積建立了銹蝕h型鋼構(gòu)件受彎承載力退化模型。文獻12通 過自然暴露銹蝕的槽鋼梁受彎承載性能試驗，并結(jié)合有限元軟件，揭 示出銹蝕對槽鋼梁受彎性能的影響，提出平均厚度的概念，并指出隨 著銹蝕量的增大，僅平均厚度減小而不影響鋼材強度。文獻13對1 6根角鋼構(gòu)件進行腐蝕，然后進行受壓試驗，對8根未銹蝕桿件也進 行了試驗，分析了銹蝕程度對抗壓性能的影響，并與考慮質(zhì)量損失的 分析方法進行了對比。這些研究大多停留在構(gòu)件的受彎、受壓承載力 方面，而且數(shù)據(jù)有限，很難有說服力，因此還有大量的工作要做。6銹蝕鋼結(jié)構(gòu)承載力對銹蝕鋼結(jié)構(gòu)承載力的研究，現(xiàn)有的文獻都只考慮均勻腐蝕，反 映局部腐蝕對結(jié)構(gòu)承載力的影響還很鮮見。文獻14-15在分析結(jié)構(gòu)承 載力下降時，均通過對構(gòu)件截面進行簡單折減，目前，對構(gòu)件的層次 研究尚未清楚，因此，結(jié)構(gòu)承載力的評價仍然需要做大量工作。7銹蝕鋼結(jié)構(gòu)連接性能鋼結(jié)構(gòu)的連接主要有焊縫和螺栓連接兩種方式。對銹蝕后鋼結(jié)構(gòu) 連接性能的研究，目前國內(nèi)學者僅西安建筑科技大學的徐善華教授