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(shè)計(jì)理論的日益成熟，我國(guó)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(zhǎng)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(kù)閘門(mén)、海上采油設(shè)施等）出 現(xiàn)了銹蝕問(wèn)題。為此，近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)始對(duì)鋼結(jié)構(gòu)耐久性進(jìn) 行研究。由于試驗(yàn)條件、試驗(yàn)方法、試驗(yàn)性質(zhì)（問(wèn)題本身的復(fù)雜性） 等因素導(dǎo)致不同學(xué)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(jì)得出的關(guān)系式也難以有說(shuō)服力。到目前為止，尚未有 比較成熟的關(guān)系式以供應(yīng)用。顯然，對(duì)銹蝕鋼材性能的全面認(rèn)識(shí)是一 個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題，需要積累

2、大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及參考大量的工程實(shí) 例。本文對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)分析，提出有待繼續(xù)研 究的問(wèn)題，為進(jìn)一步進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)安全評(píng)定奠定基礎(chǔ)。1研究方法目前對(duì)銹蝕鋼材性能的研究主要以試驗(yàn)研究為主，通過(guò)對(duì)不同銹 蝕程度的鋼材進(jìn)行試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)其力學(xué)性能的變化情況。銹蝕鋼材的獲 取通常有3種方法：1 ）實(shí)際工程中拆換下來(lái)的銹蝕鋼試件；2）大 氣環(huán)境中自然裸露銹蝕鋼試件；3 ）實(shí)驗(yàn)室模擬銹蝕鋼試件，如鹽霧 試驗(yàn)等。第1種方法能夠真實(shí)反映工程實(shí)際情況，但是相應(yīng)的零銹蝕 率的對(duì)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(xué) 性能變化程度的確定帶來(lái)了難度，此外，不同年代的鋼材由于其化學(xué)成分、加工工藝不

3、同，銹蝕鋼材力學(xué)性能退化規(guī)律也有所不同。第2 種方法由于銹蝕機(jī)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(yīng)的同批零銹 蝕率試件也較易獲得，但是其與實(shí)際工程中自然銹蝕的相關(guān)性有待研 究；銹蝕鋼材表面銹坑的復(fù)雜性缺乏相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)分析。2銹蝕程度表征方法對(duì)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(duì)結(jié)構(gòu)安全的影響是不可忽略的。文獻(xiàn)在銹蝕程度表征方面做了 一些嘗試，提出用分形維數(shù)來(lái)表征銹蝕后的表面，但數(shù)據(jù)量較少，統(tǒng) 計(jì)得出的關(guān)系式也難以有說(shuō)服力。3建筑加固改造的目的及工程特點(diǎn)

4、對(duì)在役鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，其最重要一點(diǎn)就是銹蝕程度的檢測(cè)，如 銹坑深度，銹蝕率等。目前，銹坑的測(cè)量主要有光學(xué)顯微鏡觀察和x射線透視法。光學(xué)顯微鏡觀察法由于本身的限制很難測(cè)量試樣內(nèi)部 的空洞，或由表面開(kāi)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(wú)法反映斜坑的走向及其深度。文獻(xiàn)1 基于x射線透射造影術(shù)的基本原理，提出了一種簡(jiǎn)易的x射線斜透射 測(cè)量技術(shù)，用以測(cè)量金屬板材上腐蝕坑的最大深度。這種方法操作起 來(lái)十分簡(jiǎn)便，對(duì)儀器的要求也很低，對(duì)于銹坑深度的測(cè)量精確度也令 人滿意。但由于該方法通過(guò)平面圖像進(jìn)行，缺乏對(duì)銹坑形狀變化的描 述。文獻(xiàn)2采用粗糙度檢測(cè)儀測(cè)量表面銹坑，此方法

5、僅用于實(shí)驗(yàn)室 研究，不具有工程應(yīng)用價(jià)值。文獻(xiàn)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(guān)系。此方法適 合于工程應(yīng)用，但相關(guān)性還有待進(jìn)一步研究。4銹蝕鋼材力學(xué)性能現(xiàn)有的文獻(xiàn)主要針對(duì)銹蝕鋼筋的力學(xué)性能進(jìn)行研究。文獻(xiàn)4通過(guò)力 學(xué)試驗(yàn)或有限元數(shù)值模擬，得出銹蝕鋼材的屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度隨銹 蝕率增大而減小，極限伸長(zhǎng)率也隨之降低；文獻(xiàn)對(duì)銹蝕鋼筋的力 學(xué)性能進(jìn)行了總結(jié)。文獻(xiàn)6通過(guò)運(yùn)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(jìn)行了鋼板試件的拉伸試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)得出銹蝕鋼材的屈服強(qiáng) 度、極限強(qiáng)度隨銹蝕率增大而線性減小，伸長(zhǎng)率呈無(wú)

6、關(guān)系降低。但由 于試驗(yàn)試件的銹蝕率有限，未能反映出銹蝕率較大時(shí)的力學(xué)性能退化 情況，因此還需要進(jìn)行大量的研究工作。5銹蝕鋼構(gòu)件承載力對(duì)于構(gòu)件承載力的研究，主要集中在一些國(guó)外文獻(xiàn)上，相比之下, 國(guó)內(nèi)相關(guān)文獻(xiàn)資料要少得多。日本學(xué)者yamamoto等人一直致力于 坑蝕構(gòu)件承載力的研究，撰寫(xiě)了很多關(guān)于這方面的文章。在文獻(xiàn)岡中, 以某銹蝕船艙為研究對(duì)象，對(duì)銹蝕構(gòu)件的銹坑形狀、大小進(jìn)行了詳細(xì) 描述。在銹蝕的研究中，采用人工打孔方式模擬銹坑，通過(guò)對(duì)比人工 銹坑構(gòu)件與天然銹坑構(gòu)件的拉伸性能，認(rèn)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(shí)，在銹蝕構(gòu)件銹坑深度、密度與試 件拉伸性能的關(guān)系上，該文獻(xiàn)也做

7、了一些定性分析。文獻(xiàn)3的下半 部分主要圍繞著工字鋼的受壓屈曲進(jìn)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(guò)對(duì)因銹坑深度、分布不同 而導(dǎo)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(guān)系。文獻(xiàn)4沿用了文獻(xiàn)的試驗(yàn)方法， 用人工打孔的方法對(duì)工字梁腹板不同位置進(jìn)行人工銹蝕，通過(guò)一系列 的4點(diǎn)彎曲測(cè)試對(duì)腹板銹蝕部位不同時(shí)引起的承載力改變及構(gòu)件變 形進(jìn)行了詳細(xì)探討。文獻(xiàn)9認(rèn)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(shí)際情況下，構(gòu)件的平均厚度可以作為評(píng)估 腹板坑蝕的一個(gè)重要參數(shù)10。文獻(xiàn)11通過(guò)自然暴露銹蝕的h型鋼 梁受彎承載性能試驗(yàn)

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(xiàn)12通 過(guò)自然暴露銹蝕的槽鋼梁受彎承載性能試驗(yàn)，并結(jié)合有限元軟件，揭 示出銹蝕對(duì)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(qiáng)度。文獻(xiàn)13對(duì)1 6根角鋼構(gòu)件進(jìn)行腐蝕，然后進(jìn)行受壓試驗(yàn)，對(duì)8根未銹蝕桿件也進(jìn) 行了試驗(yàn)，分析了銹蝕程度對(duì)抗壓性能的影響，并與考慮質(zhì)量損失的 分析方法進(jìn)行了對(duì)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(shuō)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(duì)銹蝕鋼結(jié)構(gòu)承載力的研究，現(xiàn)有的文獻(xiàn)都只考慮均勻腐蝕，反 映局部腐蝕對(duì)結(jié)構(gòu)承載力的影響還很鮮見(jiàn)。文獻(xiàn)14-15在分析結(jié)構(gòu)承 載力下降時(shí)，均通過(guò)對(duì)構(gòu)件截面進(jìn)行簡(jiǎn)單折減，目前，對(duì)構(gòu)件的層次 研究尚未清楚，因此，結(jié)構(gòu)承載力的評(píng)價(jià)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(duì)銹蝕后鋼結(jié)構(gòu) 連接性能的研究，目前國(guó)內(nèi)學(xué)者僅西安建筑科技大學(xué)的徐善華教授