|
01. 结构耐久性概念 耐久性与寿命相关，指材料或结构在长期内部或外部的物理或化学作用下性能劣化，但仍能满足结构最低性能的能力。一般耐久性有两种含义，材料耐久性和结构耐久性，这是两种不同的概念。材料耐久性是指材料抵抗性能劣化和损耗的能力。结构耐久性是结构可靠性中涉及材料损伤的特殊内容。结构耐久性是指结构在设计确定的环境作用和维修、使用条件下，结构构件在设计使用年限内保持其适用性和安全性的能力。结构耐久性研究的基本对象是结构材料，核心内容是结构材料的性能劣化和损耗，即结构材料的损伤，它必须考虑材料损伤对结构功能的影响，判定结构满足功能、时间要求的能力。 02. 钢结构耐久性现状 钢结构以其施工速度快、可施工跨度大、造型多变、综合造价低等优点得到了广泛应用。但是由于钢结构易腐蚀，在一般环境下是不能裸露使用的，必须实施防腐蚀保护。某种意义上钢结构耐久性、使用寿命取决于其防腐蚀措施的有效性。其实只要防腐措施到位，钢结构本身的耐久性还是非常好的，例如我国早期的兰州黄河铁桥、云南红河州屏边人字桥建造于1908年左右，至今已使用112年。法国巴黎的埃菲尔铁塔，建造于1889年，至今已使用130余年。
但目前国内防腐蚀措施严重滞后于钢结构应用。我国鸟巢、水立方的重要钢结构建筑设计使用年限为100年，防腐蚀涂装的寿命仅25年，大约25年后还需要重新涂装，要保证其百年寿命，还需要多次涂装防护。 长期服役于高湿度或腐蚀性工业区、高盐度海滨地区的钢结构，其材料腐蚀耐久性问题对结构安全性、使用性的影响不容忽视。钢结构耐久性损伤对结构的后续服役性能和安全性产生重大影响，甚至引发工程事故。     钢结构材料腐蚀是指材料与其所在的环境之间发生化学或电化学反应，进而导致材料本身产生损伤或性能退化。中国工程院“我国腐蚀情况及控制战略研究”重大项目研究结果表明，2014年国内腐蚀成本约2.13万亿元，约占当年全国GDP的3.34%；由美国腐蚀工程师协会(NACE)牵头的IMPACT腐蚀调查项目结果显示2013年全球腐蚀成本约2.5万亿美元，占当年全球GDP的3.4%。而在各种材料腐蚀中，尤以钢材腐蚀最普遍，造成的损失也最严重。由于钢材腐蚀引起的事故在世界各国屡见不鲜，对社会经济发展及人员安全造成严重影响。 03. 钢结构耐久性研究现状 国内早在上世纪80年代，冶金工业部建筑研究总院惠云玲教授级高工首先发现处于腐蚀环境的工业建筑混凝土结构使用多年后存在明显的顺筋裂缝，为研究混凝土结构顺筋裂缝原因，开始进行混凝土结构耐久性的相关研究，自此国内对混凝土结构耐久性研究越来越成为热点。目前研究成果多，规范的设计、评定方法成熟，相继颁布了《混凝土结构耐久性设计标准》GB/T 50476、《既有混凝土结构耐久性评定标准》GB/T 51355、《混凝土结构耐久性修复与防护技术规程》JGJ/T 259。国内关于钢结构耐久性的概念提出要晚于混凝土结构耐久性概念，实际上钢结构领域关于钢结构的腐蚀很早就开始研究，只是当时没有把腐蚀钢结构的研究称为耐久性研究。钢结构腐蚀是影响耐久性的重要因素之一，在一定情况下，腐蚀对寿命的影响可能起到主导作用。目前颁布的钢结构防腐蚀标准有《工业建筑防腐蚀设计标准》GB/T 50046、《建筑钢结构防腐蚀技术规程》JGJ/T 251、《工业建筑物钢结构防腐蚀涂装质量检测、评定标准》YB/T 4390。但钢结构的耐久性不仅仅是钢结构的腐蚀问题，还包括循环往复作用下的累积损伤，例如疲劳问题，长期机械作用下的磨损问题等。目前还缺乏关于钢结构耐久性综合分析评定的标准。 04. 钢结构耐久性损伤及主要影响因素 钢结构耐久性损伤，有两个层面，第一个层面为防腐涂层的损伤，失光、变色、粉化、龟裂、鼓泡、锈斑、穿孔等。第二个层面为钢结构本身的耐久性损伤，不仅仅是锈蚀。还包括以下内容： （1）钢材的时效现象，低碳钢板材经热加工或冷形变后在室温下放置一定时间，其机械性能会发生变化，即强度、硬度升高，而塑性、韧性下降。 （2）钢材在长期高温和荷载作用下的极限强度下降。例如长期受核辐射也会改变钢材性能。 （3）含有有害元素，导致的热脆、冷脆、氢脆。钢材中的氢会使材料的力学性能脆化，这种现象称为氢脆，主要发生在碳钢和低合金钢中。氢在常温下对钢没有明显的腐蚀，但当温度在200~300℃、压力为30MPa时，氢会扩散入钢内，与渗碳体进行化学反应而生成甲烷，使钢脱碳并产生大量的晶界裂纹和鼓泡，从而使钢的軔性显著降低，并且产生严重的脆化。 （4）磨损，比如工业矿槽表面钢结构的磨损，压型板屋面人员走动的磨损。 （5）锈蚀，化学反应和电化学反应产生均匀锈蚀和点蚀（坑蚀）。 （6）疲劳，疲劳累积损伤。 （7）应力腐蚀，在应力和腐蚀介质的共同作用下，造成的晶间裂纹。  工业建筑钢结构疲劳累积损伤  应力腐蚀裂纹 钢结构耐久性主要影响因素主要体现在以下四个方面： （1）设计上材料的选择和构造要求，设计选择耐候钢或不锈钢或者在满足承载力要求的情况下增加一定的厚度，给结构一定的锈蚀裕量，以保证结构安全。构造上选择闭口截面，避免选择容易积水的开口截面杆件。另外还要注意柱脚和螺栓的防腐蚀要求。 （2）施工、制造安装的质量要求，施工安装过程中如果存在缺陷，例如，防腐基地除锈处理不好，会影响防腐的性能，另外焊缝连接、螺栓连接的质量不满足要求，也容易在焊缝螺栓部位产生锈蚀，压型板的切割边缘都是易发生腐蚀的部位。 （3）使用条件，包括结构上的作用、环境和使用历史。例如屋面积灰的部位，排水不畅，容易导致屋面锈蚀。腐蚀环境或高盐度海滨地区的建筑对钢结构耐久性影响更大。 （4）维护状况，钢结构维修周期，油漆时间的长短。 05. 结语 耐久性与寿命相关。钢结构以其强度、制作安装方便、施工速度快等优点而得到广泛应用。但是由于自然环境因素影响和外界有害介质侵蚀，钢材易发生腐蚀，进而引起构件有效截面减少而导致承载力下降。钢结构腐蚀是影响耐久性的重要因素之一，在一定情况下，腐蚀对寿命的影响可能起到主导作用。但钢结构的耐久性不仅仅是钢结构的腐蚀问题，还包括循环往复作用下的累积损伤，长期机械作用下的磨损问题等，都会影响钢结构的寿命。钢结构耐久性问题贯穿钢结构工程整个服役期，从设计、施工到使用阶段相互关联相互影响。因此，对既有钢结构检测和评定应考虑到以上耐久性的损伤和影响因素是非常重要也是非常必要的。 |
|
|
