锈蚀对既有钢结构性能影响研究进展
0 引言
近年来,钢结构在我国取得长足发展,大量大型公共建(构)筑物采用钢结构形式[1,2]。随着装配式建筑在我国的大力推广[3,4],钢结构迎来更大的发展机遇。钢结构具有自重轻、模块化生产、施工便捷等优点,但存在易锈蚀、防火性能不足等缺点,其中锈蚀是影响钢结构耐久性的重要因素。统计结果表明,美国每年由于钢材锈蚀造成的经济损失达276亿美元[5],中国每年因钢材锈蚀导致的经济损失占GDP的3%~5%[6]。
由于锈蚀造成的钢结构工程事故时有发生,带来巨大经济损失,如2000年,使用近5年的耒阳大型煤棚突然发生整体倒塌,事故现场发现大量钢管和支座锈蚀非常严重[7];2005年,俄罗斯彼尔姆边疆区丘索沃伊市某游泳馆发生顶棚坍塌事故,事故调查委员会认为顶棚钢结构因长期锈蚀而断裂是导致该事故的最主要原因[7];2009年,河北省廊坊市某服装厂车间坍塌,经鉴定发现该事故是由杆件锈蚀严重导致的[8];2013年,某机修厂机修车间在无任何征兆和外力影响的情况下,车间屋面网架突然坍塌,该事故是由设计缺陷和杆件锈蚀共同导致的,锈蚀不仅导致杆件截面削弱,还使杆件发生脆性破坏,最终坍塌[9]。
目前,钢结构锈蚀问题得到越来越多的关注,国内外学者针对锈蚀对钢结构性能的影响开展了大量研究。基于钢材锈蚀特性研究成果,归类总结锈蚀对钢材力学性能、钢构件承载力、钢结构整体力学性能影响的退化规律,为既有钢结构检测评估和维修加固提供依据。
1 钢材锈蚀特性研究
自20世纪初,钢材在各种环境下的锈蚀成为重要研究方向,钢材锈蚀按锈蚀环境可分为大气环境、土壤环境、海洋环境锈蚀[10],本文主要关注大气环境锈蚀。钢材大气环境锈蚀是钢材处于表面水膜层下的电化学锈蚀过程,这种水膜实质上是电解质水膜,电化学锈蚀阴极是氧去极化作用过程,阳极是金属锈蚀过程。
1.1 大气锈蚀破坏形式
钢材大气锈蚀按破坏形式的不同可分为均匀锈蚀(全面锈蚀)和局部锈蚀。均匀锈蚀是金属环境锈蚀常见形态,指在全部或大部分暴露表面发生相对均匀的锈蚀,锈蚀层均匀覆盖在母体上,并以几乎相同的速率使金属整体厚度减小,部分锈层甚至能与母体分开,无明显蚀坑[11]。均匀锈蚀会造成大量金属损失,但由于锈蚀速率均匀,易进行预测和防护。进行严格工程设计并采取合理的防锈措施时,不会发生突然性锈蚀事故。
局部锈蚀指仅在母体局部微小区域发生锈蚀,且局部锈蚀速率较均匀锈蚀大几个量级,除锈后存在明显蚀坑。局部锈蚀包括点蚀、缝隙锈蚀、电偶锈蚀、晶间锈蚀、应力锈蚀等[12]。由于这类锈蚀发生的区域微小,难以预测和防护,蚀坑的存在导致材料荷载-位移曲线发生变化,局部锈蚀严重时使钢材屈服平台变短,甚至消失,且塑性变差,发生脆性断裂,导致灾难性失效[13],其危害远大于均匀锈蚀。
1.2 钢材锈蚀程度评定方法
钢材锈蚀程度评定方法包括质量评定法和深度评定法。质量评定法通过钢材质量在锈蚀前后的变化进行评定:
式中:ηs为钢材锈蚀率(失重率);W0为锈蚀前钢材质量;W1为锈蚀后钢材质量。
对于某些无法直接测量质量的金属构件(如在役构件),为更直观地表示锈蚀程度,通常可采用深度评定法进行评定:
式中:d0为锈蚀前构件平均厚度;d1为锈蚀后构件平均厚度。
1.3 钢材锈蚀时间规律
金属在大气中的锈蚀速率并非恒定,一般初期增长较快,而中长期增长较慢。美国ASTM于1916年开始进行碳钢、低合金钢大气锈蚀研究,并积累大量数据[14]。国内学者于20世纪80年代开始通过钢材在大气中的暴露试验研究钢材锈蚀机理与特征[15],相关成果为后续锈蚀行为的研究提供数据支撑。
通过对大气暴露试验中钢材锈蚀数据变化趋势进行分析,发现长周期下钢材锈蚀与时间基本呈幂函数关系D=Atn或对数关系log D=log D1+nlogt或幂函数-线性双曲线关系[16,17,18,19,20]。其中,D为锈蚀深度或锈蚀率,t为暴露时间,A,D1,n为常数。
研究人员针对我国不同典型气候地区的气候特征,通过大气暴露试验,给出不同地区钢材锈蚀规律具体参数[21,22,23,24,25],并利用神经网络对钢材锈蚀规律进行模拟和预测[26,27],预测结果与试验结果基本一致。
1.4 钢材锈蚀人工模拟
自然环境下的暴露试验是研究大气锈蚀最常用方法,是接近使用环境、较可靠的锈蚀试验方法,但试验周期较长,且区域性强,不利于试验结果的推广和应用。近年来,室内加速锈蚀试验越来越受到重视,能在短时间内得到试验结果,且可在一定程度上推测材料长期锈蚀行为。为使加速锈蚀试验结果与自然环境试验结果具有良好的相关性,应遵循以下原则进行试验[28]。
1)模拟性在模拟加速锈蚀环境下,试验金属电化学特性和锈蚀机理应与实际服役状态一致,锈蚀后产生的锈蚀产物宏观形貌和组成结构应与实际服役状态一致。
2)加速性应在模拟性优良的基础上具有良好复合加速锈蚀效果,即能在短期内评价材料锈蚀性能,并能预测其在实际环境中的锈蚀发展结果。
3)重现性在相同加速锈蚀试验条件下,多次重复试验无显著差异。
目前主要使用的室内加速锈蚀试验包括盐雾、气体锈蚀、锈蚀膏、电解锈蚀、湿热锈蚀、周期喷雾复合锈蚀、干湿周期循环试验等[12]。
林翠等[29]对加速锈蚀试验方法进行总结和梳理,发现湿热锈蚀、盐雾、周期喷雾复合锈蚀、干湿周期循环、多因子复合加速锈蚀试验是目前使用较多的试验类型。
赵婷婷等[30]对比气体锈蚀、土壤锈蚀、周期喷雾复合锈蚀试验等多种试验方法,发现土壤锈蚀试验锈蚀率明显低于气体锈蚀试验,周期喷雾复合锈蚀试验锈蚀率最高,该方法具有较好的模拟性和加速性。
孔正义[10]对钢材进行干湿循环酸雾复合锈蚀试验和湿热锈蚀试验,并对比室内加速锈蚀试验和自然锈蚀试验结果,发现湿热锈蚀试验具有更好的模拟性、加速性和重现性,适用于室内加速锈蚀试验。
史炜洲[31]利用盐雾室内加速锈蚀试验模拟大气环境中的自然锈蚀状况,利用锈蚀深度评定法对锈蚀率进行评估,并与钢材在大气环境下的锈蚀率进行对比,进而折算试验等效自然环境下的锈蚀时间。试验结果表明,加速锈蚀试验与自然环境下的锈蚀特征较接近,具有较好的模拟性和加速性;6 400h盐雾室内加速锈蚀试验造成的碳素结构钢锈蚀量相当于上海大气锈蚀49.5年或广州大气锈蚀24.3年造成的锈蚀量。
Wu等[32]对比工业厂房在大气环境下和干湿循环模拟环境下钢结构锈蚀行为和承载力特征,发现2种情况下腐蚀速率均与指数型经验公式符合较好,钢材性能退化均由晶间腐蚀导致,且承载力退化特性基本一致,说明实验室模拟可较精准地展示大气环境下钢结构锈蚀过程。
2 锈蚀后钢材力学性能退化特性
钢结构工程在生命周期全过程中经常受多因素的耦合作用,由此造成的累积损伤影响既有钢结构后续服役期性能,特别是钢材受环境作用产生不同程度的锈蚀,锈蚀必然导致钢材各项力学性能发生不可逆的退化。所以,评估钢构件甚至钢结构承载力退化前,需准确掌握钢材力学性能退化规律。
2.1 屈服强度和抗拉强度
已有研究表明,当锈蚀率<5%时,锈蚀后钢材应力-应变曲线均接近未锈蚀时[33];当锈蚀率>5%时,钢材屈服强度和抗拉强度随着锈蚀率的增加呈线性下降趋势[34,35],且锈蚀削弱了钢材应变强化效应[36],锈蚀严重的钢材屈服平台段明显缩短,甚至无明显屈服点[37],易发生脆性破坏。部分学者针对锈蚀率对屈服强度和抗拉强度的影响给出以下经验公式[38]:
式中:fy和f'y分别为未锈蚀和锈蚀钢材屈服强度;fu和f'u分别为未锈蚀和锈蚀钢材抗拉强度。
徐善华等[39]对锈蚀构件拉伸试验结果进行分析,发现锈蚀率虽与试件强度下降存在一定关系,但锈蚀构件表面蚀坑引起的应力集中是钢材强度退化主要原因。根据钢材力学性能随表征参数的变化规律,建立与表面锈蚀特征相关的锈蚀钢材力学性能退化模型,可较准确地描述不同锈蚀时间、锈蚀率及锈蚀形貌的钢材力学性能退化规律。
此外,徐善华等[40]对锈蚀钢板试件进行循环加载试验,并分析其滞回性能,发现随着锈蚀程度的增加,钢材延性退化加重,塑性变形能力显著下降,抗震耗能能力变差。
2.2 弹性模量
相比材料强度研究,钢材锈蚀对弹性模量影响的研究较有限。现有研究通过对锈蚀构件进行拉伸试验,发现材料弹性模量与锈蚀率基本呈负相关关系[41,42]。徐善华等[43]系统性研究钢材锈蚀对弹性模量的影响,发现弹性模量下降速度在锈蚀初期较快,中后期明显放缓;从微观角度分析试验结果,并根据蚀坑损伤材料等效体积模量给出Q235钢材弹性模量E随锈蚀率ηs的变化公式,如式(5)所示,该公式与试验结果符合较好。
2.3 断后伸长率
断后伸长率随着钢材锈蚀率的增加显著退化[35,39]。史炜洲等[38]拟合得到钢材断后伸长率随锈蚀率的变化公式为:
式中:δ,δ'分别为锈蚀前和锈蚀后钢材断后伸长率。
惠云玲等[44]对不同锈蚀程度钢材断后伸长率进行分析,发现钢材截面损失率<5%时,其断后伸长率基本在规范限值以内,而当截面损失率>10%时,其断后伸长率不满足规范要求。
3 锈蚀钢构件与节点承载力退化特性
锈蚀钢构件与节点承载力有所降低,实际工程中,当钢构件和节点在检测过程中发现锈蚀时,通常需对剩余承载力进行评估,以确定是否安全、是否需采取针对性措施,如更换构件、修复构件或仅去除锈蚀、重新保护构件。因此,对锈蚀钢构件和节点承载力退化特性的研究具有重要意义。考虑承载力退化不仅与材料性能退化有关,还与构件类型有关,因此按构件类型进行归类分析。
3.1 钢柱承载力
钢柱在正常使用状态下主要受力状态为轴心受压或偏心受压,在地震作用下可能进入弹塑性状态,并通过材料耗能作用减小地震对整体结构的破坏。国内外学者通过试验或数值模拟,对不同状态下锈蚀钢柱承载力进行研究,得到锈蚀程度对钢柱承载力和地震作用下耗能特性的影响。
Karagah等[45]以锈蚀H型钢柱为研究对象,对钢柱翼缘和腹板进行铣削,以模拟不同部位锈蚀特性,并通过轴压试验研究不同锈蚀程度钢柱剩余承载力。研究结果表明,翼缘厚度减小是影响钢柱轴向承载力的最显著因素,其他因素(如锈蚀不对称或翼缘宽度减小)的影响较小。目前使用的设计方法中,美国钢铁学会标准(AISI)推荐的有效宽度法为严重锈蚀钢柱承载力提供最佳预测方法。
Shi等[46]对锈蚀H型钢柱轴心受压状态下的弹塑性稳定承载力进行数值模拟分析,模拟时考虑钢柱初始几何缺陷、残余应力、材料非线性、几何非线性及锈蚀对截面的削弱作用等。研究结果表明,翼缘削弱是影响锈蚀钢柱稳定承载力的最主要因素;长细比对H型钢柱局部失稳的影响较小,锈蚀导致板件截面大幅削弱时,增加侧向支撑不能对稳定承载力起到明显提高作用;锈蚀程度较低时,残余应力对稳定承载力的影响较明显,锈蚀程度较高时,残余应力的影响有限。
Wang等[47]对点状锈蚀圆钢管柱在轴心受压状态下的极限承载力进行数值模拟研究,通过随机模拟方法在有限元模型中模拟随机点状锈蚀情况,并对受压钢管进行弹塑性分析。研究结果表明,局部蚀坑导致应力集中,进而导致局部屈曲破坏是锈蚀钢管柱的主要破坏形式,点蚀特征(如蚀坑形状、深度、密度和分布特征)对极限承载力的削弱具有重要影响,其中蚀坑深度的影响最严重。
徐善华等[36,48]对锈蚀钢柱在偏心受压状态下的承载力进行试验研究,试验结果表明,随着锈蚀程度的不断加深,偏压H型钢柱承载力、刚度、位移延性系数呈逐渐减小趋势,失稳变形呈逐渐增大趋势;锈蚀影响钢柱塑性性能,导致塑性发展系数随着锈蚀率的增大而减小。
Qin等[49]对不同翼缘宽厚、腹板高厚、轴压比锈蚀H型钢柱在地震作用下的受力性能进行数值模拟分析,模拟结果表明,随着锈蚀程度的增加,钢柱滞回环的面积逐渐减小,承载力明显降低,累积耗能、延性系数、屈曲荷载和峰值荷载不断减小。
3.2 钢梁承载力
钢梁在正常使用状态下主要受弯,而结构抗震设计中通常保证“强柱弱梁”,以保证地震时梁端先出现塑性铰,进行耗能。因此,锈蚀钢梁抗弯特性及弹塑性特征为学者们关注的研究方向。
史炜洲等[38]通过试验研究锈蚀H型钢梁受弯承载力,发现翼缘或腹板厚度是影响H型钢梁锈蚀后受力性能的重要因素,翼缘或腹板厚度越小,承载力下降越多,挠度越大。
白烨[41]通过数值模拟对锈蚀槽钢梁力学性能与锈蚀程度之间的关系进行研究,发现槽钢梁承载力与锈蚀削弱厚度存在线性关系,其中上、下翼缘削弱程度对承载力的影响基本一致,腹板削弱程度对承载力的影响相对较小。
徐善华等[50]通过人工模拟锈蚀试验对点状锈蚀槽钢承载力进行研究,发现槽钢承载力的削弱主要因为翼缘锈蚀,承载力随着点蚀因子(最大锈蚀深度与平均锈蚀深度之比)的增大线性降低。
Saad-Eldeen等[51]开展锈蚀箱形钢梁在竖向弯矩作用下的极限强度试验,并进行非线性有限元分析,研究锈蚀对钢梁承载力的影响。研究发现钢梁极限承载力与由锈蚀引起的横截面面积总减小量存在非线性关系,并据此建立锈蚀钢梁应力-应变关系曲线。利用试验进行验证,发现该曲线对锈蚀箱形钢梁具有良好的适用性,可直接作为非线性有限元分析主应力-应变关系曲线。
殷超[52]通过加载试验和数值模拟研究腹板局部锈蚀对箱形钢梁承载力的影响,研究结果表明,失重率是影响锈蚀钢梁承载力的关键因素,失重率相同时,腹板蚀坑深度越大,钢梁承载力下降越明显。
在正常使用条件下,部分钢梁承受循环动力荷载作用,需进行疲劳设计。当锈蚀与疲劳共同作用时,构件失效机理尚不明确,若忽视锈蚀的不利作用,可能高估构件疲劳承载力。
Li等[53]以H型钢梁为研究对象,采用一次通过概率法确定H型钢梁在锈蚀和疲劳应力作用下疲劳失效的时变概率,建立锈蚀对疲劳钢构件应力-循环曲线影响的理论模型,并通过试验验证理论模型的正确性。研究结果表明,预测钢结构120年内疲劳失效概率时,忽略锈蚀对应力-循环曲线的影响将低估高达90.4%的失效概率,可知锈蚀对钢构件疲劳特性的影响不可忽视。
Deng等[54]以钢桥H型钢梁作为研究对象,研究锈蚀-超载耦合效应对桥梁疲劳性能的影响。研究结果表明,锈蚀-超载耦合效应与锈蚀深度的关系可用指数函数描述,锈蚀-超载耦合效应大大降低钢梁疲劳寿命,在构件疲劳设计中应慎重考虑。
3.3 空间结构构件承载力
空间结构是近年来蓬勃发展的钢结构形式,目前空间结构锈蚀仍以预防+检测、监测为主,对空间结构锈蚀构件承载力退化规律的研究仍较少。
吴国强等[55]对大量局部锈蚀细长钢管进行承载力试验研究和数值模拟分析,建立不同位置局部锈蚀深度与钢管受压承载力的经验公式。研究结果表明,细长钢管受压承载力为稳定承载力,当锈蚀发生在钢管中部时,承载力的削弱量大于锈蚀发生在钢管边缘时。
杨姝姮[56]通过盐雾锈蚀试验模拟钢绞线在大气环境中的锈蚀作用,探索不同类型拉索锈蚀规律。研究结果表明,钢绞线由于无镀层保护,极易发生锈蚀,而钢拉杆涂层则较好地阻碍盐雾溶液对内芯的锈蚀;绞捻较好地阻碍盐雾溶液向半平行钢丝束拉索内部渗入。此外,还研究拉索力学性能在锈蚀作用下的变化规律,发现钢绞线抗拉强度受最弱钢丝控制,且蚀坑对钢丝产生一定局部应力集中作用,使钢绞线抗拉强度结果离散性大;锈蚀镀锌钢丝抗拉强度总体上随着锈蚀时间的增加而削弱,且延性有所降低,主要以劈裂式、劈裂-铣刀式断口为主。
3.4 次要附属构件承载力
钢结构厂房中通常设有柱间支撑、屋面水平支撑、屋面檩条等次要附属构件,起围护作用,对结构整体性具有重要作用。目前,锈蚀对次要附属构件受力性能影响的研究仍有限。
Beaulieu等[57]对16个角钢构件进行加速锈蚀试验,并研究构件受压承载力。研究结果表明,非均匀锈蚀是目前无法准确预测锈蚀构件承载力的重要因素,可通过等效残余厚度对构件承载力进行估计,但准确判断仍需综合考虑锈蚀的不均匀性、局部锈蚀深度及所处位置等。
Oszvald等[58]对锈蚀等边角钢构件屈曲问题进行研究,考虑采用以下锈蚀参数描述锈蚀程度:厚度减薄量、锈蚀扩展程度、锈蚀沿长度的位置和锈蚀模式。通过试验研究和数值模拟分析锈蚀构件剩余承载力,发现锈蚀角钢可根据破坏形式按截面宽厚比预测剩余承载力,并在此基础上提出预测角钢构件剩余抗压强度简化设计方法。
Xu等[59]选取既有工业厂房锈蚀C形檩条作为研究对象,通过拉伸试验与数值模拟研究不同锈蚀类型对冷弯薄壁构件承载力的影响。研究结果表明,点蚀对薄壁构件延性的削弱大于均匀锈蚀,且点蚀构件屈服平台和颈缩现象均不明显,呈脆性破坏特征。
3.5 连接节点
相比锈蚀构件承载力退化研究,连接节点锈蚀的相关研究更少,目前仅对焊缝和高强螺栓在锈蚀作用下的承载力退化进行一定研究。
刘德峰[60]通过湿热锈蚀试验对人工焊接角焊缝连接试件和机器焊接对接焊缝进行快速锈蚀试验,锈蚀深度、蚀坑形状、位置、数量均具有较大的随机性,与自然环境下的局部锈蚀较接近。通过对角焊缝、对接焊缝连接进行拉伸试验,发现焊缝断裂伸长率与锈蚀平均深度呈幂函数关系,锈蚀后焊缝屈服强度和极限强度变化不大,但由于焊缝和母材截面被削弱,节点承载力有所降低。
张萌[61]通过湿热锈蚀试验对高强螺栓连接试件进行快速锈蚀,并通过抗滑移试验研究锈蚀程度对抗滑移系数、滑动荷载及极限承载力的影响。研究结果表明,高强螺栓连接试件抗滑移系数在一定范围内随着锈蚀率的增大而增大,且不同锈蚀时间下的试件滑动荷载相应提高,滑动平台出现不同程度的延迟,主要因为局部锈蚀使母材界面粗糙度增加。由于试验中螺栓锈蚀率相对较小,高强螺栓承载力并无明显变化,未出现明显脆断现象。
4 锈蚀对钢结构整体受力性能的影响
目前,锈蚀对钢结构整体受力性能影响的研究以数值模拟分析为主,通过前文所述材料性能退化特性和构件截面削弱特性对锈蚀构件进行模拟,通过结构承载力静力或动力分析研究构件不同锈蚀程度对结构整体受力性能的影响。
冀中良[62]以某火车站大跨度密排菱形桁架屋盖为工程背景,通过削弱截面模拟屋盖结构均匀锈蚀破坏形式,研究不同锈蚀程度下屋盖静力承载力。研究结果表明,随着锈蚀程度的增加,桁架弦杆应力均有所增大,当锈蚀率>10%时,结构受力形式发生变化,弦杆应力方向转变,结构出现明显破坏。
殷志祥等[63]基于随机缺陷理论和概率论方法,建立空间结构杆件连续14年锈蚀分布数学模型,考虑空间结构支座处单边、双边、三边、周边锈蚀4种工况,对空间网架结构进行静、动力非线性分析,对锈蚀网架破坏特征进行研究。研究结果表明,在所选锈蚀参数下,网架局部环向锈蚀引起的整体破坏发生在锈蚀第13年,结构破坏前无明显预兆,危害性大。
申会谦[64]以锈蚀率和最大点蚀深度为基础,对局部锈蚀特征进行假定,建立不同大气环境暴露时间下点蚀构件等效弹性模量与锈蚀率的关系,并根据材料退化特性,对存在锈蚀的在役空间结构进行风荷载作用下疲劳损伤计算。研究结果表明,锈蚀对空间结构构件疲劳效应具有促进作用,相同风荷载历程下,疲劳损伤构件数量随着锈蚀作用的增大而增加。
郑山锁等[42]通过人工加速锈蚀方法对近海大气环境下锈蚀平面钢框架进行加速锈蚀试验,并通过低周往复试验对其抗震性能进行分析。研究结果表明,锈蚀平面钢框架均发生延性良好的破坏,呈混合屈服机制;但随着锈蚀程度的增加,结构承载力和耗能能力显著降低,刚度和延性退化明显。
5 结语
归类总结锈蚀对钢材力学性能、钢构件承载力、钢结构整体力学性能影响的退化规律,已有研究成果表明,钢材在大气环境中的锈蚀特性通常为局部锈蚀,局部锈蚀危害远大于均匀锈蚀;锈蚀导致钢材屈服强度、抗拉强度、强屈比、弹性模量和断后伸长率出现不同程度的下降,表面蚀坑引起的应力集中是钢材强度退化的主要原因;不同类型钢构件在锈蚀作用下的承载力均出现明显降低,部分构件破坏形式在锈蚀严重时发生变化,锈蚀构件弹塑性滞回耗能特性普遍降低,锈蚀对构件抗震性能不利。
关于锈蚀对钢结构性能的影响,已有研究主要集中于锈蚀构件承载力,且多集中于钢柱和钢梁。锈蚀对节点、空间钢结构构件和钢结构整体力学性能影响的研究仍需深入。随着钢结构在我国的大范围推广应用,受锈蚀影响的既有钢结构检测评估和维修加固技术体系亟待建立。
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