铁路钢结构站房及雨棚的耐久性研究

余洋

摘 要：随着高速铁路的快速发展，铁路站房作为展示城市和高铁形象的窗口，得到了社会的普遍关注。现代化高铁站房和无站台柱雨棚多采用大跨度空间钢结构，钢结构防腐蚀性能较差，造成了大量的钢材损耗，同时大大降低了钢结构的承载能力。从既有钢结构站房和雨棚的腐蚀现状入手，分析了钢结构腐蚀的环境影响因素，详细介绍了钢结构腐蚀损伤的机理和类型，并提出了其耐久性设计的要点，以期能为以后的钢结构站房和雨棚设计提供借鉴。

关键词：钢结构站房；雨棚；耐久性；钢结构腐蚀

中图分类号：TU391 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.03.062

1 钢结构的耐久性

钢结构具有力学性能好、承载力好、自重轻、抗震性能好、易于工厂化生产、施工周期短、节能环保等一系列优点，在铁路站房和雨棚中得到了大量的应用。但钢结构有一个致命的弱点——容易被腐蚀，因此造成了大量钢材损失，同时降低了结构的承载能力，严重时，还有可能导致结构的坍塌。因此，防腐成为钢结构站房和雨棚耐久性研究中的重点。

耐久性是指材料抵抗自身和自然环境双重因素长期破坏作用的能力，即保证其经久耐用的能力。耐久性越好，材料的使用寿命越长。业内对于混凝土结构耐久性的定义是在预定作用和预期的维护和使用条件下，其结构和部件在预定的期限内维持其所需的最低性能要求的能力。目前，业界对于钢结构的耐久性并没有明确的定义，对于其耐久性的研究也并未形成完善的体系和理论。参考混凝土耐久性定义对钢结构耐久性进行定义，即钢结构耐久性是指在设计确定的环境作用和维修、使用条件下，钢结构构件和相关连接件在设计使用年限内保持其适用性和安全性的能力。

就钢结构本身而言，其耐久性又与钢结构材料本身的耐久性和防腐涂料的耐久性有关，而涂料往往就是钢结构防腐蚀的“头道防线”。

2 铁路钢结构站房和雨棚的耐久性现状

铁路站房的候车大厅、进出站雨棚和其他大跨度悬挑部分均采用钢结构，中小型站台雨棚和省会级的大跨度无站台柱雨棚也多采用钢结构。由于钢结构均处于半露天或露天环境中，阳光、大气、水、海洋气候等均会造成钢结构的腐蚀。图1为胶新线某站（建成11年）轻钢雨棚柱锈蚀现状。从图1中不难看出，立柱涂层大面积粉化、脱落，钢结构锈蚀严重。这主要因为钢结构涂层在常年的日晒雨淋中失效，且受到涂层防腐蚀年限的影响。图2为秦沈线某站（建成12年）轻钢雨棚钢梁锈蚀现状。从图2中可以看出，钢梁涂层粉化和钢结构点状锈蚀严重。这主要是由于该地区靠近海洋，受海洋大气环境影响较大。图3为太中银线某站（建成4年）大跨度无站台柱钢结构雨棚。从图3中可以看出，由于涂装质量较差，该雨棚台柱出现粉化和脱落。图4为某站房内网架球节点锈蚀。图5为某站房屋面板因自身材质原因，老化严重。图6为某站因养护不到位而引起钢结构锈蚀。

铁路站房和雨棚作为铁路交通运输中不可或缺的一环，根据对钢结构雨棚腐蚀现状的调查，我们有必要根据铁路站房和雨棚所处的环境，分析其腐蚀机理和特点，研究适用于铁路站房和雨棚的耐久性设计。

3 钢结构腐蚀的影响因素

钢结构的腐蚀主要受大气环境的影响，大气环境中的水分、氧气和其他腐蚀性介质（包括雨水中的杂质、灰尘、表面沉积物、盐雾、酸雨）与钢材表面接触，发生化学腐蚀或电化学腐蚀，导致钢结构被腐蚀。影响钢结构腐蚀的因素可以分为气候因素和大气污染因素两大类。

3.1 气候因素

气候因素直接影响着钢结构的腐蚀，包括日照时间、气温、相对湿度、降水等。

3.2 大气污染因素

大气的主要成分是不变的，但是被污染的大气中含有的硫化物、氮化物、碳化物和海洋大气中的盐粒子等会对金属造成腐蚀。

4 钢结构腐蚀损伤的机理

钢结构腐蚀损伤的机理包括两方面，分别是电化学腐蚀机理和热力学腐蚀机理。在大气环境中，比较常见的是电化学腐蚀机理。

4.1 电化学腐蚀机理

电化学腐蚀过程与电解质电池反应相同，构成这种反应的三个要素是阳极、阴极和导电介质。阳极过程：Fe→Fe2++2e，阴极过程（氧的还原）：O2+2H2O+4e→4（OH）-.阳极产物铁离子与阴极产物氢氧根离子相结合，生成初步的腐蚀产物（氢氧化亚铁）而沉淀：Fe2++2（OH）-→Fe（OH）2.氢氧化亚铁进一步被溶液中的氧所氧化，转变为氢氧化铁（即铁锈）：4Fe（OH）2+2H2O→4Fe（OH）3. 图7为钢结构电化学腐蚀的基本原理图。

4.2 热力学腐蚀机理

任何一种元素，包括金属元素和非金属元素，在自然界都有一种最稳定的状态，即能量最低状态。铁是在高炉中用焦炭中的碳对赤铁矿（Fe2O3）还原而得到的，即2Fe2O3（铁矿）+3C（焦炭）→4Fe（铁）+3CO2（气）.该反应是在温度极高的条件下发生的，需要大量的能量，且生成的最终产物铁和最后的钢是不稳定的，当钢暴露于潮湿和有氧的环境中，铁将趋向于恢复成原来的形态，即Fe（铁）+O2+H2O→Fe2O3·H2O（铁锈）.

5 钢结构腐蚀损伤的分类和破坏形式

5.1 腐蚀损伤的分类

钢结构腐蚀的本质就是钢材的主要元素铁被氧化失去电子（Fe-2e=Fe2+）变成铁锈的过程。钢结构的腐蚀根据钢结构周围的环境、空气中的有害成分（例如酸、盐等）以及温、湿度和通风情况的不同可分为两类，分别是化学腐蚀和电化学腐蚀。

化学腐蚀是钢结构暴露于潮湿和有氧的环境下发生的化学锈蚀，也就是钢材表面与周围介质直接发生化学反应而产生的腐蚀，其腐蚀程度随时间和温度的增加而增加。化学反应方程式为Fe（铁）+O2+3H2O=4Fe2O3（铁锈）+3CO2.

电化学腐蚀是钢材在存放和使用中与周围介质之间发生氧化还原反应而产生的腐蚀，其本质就是钢结构中的铁在腐蚀介质中通过电化学反应被氧化成正的化学价状态。

5.2 腐蚀损伤的破坏形式

钢结构腐蚀的破坏形式大体上可以分为两大类，分别是全面腐蚀和局部腐蚀。全面腐蚀又称均匀腐蚀，是最常见的腐蚀形态，由于腐蚀速率均匀，相对容易进行预测和防护。只要进行严格的工程设计和采取合理的防腐蚀措施，就不会发生突然的腐蚀事故。局部腐蚀由于腐蚀机理不同，发生的部位也不同，有时，关键点的腐蚀会造成钢结构整体的坍塌。常见的局部腐蚀形式主要有点蚀、缝隙腐蚀、电偶腐蚀、晶间腐蚀、选择性腐蚀、应力腐蚀和腐蚀疲劳等。

6 钢结构的防腐方法

根据化学腐蚀和电化学腐蚀的本质，钢结构防腐主要是针对温度、湿度、水等大气环境和电位差等方面进行防腐。

6.1 钢结构防腐原则

建筑结构用钢存在不少有害物质，造成不同区域的钢材存在较大差异，这些差异为电化学腐蚀提供了先决条件。为避免此类腐蚀的发生，需要提高钢材的均匀性和质量，减少材料差异，从根本上降低腐蚀发生的可能性，从而达到防腐目的。

钢结构杆件节点构造连接能取得很好的防腐效果。节点构造设计应避免积水和灰尘积累，提供恰当的排水系统，减少腐蚀发生的可能性；避免采用搭接和形成缝隙的结构，避免采用螺栓连接和断续焊接的角钢结构，应优先选择周长和面积较小的截面和实腹式结构。同时，应对钢材表面进行有效的防腐处理，最大程度地减少与不利环境接触的概率。针对电化学腐蚀，阴极保护法能有效提高防腐效果。

6.2 不同环境下钢结构的防腐方法

站房内钢结构均处于室内环境，常采用防腐涂层法。一般的配套方案为：防腐底漆采用水性无机富锌底漆，中间漆采用环氧云铁中间漆，并采用环氧封闭漆封闭，面漆为聚氨酯或氟碳喷涂。每层漆涂刷的具体遍数和厚度应根据腐蚀作用的分类和结构的重要程度确定。

站台雨棚、人行天桥、进站雨棚等钢结构大多处于室外环境，受大气环境影响较大，应考虑更为严格的防腐措施。常用的方法有采用耐候钢、热镀锌防腐、热喷涂铝（锌）复合涂层等。具体的选用原则还需综合考虑建设地点的气候特征，并结合其他地区的使用经验确定，以获得预期的防腐目标。

7 钢结构站房和雨棚的耐久性设计要点

钢结构站房和雨棚的耐久性设计应提前调查环境条件，根据结构的重要性确定合理的腐蚀环境等级。根据不同的腐蚀环境等级，选用不同的涂层保护。

7.1 防腐蚀设计控制要点

根据不同的腐蚀环境类别，选用合理的结构形式和节点构造，有利于提高结构自身的抗腐蚀能力，同时便于施工和使用过程中的检查维修。当钢结构可能与液态腐蚀性物质或固态腐蚀性物质接触时，应采取隔离措施。腐蚀性等级为Ⅳ，Ⅴ或Ⅵ级时，桁架、柱、主梁等重要受力构件不应采用格构式构件和冷弯薄璧型钢。杆件应采用实腹式或闭口截面，闭口截面端部应进行封闭，同时控制杆件的最小厚度。网架结构宜采用管形截面、球型节点。腐蚀性等级为Ⅳ，Ⅴ或Ⅵ级时，应采用焊接连接的空心球节点。当采用螺栓球节点时，杆件与螺栓球的接缝应采用密封材料填嵌严密，多余螺栓孔应封堵。对于不同金属材料的接触部位，应采取隔离措施。桁架、柱、主梁等重要钢构件和闭口截面杆件的焊缝应采用连续焊缝方法。当腐蚀等级较高时，应采用耐候钢等防腐蚀性能较好的钢材。

7.2 表面处理

钢结构站房和雨棚涂层施工前应进行表面处理，一般情况下，表面粗糙度不宜超过涂装系统总干膜厚度的1/3.钢结构表面的焊渣、毛刺和飞溅物等附着物会造成防腐蚀保护层的局部缺陷，施工前应清除干净，对边角进行钝化处理，使用清洁剂或碱液擦洗、火焰燃烧等方法清除钢结构表面的油污，并用淡水冲洗至中性。清理表面后，应采用吸尘器或干燥、洁净的压缩空气清除浮尘和碎屑，然后采取涂层或金属热喷涂的保护方式。

7.3 涂层保护

涂层应按涂层配套原则设计，应满足腐蚀环境、工况条件和防腐蚀年限要求，同时，同一配套的底漆、中间漆、面漆应有良好的相容性。针对铁路站房和雨棚的特殊环境，确定了环氧防锈底漆、环氧云铁中间漆和氟碳面漆的涂装体系，涂装厚度则根据室内钢结构和室外钢结构的环境类别选取，确保预留适当的防腐蚀量。

涂层施工是温度宜为5～38 ℃，相对湿度不宜大于85%，钢材表面温度应高于露点3 ℃以上，雨、雾、雪、大风天气不宜进行室外施工。

7.4 金属热喷涂

在腐蚀性等级为Ⅳ，Ⅴ或Ⅵ级腐蚀环境类型中的钢结构防腐蚀宜采用金属热喷涂。热喷涂金属材料宜选用铝、铝镁合金或锌铝合金。在大气环境下，金属热喷涂系统最小局部厚度应根据金属热喷涂系统的组成和防护层的使用年限确定。金属热喷涂的外面根据金属热喷涂系统组成的不同，应做封闭层和涂装层。

8 钢结构的维护保养

对于铁路站房和雨棚建筑全生命周期而言，后期的维护保养是提高钢结构耐久性不可或缺的一环。定期的安全检测、评估可以了解钢结构所处的状态，通过对涂层的检测，可以确定其使用寿命。日常的巡检、春秋检、年检等有助于及时发现钢结构失效部分和腐蚀情况，进而对涂层的破坏、锈蚀，支座的老化，焊缝的撕裂等进行维护保养，确保钢结构处于正常工作状态。《铁路运输房建设备大修维修规则》（铁总运〔2014〕60号）对钢结构站房和雨棚的巡检频次、巡检部位和维修周期等作了详细规定。

9 结束语

本文从不同地区、不同使用年限既有钢结构站房和雨棚的锈蚀现状出发，介绍了气候因素、大气污染因素等钢结构腐蚀的大气环境影响因素。在此基础上，本文介绍了电化学腐蚀机理和热力学腐蚀机理，明确了钢结构腐蚀损伤的原理，分析了化学腐蚀和电化学腐蚀以及均匀腐蚀和局部腐蚀等不同的腐蚀形式，提出了钢结构防腐蚀设计的控制要点，并从表面处理、涂层设计及施工、金属热喷涂等多方面详细讲述了钢结构的耐久性设计要点，希望能为以后钢结构工程的设计和施工提供借鉴。

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〔编辑：王霞〕