既有大跨度钢结构空间管桁架锈蚀情况分析

金伟峰

上海市机械施工集团有限公司 上海 200072

现阶段，我国有大量既有钢结构建筑经过长时间服役，已经进入功能退化期，其在建造与服役期间产生、积累的缺陷与损伤已对结构抗力产生了重大影响。考虑到我国现阶段的经济水平，将这些既有钢结构建筑全部拆除重建是不现实的。因此，将这些既有钢结构建筑加固、改造后继续服役是符合国情的最佳战略。

钢材锈蚀问题是一个极为复杂的问题，它涉及物理、化学等一系列自然科学。对于这样的一个跨学科问题，想用一个公式或者几个定理将其阐述完整是十分困难的[1]。在面对实际工程问题时，人们往往更关心钢结构锈蚀引起的钢结构承载性能、刚度及结构稳定等方面的变化。锈蚀对钢结构造成的损伤容易导致工程事故的发生，例如1996年武钢焦化厂钢结构皮带通廊整体倒塌，2004年莱芜钢铁股份有限公司特钢厂炼钢主厂房倒塌，2004年陕西重型机器厂铸钢车间倒塌，2005年俄罗斯丘索沃伊市游泳馆钢结构顶棚坍塌等，这些事故造成了严重的人员伤亡和巨大的经济损失[2]。

目前，人们主要注重新建钢结构设计理论与设计方法的研究，对结构损伤的识别以及计算模型的修正仍处于初期发展阶段，相关试验研究也仅仅局限于简单的平面杆系结构等，对于较为复杂的结构体系，则很难定量评定其剩余承载能力。因此，研究如何将既有钢结构存在的缺陷、损伤引入结构计算分析模型，并定量评定结构的承载能力，具有重大的理论价值和实际意义。锈蚀损伤作为钢结构最普遍的损伤类型，对其研究具有重大意义。

1 锈蚀损伤综述

目前，针对既有钢结构存在的锈蚀损伤检测方法已有较多研究，但是对于锈蚀损伤的分布规律，以及如何将现场检测得到的数据引入既有钢结构计算模型的研究还不够充分。

结构中使用的钢材主要是普通低合金钢和普通碳素结构钢，其耐候性并不优秀，为了防止其在服役过程中产生锈蚀，需要在构件和节点的表面覆盖保护涂层。在国际标准ISO 12944—2017《Paints and Varnishes—Corrosion Protection of Steel Structure by Protective Paint Systems》中，将保护涂层的设计使用寿命分为低、中、高共3个等级。低级寿命2～5年，中级寿命5～15年，高级寿命15年以上。在实际使用的过程中，涂层的实际寿命往往还会短于设计寿命。钢结构的设计使用年限往往为50年甚至更久，很明显，保护涂层的使用寿命远远低于结构的设计使用年限，若不能及时维护、更换涂层，钢构件会不可避免地产生锈蚀现象。锈蚀不仅仅会减小构件的截面尺寸，还会使钢材的延性降低，导致钢结构的构件与连接承载性能退化，降低结构的安全性能[3]。

钢构件的锈蚀按照锈蚀范围可分为2种，即局部锈蚀与均匀锈蚀[4]。局部锈蚀的主要特点是锈蚀分布范围无规律、锈蚀深度不统一。目前，船舶结构与航空航天领域对局部锈蚀的研究成果较多[5-6]，这与船舶和飞行器严酷的工作环境是密不可分的。均匀锈蚀的主要特点是锈蚀分布均匀且锈蚀深度相近。结构工程领域对均匀锈蚀的研究较多，围绕均匀锈蚀的主要研究内容分3个大方向：锈蚀损伤的表征方法、锈蚀损伤对构件及材料受力性能的影响、锈蚀损伤的预测。

调查结果显示，我国既有钢结构的锈蚀以点蚀（在金属表面出现纵向发展的腐蚀小孔，其余区域不腐蚀或仅轻微腐蚀，这种腐蚀形态即为点蚀）为主[4]。目前，描述点蚀程度的参数主要有：锈蚀区域、锈蚀面积、锈坑深度、锈坑密度、锈坑形状等。考虑到上述参数存在一定的内在相关性，所以我国的国家标准GB/T 18590—2001《金属和合金的腐蚀 点蚀评定方法》[7]选取归纳了3个参数来对点蚀进行评级：锈坑密度、锈坑大小和锈坑深度。对于存在点蚀的既有钢构件，罗立胜[8]提出根据锈蚀程度将钢构件人为分段，每段构件均采用扣除平均锈蚀深度后的有效截面进行计算评定。

均匀锈蚀对钢构件带来的最直观的改变是截面几何特性的变化，发生均匀锈蚀时，构件锈蚀深度近似相等。对均匀锈蚀的钢构件进行承载力计算时可以采用扣除锈蚀部分后的有效截面。

此外，锈蚀还会影响钢材的弹性模量、屈服强度、抗拉强度等。因此，在将均匀锈蚀损伤引入既有钢结构分析计算模型时，既要考虑截面几何特性的改变，又要考虑锈蚀对钢材力学性能的影响。一般采用锈蚀率η来表征均匀锈蚀钢材的锈蚀程度，其表达公式如下：

史炜洲等[10]对锈蚀Q235B钢构件进行了力学性能试验，并通过最小二乘法回归，分别给出了锈蚀钢材的失重率与屈服强度、抗拉强度和伸长率下降的关系式：

2 工程实例

2.1 工程概况

某大跨度空间管桁架屋盖位于上海市，于1997年投入使用，总建筑面积约为13万 m2，建筑外轮廓为直径300 m的圆形，原建筑最大标高为70.8 m，是集体育比赛、文体表演、酒店等为一体的大型综合体育设施。

本次改造拟将上述建筑改造为满足FIFA国际A级比赛要求的专业足球场。

上海体育场屋盖为钢结构空间管桁架体系，径向由32榀悬挑钢桁架构成，环向由内圈和外圈钢桁架构成，东西侧有加强环向钢桁架。径向悬挑钢桁架插入外圈混凝土斜柱内，悬挑钢桁架水平投影长度21.936～73.790 m；悬挑钢桁架杆件均为钢管，外径219～508 mm，壁厚10～16 mm。杆件钢材为英钢50D（相当于我国16Mnq桥梁钢）。屋盖结构如图1所示。

图1 屋盖结构剖面

屋盖钢结构上覆PTFE膜，膜屋面敷设在飞索桅杆结构上。上表面钢索φ25.4 mm，预应力56～75 kN，下表面钢索φ38.1 mm，应力117～141 kN。

2.2 主体结构锈蚀损伤

经过对既有结构的现场检测，结果如下：径向桁架、中间环向桁架杆件涂层普遍老化脱落；径向桁架、内外环桁架弦杆局部表面略有锈蚀，厚度锈蚀率在0.8%～5.0%；少量内环桁架弦杆局部表面锈蚀，厚度锈蚀率在6.3%～11.6%；个别径向桁架近内环的弦杆局部严重锈蚀；部分径向桁架杆件表面有水渍现象。

杆件锈蚀情况具体如图2所示，部分杆件锈蚀率如表1所示。

表1 屋盖杆件锈蚀率

图2 主体结构杆件锈蚀情况

斜立柱与径向桁架连接处锈蚀情况如下：斜立柱与径向桁架外侧连接板普遍锈蚀，厚度锈蚀率在0.3%～4.3%；个别连接板锈蚀明显，厚度锈蚀率9.3%。斜立柱顶部桁架少量斜腹杆表面涂料脱落，少量表面锈蚀，厚度锈蚀率在0.6%～4.1%；个别明显锈蚀，厚度锈蚀率在6.0%～10.1%。

2.3 围护结构锈蚀损伤

现场检测结果显示，屋盖支座处装饰物存在部分严重损坏情况，存在一定的安全隐患。装饰钢龙骨下部角钢、槽钢均有锈蚀。在抽检的26根角钢中，轻微锈蚀18根，厚度平均锈蚀率3.2%；中等锈蚀1根，厚度锈蚀率8.3%；严重锈蚀7根，厚度平均锈蚀率33.8%。在抽检的7根槽钢中，轻微锈蚀2根，厚度平均锈蚀率1.9%；中等锈蚀2根，厚度平均锈蚀率7.1%；严重锈蚀3根，厚度平均锈蚀率16.6%。现场锈蚀照片如图3所示。

图3 围护结构杆件锈蚀情况

外环装饰龙骨则仅存在少量浮锈，本体未发生锈蚀。

3 锈蚀情况分析

我国早年通过对17种碳钢、低合金钢在全国7个典型大气环境下进行为期16年的大规模、大范围暴露腐蚀试验研究，得到大气腐蚀深度与腐蚀时间的函数关系[11]。

研究结果表明，在选取的7个典型大气环境中（北京、青岛、武汉、江津、广州、琼海、万宁），C的值在0.02～0.10 mm之间，n的值在一般环境中为0.4～0.5 mm，在极端湿热的海洋气候中可达到0.7～1.5 mm[12]。国外学者对于钢材大气腐蚀试验研究拟合出的公式大体上与式（6）相近，只是常数取值因地而异。

上文所述结构地处上海，服役时间为23年，根据式（6）对锈蚀厚度进行推算，考虑到上海的平均湿度与青岛接近，n取值0.5，C取值0.1，代入式（6），则推算锈蚀厚度为：dc＝CT n＝0.1×230.5＝0.48 mm。

上述计算结果与表1相比较，数值是偏大的，其原因在于反腐涂层。对于式（6），其针对的是裸露在大气环境中的无涂层钢材，而在实际钢结构工程中，钢构件的表面均会覆盖保护涂层，涂层可以大幅延缓钢构件的锈蚀速度。在国际标准ISO 12944—2017《Paints and Varnishes—Corrosion Protection of Steel Structure by Protective Paint Systems》中，将保护涂层的设计使用寿命分为低、中、高共3个等级。低级寿命2～5年，中级寿命5～15年，高级寿命15年以上。我国国家标准GB 50046—2008《工业建筑防腐蚀设计规范》[13]也给出了钢结构各种防腐涂层的使用年限（短则2～5年，长则15年以上）。在保护涂层的使用寿命中，钢构件几乎不发生锈蚀，保护涂层失效后，钢构件才开始发生大气腐蚀。

因此采用式（6）计算的结果稍大于表1中基于既有结构的实际检测结果是合理的，采用式（6）对既有钢结构锈蚀情况进行预测，并根据防腐涂料情况酌情修正，可以较为准确地得到构件的锈蚀率。进而可以根据第1节的关系式，计算带有锈蚀损伤钢材的弹性模量、屈服强度、抗拉强度、伸长率等材性指标。

4 结语

本文针对既有大跨度钢结构的锈蚀损伤进行了系统介绍，并结合既有研究成果指出锈蚀损伤对钢材的弹性模量、屈服强度、抗拉强度、伸长率等材性指标均有显著影响。因此，在评估、预测既有锈蚀损伤结构残余承载力时，不宜仅仅对构件截面进行削减，还需要在材料力学性能上进行修正。通过统计某既有大跨度空间管桁架屋盖服役23年后的锈蚀损伤检测结果，采用锈蚀率这一参数对主体结构以及围护结构的锈蚀损伤进行了量化表征。将实测锈蚀率与公式预测锈蚀率进行了对比，并指出理论与实测锈蚀率偏差的原因在于建筑防腐涂层的保护作用，验证了预测既有结构锈蚀损伤程度的理论手段。