文章针对门式刚架钢结构在海洋大气环境下锈蚀导致构件有效截面减小、材料性能劣化,从而降低承载力,使整体结构出现安全问题,参照已有受腐蚀钢材力学性能试验数据和研究成果,建立不同跨度厂房钢结构腐蚀前和腐蚀后的结构模型,对经过2～20 a不同腐蚀时间的结构性能进行分析。建模时考虑腐蚀引起的构件截面减损的影响。分析结果表明,腐蚀后刚度下降对承载力的影响接近线性

李琨

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四川建筑 第 39 卷 4 期 2019. 8温润海洋大气环境腐蚀下门式刚架厂房钢结构受力性能有限元分析李 琨( 厦门大学，福建漳州 363105)【摘 要】 文章针对门式刚架钢结构在海洋大气环境下锈蚀导致构件有效截面减小、材料性能劣化，从而降低承载力，使整体结构出现安全问题，参照已有受腐蚀钢材力学性能试验数据和研究成果，建立不同跨度厂房钢结构腐蚀前和腐蚀后的结构模型，对经过 2～20 a 不同腐蚀时间的结构性能进行分析。建模时考虑腐蚀引起的构件截面减损的影响。分析结果表明，腐蚀后刚度下降对承载力的影响接近线性。【关键词】 门式刚架; 腐蚀; 有限元; 失重率; 应力比【中图分类号】 TU392．4 【文献标志码】 A［定稿日期］2018－12－19［作者简介］李琨( 1975 ～ ) ，男，硕士，讲师，主要研究方向为钢结构、土木工程防震减灾。门式刚架结构近年来被广泛应用于轻型工业厂房，但处于海洋大气、污染大气等腐蚀环境下，钢结构出现了严重锈蚀，导致构件的有效截面尺寸减小、强度和延性下降。这些因素导致承重构件承载力和延性下降。而结构整体性能变化情况，受腐蚀的钢构件的力学模型，腐蚀时长对其结构性能退化规律的影响等，都必须从结构层面入手进行深入研究。国内外近年来的研究成果表明，运用有限元数值模拟方法分析腐蚀后的结构性能是可行的。本文也采用此方法，基于文献［1］中钢材在受腐蚀后，截面减小的试验数据结果基础上，分析和预测门式刚架厂房腐蚀后，承载力、变形的变化，进而在一定程度上评估腐蚀对于钢结构厂房造成的不利影响。1 构件截面设计为符合实际工程情况，根据 GB 51022－2015《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》、GB 50017－2003《钢结构设计规范》和 GB 5009－2012《建筑结构荷载规范》的有关规定要求进行设计。对厦门市郊区较为常用的跨度 18 ～ 36 m 跨度单层单跨门式刚架，取常见荷载情况和结构布置方案，选择合理的构件尺寸( 表 1) 。所取构件尺寸均能满足结构及节点的强度、刚度、稳定要求。表 1 门式刚架构件截面尺寸编号 跨度 /m 柱截面 /mm 梁截面 /mm1 18 H( 250～450)×200×8×10 H300×200×8×102 24 H( 300～600)×200×8×12 H400×200×8×123 30 H( 400～800)×250×8×12H( 800～400)×250×8×12H( 400～700)×250×8×124 36 H( 400～900)×250×10×14H( 900～600)×250×10×14H( 600～800)×250×10×142 腐蚀对钢结构门式刚架结构性能的影响2．1 有限元模型的建立许多研究表明，在腐蚀环境下，构件尺寸随着时间变化而变化。梁彩凤等通过暴露试验［2］，用逐步回归方法，得到钢材的大气腐蚀发展规律: 钢材的大气腐蚀发展遵循幂函数曲线 D = Atn，式中: D 为腐蚀深度( mm) ; t 是暴露时间( a) ;A 和 n 是常数。同样，2001 年 Townesend［3］用同样方法得到各种典型气候下，工业建筑在不同年限与钢材腐蚀之间的定量关系。此方法被证明是比较有效的。国际标准化组织 ISO 12944－2: 1998 中对大气环境腐蚀性环境进行了分类。其中热带温润海洋性气候，厦门室外钢结构厂房属于 C5－M，对于有涂装保护膜的 Q235 钢材，使用2 a 钢结构腐蚀深度 D = 0．032×21．4 = 0．084mm; 5a: D = 0．032×51．4 = 0．305mm; 10a: D = 0．032×101．4 = 0．804mm; 若使用时间为 20 a，则为 D = 0．032×201．4 = 2．12mm。已有研究表明，可以通过“失重率”这一指标来衡量“钢材平均截面面积的减少”“不均匀腐蚀造成的应力集中”和“钢材内部晶格变化”这三个因素对钢材材性劣化程度的影响［4］。Dw = ( W0 － W1 ) /W0，为受腐蚀钢材的失重率，W0、W1分别为腐蚀前后钢材的质量。按照腐蚀损伤量相同的原则，将上文中计算的腐蚀深度，分别按板厚 8 mm、10 mm、12 mm 和14 mm 计算出失重率( 表 2)。基于受腐蚀钢材力学性能试验结果，文献［5］用失重率Dw 这一指标来衡量腐蚀后钢材力学性能劣化程度。通过试验数 据，运 用 最 小 二 乘 法 线 性 回 归，得 出 有 涂 装 受 腐 蚀Q235B 钢材屈服强度、抗拉强度和伸长率下降与其失重率之间的关系式为:f' y / fy = 1 － 0．9852Dw，f' u / fu = 1 － 0．9732Dw式中: fy、f' y 分别为未腐蚀和腐蚀钢材的屈服强度; fu、f' u671· 工 程 结 构 ·四川建筑 第 39 卷 4 期 2019. 8表 2 不同厚度钢板在各使用时间下的失重率失 重 率 /%使用时间 / a板厚 /mm2 5 10 208 2．10 7．63 20．10 53．0010 1．68 6．01 16．08 42．0412 1．40 5．08 13．4 35．3314 1．20 4．36 11．49 30．29分别为未腐蚀和腐蚀钢材的极限强度。另外，腐蚀前钢材弹性模量为 2．06×105 MPa; 而腐蚀后的钢材，参照 Lee H．S．等［6］提出的钢筋弹性模量随失重率 Dw下降的公式: E's = ( 1 － 0．75Dw ) Es。表 3 中换算数据表明，若经过 20 a 后，屈服强度下降了 39．66 %，可导致结构在受力时出现破坏。表 3 不同失重率下各使用年限钢材性能指标换算项目使用时间 / a0 2 5 10 20失重率 /% 0 1．60 5．79 15．27 40．26屈服强度 fy /MPa 235 231．30 221．59 199．65 141．79抗拉强度 fu /MPa 380 374．08 358．59 323．53 231．11弹性模量 /MPa2．06×1052．035×1051．97×1051．824×1051．438×1052．2 结构和构件验算结果经过对未腐蚀和不同腐蚀时间后的单层门式刚架，进行ANSYS 有限元数值模拟，并对 18～36 m 4 个不同跨度结构模型参照相关规范进行计算分析，结果表明腐蚀对整体结构的变形有不同程度的影响( 图 1～图 4) 。图 1 跨度 18m 结构腐蚀前后变形比图 1～图 4 为腐蚀前后，门式刚架整体结构在不同腐蚀时长的变形比值。ANSYS 分析结果表明，变形最大点仍然为屋脊处梁的竖向挠度。2 a、5 a 和 10 a 的变形比增加，接近于线性递增，但到 20 a，变形比出现跳跃式增加，最大变形比接近 1．7。说明经过较长时间腐蚀后，结构整体刚度削弱严重，发生了本质的变化。单独比较截面减小和弹性模量 E 下降，可以发现，随腐蚀时间增加，结构变形都逐渐增加，但两个因素单独作用时，较难确定何者的影响程度更大。可以确定的是两个因素共同作用时，结构整体变形明显比单一因素影响大。图 2 跨度 24m 结构腐蚀前后变形比图 3 跨度 30m 结构腐蚀前后变形比图 4 跨度 36m 结构腐蚀前后变形比3 结论( 1) 有限元数值模拟的经过 2 ～ 20 a 温润地区海洋大气腐蚀后，门式刚架结构和构件承载力降低，整体刚度被削弱，主要表现为结构屋脊处竖向挠度变形比。( 2) 分析表明，腐蚀对截面尺寸和弹性模量的削弱，都影响了结构的刚度和承载能力。( 3) 由于 ANSYS 有限元无法建立实际节点连接模型，故分析结果与实际结构会存在一些误差。本文分析过程和结果表明，利用失重率公式( 2) 估算截面弹性模量减小，利用经验公式估算腐蚀深度是可行的，同时可利用有限元分析方法，进一步研究有效的防腐措施。参 考 文 献［1］ 梁彩凤，郁春娟，张哓云． 海洋大气及污染海洋大气对典型钢腐蚀的影响［J］． 海洋科学，2005，5( 7) ．( 下转第 180 页)771· 工 程 结 构 ·四川建筑 第 39 卷 4 期 2019. 8表 1 是否考虑墩—水耦联振动对结构振型的影响主桥振型自振周期 / s未考虑墩—水耦联作用考虑墩—水耦联作用振型描述第一阶 2．515 2．528 纵向振动第二阶 2．270 2．289 横向反对称振动第三阶 1．212 1．213 横向对称振动表 2 地震作用下是否考虑墩—水耦联振动对墩柱和桩基内力的影响输入方向6 号主墩受力部位弯矩 My / ( kN·m)未考虑墩—水耦联作用考虑墩—水耦联作用弯矩增加百分比 /%纵向地震墩底 18141 17730 －2．27桩顶 4534 4647 2．49冲刷线处 2181 2237 2．57横向地震墩底 46477 45953 －1．13桩顶 4904 5015 2．26冲刷线处 2362 2422 2．54有所增加，但幅度有限。等效附加质量相对体积庞大的上部结构而言非常微小，因此其对地震力的贡献也有限，但是动水压力对结构抗震不利，抗震计算时需要考虑。4 主墩抗船撞计算宣汉龚家明月坝后河大桥的通航净空尺度要求为: 净宽32 m、净高 4．5 m、上底宽 27 m、侧高 2．8 m。通航等级为Ⅶ级，对应横桥向撞击力标准值为 150 kN，顺桥向船舶撞击力标准值为 125 kN。桥位所在区段的现状船只主要有运砂船、机动客船、快艇、手摇船，船舶吨位最大为 50 t。为了安全起见，船舶撞击力采用规范标准值，撞击位置分别取墩柱、桩基进行计算。撞击力采用集中力，作用位置分别为承台顶面以上 4．6 m( 约为正常蓄水位以上 2 m) 和承台底面以下 4．0 m。船撞墩柱时，在横桥向撞击力作用下，墩柱的最大剪力为 75kN，最大弯矩为 1 712 kN·m; 在顺桥向撞击力作用下，墩柱的最大剪力为 100 kN，最大弯矩为 329 kN·m。船舶撞击时，在横桥向撞击力作用下，桩基的最大剪力为 131 kN，最大弯矩为 230 kN·m; 在顺桥向撞击力作用下，桩基的最大剪力为 107 kN，最大弯矩为 209 kN·m。就墩柱而言，船撞墩柱时，船撞产生的剪力远小于其他作用产生剪力，但横向撞击产生的弯矩较大; 就桩基而言，船撞墩柱时，对桩基产生的剪力很小，但产生的弯矩不可忽视; 船撞桩基时，对桩基产生的剪力和弯矩与其他作用相比，数量相当，不可忽视。经验算，本桥在船撞力作用下，墩柱和墩基均可保持弹性。在防船撞设计时，应重点关注如何减轻船撞桥造成的损伤，做好桥梁船撞防护系统［3］，采取的技术措施有:( 1) 首先，保留桩基施工钻孔平台的钢管桩，防止船舶直接撞击桩基。( 2) 适当加厚桩基钢护筒钢板厚度，防撞船撞时伤及桩基混凝土。( 3) 加大承台尺寸，防止船舶直接撞击墩柱。( 4) 对承台四周进行倒圆处理、上部 1．5 m 高范围四周做成斜坡状并倒圆，加大船撞时接触面积，减小局部集中受力。( 5) 承台四周设置粘滞性耗能防撞圈。5 指导性施工组织方案主墩高桩承台+群桩基础施工的主要步骤为:( 1) 插打钢管桩，搭设栈桥和钻孔平台，要求钻孔平台顶面位于正常蓄水位以上至少 1 m。( 2) 插打桩基钢护筒，定位，采用冲击钻冲孔。( 3) 浇筑桩基水下混凝土。( 4) 钢吊箱逐节下放，浇筑水下封底混凝土，然后绑扎承台钢筋，干处浇筑承台混凝土。6 结束语在满足通航和行洪要求的条件下，深水库区大跨径连续刚构桥的主墩基础采用高桩承台方案可以节约造价、缩短工期。进行桥梁抗震计算时，对于高桩承台基础，应考虑墩—水耦联振动对墩柱和桩基内力的影响。桥梁抗船撞计算表明: 船撞对桩基受力不利，且对桩基产生的剪力和弯矩与其他作用相比，数量相当，不可忽视; 应做好防船撞保护措施，减轻船撞桥造成的损伤。参 考 文 献［1］ 四川省交通厅公路规划勘察设计研究院．宣汉龚家明月坝后河大桥两阶段施工图设计文件［Ｒ］．成都: 2008．［2］ 范立础．桥梁抗震［M］． 上海: 同济大学出版社，1997．［3］ 王君杰，王福敏，赵君黎，等．桥梁船撞研究与工程应用［M］．北京: 人民交通出版社，2011．檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷( 上接第 177 页)［2］ Townsend H E． Effects of alloying elements on the corrosion of steelin industrial atmospheres［J］． Corrosion，2001，57( 3) ; 497－501．［3］ GOTO Y，KAWANISHI N． Analysis to predict long － termmechanical performance of steel structures with histories ofcorrosion and repair［J］． Journal of Structural Engineering，2004，13010: 1578－1584．［4］ 史炜洲，童乐为，陈以一，等． 腐蚀对钢材和钢梁受力性能影响的试验研究［J］． 建筑结构学报，2012，33( 7) ．［5］ FEM analysis for structure performance of deteriorated ＲCstructures due to rebarcorrosion，LEE H S，NOUCHI t，TOMOSA-WA，［C］/ /Proceeding of the International Concrete under SeveralConditions Proceeding of the 2nd International Conference on Con-crete Under Severe Conditions． Tromso，Norway: E＆FN Spon，1998: 327－336．081· 工 程 结 构 ·

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https://dspace.xmu.edu.cn/bitstream/handle/2288/174495/%e6%b8%a9%e6%b6%a6%e6%b5%b7%e6%b4%8b%e5%a4%a7%e6%b0%94%e7%8e%af%e5%a2%83%e8%85%90%e8%9a%80%e4%b8%8b%e9%97%a8%e5%bc%8f%e5%88%9a%e6%9e%b6%e5%8e%82%e6%88%bf%e9%92%a2%e7%bb%93%e6%9e%84%e5%8f%97%e5%8a%9b%e6%80%a7%e8%83%bd%e6%9c%89%e9%99%90%e5%85%83%e5%88%86%e6%9e%90.pdf?sequence=1&isAllowed=y

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