腐蝕環(huán)境下軸心受壓構(gòu)件的屈曲荷載分析

劉德峰,徐善華,孔正義,2,宋 晗,李立云

(1.西安建筑科技大學(xué) 土木學(xué)院,陜西 西安710055;2.宿遷學(xué)院 建筑工程系,江蘇 宿遷223800;3.陜西建工集團總公司,陜西 西安710061;4.北京工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院,北京100124)

在鋼結(jié)構(gòu)中,屋架、塔架、網(wǎng)架等各種類型的平面或空間鋼桁架以及支撐中,軸心受壓構(gòu)件占了很大的比例,一般情況下,其設(shè)計時不考慮耐久性,而是通過防護措施、構(gòu)造措施和維修制度來保證的[1～3],并認(rèn)為結(jié)構(gòu)性能在服役期間保持不變。

如今由于鋼結(jié)構(gòu)在工程中的廣泛應(yīng)用,其在安全性、適用性方面的理論已很成熟,文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)地介紹了軸心受壓構(gòu)件的彎曲、扭轉(zhuǎn)、彎扭屈曲。但是這些理論都沒有考慮軸心受壓構(gòu)件在使用期間的損傷和結(jié)構(gòu)性能演變,而在工程實際中,許多長期處于海洋大氣、工業(yè)大氣等腐蝕環(huán)境下的大型鋼結(jié)構(gòu)工程(如橋梁、大型工業(yè)建筑、電視塔、高壓輸電鐵塔、大型水庫閘門、海上采油設(shè)施等)都出現(xiàn)了銹蝕問題,如圖1、圖2所示。

因此,如何在設(shè)計時考慮材料退化性能,如何對腐蝕后鋼結(jié)構(gòu)進行安全評定,如何進行結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計已成為各國學(xué)者研究的熱點。為此,國家科委也在1994年批準(zhǔn)了重大基礎(chǔ)性研究項目(攀登計劃)“重大土木與水利安全性與耐久性的基礎(chǔ)研究”[5],由此可見其重要性。

圖1 屋架腐蝕圖

圖2 高壓輸電塔腐蝕圖

1 理論分析

為了更好的對腐蝕環(huán)境下的軸心受壓構(gòu)件進行理論分析,以100×100的寬翼緣H型鋼柱為例,如圖3所示,構(gòu)件上下截面不能翹曲,但能自由轉(zhuǎn)動,在其側(cè)向三分點處設(shè)有支撐點,鋼材屈服強度為235 N/mm2。E為206 000 N/mm2,G為79 000 N/mm2。

圖3 軸心受壓構(gòu)件

在腐蝕環(huán)境下,構(gòu)件尺寸隨著時間變化而變化,梁彩鳳等通過在國內(nèi)7個點17種鋼的4 a、8 a、16 a暴露試驗[6～8],得出了鋼的大氣腐蝕的發(fā)展規(guī)律:

其中:D為腐蝕深度(mm);t為暴露時間(a);A、n為常數(shù)。

表1中列出了我國北京、青島、武漢、江津、廣州、瓊海、萬寧7個典型環(huán)境下相應(yīng)的A、n值。

表1 典型環(huán)境下相應(yīng)的A、n值

基本假定:

(1)工字鋼在翼緣和腹板以相同的速度D腐蝕;

(2)只考慮H型鋼沿厚度方向的腐蝕;

(3)不考慮殘余應(yīng)力。

腐蝕環(huán)境下構(gòu)件截面尺寸如圖4所示。

圖4 H型鋼構(gòu)件圖

(1)整體穩(wěn)定:根據(jù)圖中所示尺寸,求得構(gòu)件的幾何特性如下:

Ik值與其它值相比,可忽略不計。

根據(jù)幾何特性,求得構(gòu)件彎曲屈曲和扭轉(zhuǎn)屈曲荷載,計算公式如下:

通過計算,構(gòu)件將發(fā)生繞x軸彈性彎曲屈曲,屈曲荷載隨著使用年限的增加逐漸降低,尤其在海南萬寧地區(qū),如鋼材不進行有效防護,其屈曲荷載將迅速下降,30 a后,屈曲荷載下降50%,不到50 a其屈曲荷載將下降到零。圖5給出了屈曲荷載隨時間的變化圖。

圖5 屈曲荷載變化圖

(2)局部穩(wěn)定:鋼材厚度隨著使用年限增加而減小,因此,構(gòu)件寬厚比也將逐漸增大。翼緣寬厚比變化如圖6所示,由于翼緣視為三邊簡支,一邊自由,為防止整體失穩(wěn)前發(fā)生局部屈曲,翼緣寬厚比限值為[9]:

圖6 翼緣寬厚比變化圖

代入數(shù)據(jù)得:

通過圖6看出,在海南萬寧地區(qū),當(dāng)鋼材歷經(jīng)43 a后翼緣寬厚比將不滿足要求,可能先于整體穩(wěn)定前發(fā)生局部屈曲。

腹板寬厚比變化如圖7所示,由于腹板視為四邊支撐板,為防止整體失穩(wěn)前發(fā)生局部屈曲,腹板寬厚比限值為[9]:

代入數(shù)據(jù)得:

圖7 腹板寬厚比變化圖

通過圖7看出,在海南萬寧地區(qū),當(dāng)歷經(jīng)38 a后腹板寬厚比將不滿足要求,可能先于整體穩(wěn)定前發(fā)生局部屈曲。

局部屈曲后,構(gòu)件還可能繼續(xù)維持著整體穩(wěn)定,但由于部分板件屈曲后退出工作,使構(gòu)件有效截面減小,加速了構(gòu)件的整體屈曲[9],此時,整體屈曲荷載將進一步減小。

通過整體屈曲荷載與局部屈曲荷載的分析,可以看出,在北京等地區(qū),環(huán)境對屈曲荷載的影響不大,但在海南萬寧地區(qū),僅在大氣環(huán)境作用下,如鋼材不進行有效的防護,30 a左右H型鋼柱承載力下降到原承載力的50%,因此,如果仍按照原設(shè)計荷載承載,結(jié)構(gòu)將不再安全。

2 結(jié) 語

本文首次利用鋼的大氣腐蝕的發(fā)展規(guī)律,以H型鋼為例,分析了腐蝕環(huán)境下軸心受壓構(gòu)件的屈曲荷載,建立了屈曲荷載隨時間的變化關(guān)系,從而為耐久性設(shè)計提供了依據(jù)。但本文僅考慮了均勻銹蝕,沒有考慮局部腐蝕,而局部腐蝕對結(jié)構(gòu)安全性影響也是不能忽視的,因此,如何考慮局部腐蝕,如何建立在均勻腐蝕與局部腐蝕下承載能力隨時間的變化應(yīng)該是今后進行結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計的研究方向之一。

[1]GB50017-2003.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2003.

[2]AISC.Load and Resistance Factor Design Specification for Structural Steel Buildings[S].1999.

[3]GB 50046-1995.工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005.

[4]陳驥.鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論與設(shè)計[M].北京:科學(xué)出版社,2001.

[5]趙國藩,金偉良,貢金鑫.結(jié)構(gòu)可靠度理論[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2000.

[6]候文泰,梁彩鳳,等.碳鋼及低合金鋼的大氣腐蝕[J].中國腐蝕與防護學(xué)報,1993,13(4):291.

[7]梁彩鳳,候文泰.碳鋼及低合金鋼8年大氣暴露腐蝕研究[J].中國腐蝕與防護學(xué)報,1995,7(3):182.

[8]梁彩鳳,候文泰.碳鋼及低合金鋼16年大氣暴露腐蝕研究[J].中國腐蝕與防護學(xué)報,2005,2(1):25.

[9]魏明鐘.鋼結(jié)構(gòu)[M].武漢:武漢理工大學(xué)出版社,2003.