鐵路鋼結(jié)構(gòu)站房及雨棚的耐久性研究

余洋

摘 要：隨著高速鐵路的快速發(fā)展，鐵路站房作為展示城市和高鐵形象的窗口，得到了社會的普遍關(guān)注?，F(xiàn)代化高鐵站房和無站臺柱雨棚多采用大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕性能較差，造成了大量的鋼材損耗，同時大大降低了鋼結(jié)構(gòu)的承載能力。從既有鋼結(jié)構(gòu)站房和雨棚的腐蝕現(xiàn)狀入手，分析了鋼結(jié)構(gòu)腐蝕的環(huán)境影響因素，詳細(xì)介紹了鋼結(jié)構(gòu)腐蝕損傷的機理和類型，并提出了其耐久性設(shè)計的要點，以期能為以后的鋼結(jié)構(gòu)站房和雨棚設(shè)計提供借鑒。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)站房；雨棚；耐久性；鋼結(jié)構(gòu)腐蝕

中圖分類號：TU391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.03.062

1 鋼結(jié)構(gòu)的耐久性

鋼結(jié)構(gòu)具有力學(xué)性能好、承載力好、自重輕、抗震性能好、易于工廠化生產(chǎn)、施工周期短、節(jié)能環(huán)保等一系列優(yōu)點，在鐵路站房和雨棚中得到了大量的應(yīng)用。但鋼結(jié)構(gòu)有一個致命的弱點——容易被腐蝕，因此造成了大量鋼材損失，同時降低了結(jié)構(gòu)的承載能力，嚴(yán)重時，還有可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的坍塌。因此，防腐成為鋼結(jié)構(gòu)站房和雨棚耐久性研究中的重點。

耐久性是指材料抵抗自身和自然環(huán)境雙重因素長期破壞作用的能力，即保證其經(jīng)久耐用的能力。耐久性越好，材料的使用壽命越長。業(yè)內(nèi)對于混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的定義是在預(yù)定作用和預(yù)期的維護和使用條件下，其結(jié)構(gòu)和部件在預(yù)定的期限內(nèi)維持其所需的最低性能要求的能力。目前，業(yè)界對于鋼結(jié)構(gòu)的耐久性并沒有明確的定義，對于其耐久性的研究也并未形成完善的體系和理論。參考混凝土耐久性定義對鋼結(jié)構(gòu)耐久性進行定義，即鋼結(jié)構(gòu)耐久性是指在設(shè)計確定的環(huán)境作用和維修、使用條件下，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件和相關(guān)連接件在設(shè)計使用年限內(nèi)保持其適用性和安全性的能力。

就鋼結(jié)構(gòu)本身而言，其耐久性又與鋼結(jié)構(gòu)材料本身的耐久性和防腐涂料的耐久性有關(guān)，而涂料往往就是鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕的“頭道防線”。

2 鐵路鋼結(jié)構(gòu)站房和雨棚的耐久性現(xiàn)狀

鐵路站房的候車大廳、進出站雨棚和其他大跨度懸挑部分均采用鋼結(jié)構(gòu)，中小型站臺雨棚和省會級的大跨度無站臺柱雨棚也多采用鋼結(jié)構(gòu)。由于鋼結(jié)構(gòu)均處于半露天或露天環(huán)境中，陽光、大氣、水、海洋氣候等均會造成鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕。圖1為膠新線某站（建成11年）輕鋼雨棚柱銹蝕現(xiàn)狀。從圖1中不難看出，立柱涂層大面積粉化、脫落，鋼結(jié)構(gòu)銹蝕嚴(yán)重。這主要因為鋼結(jié)構(gòu)涂層在常年的日曬雨淋中失效，且受到涂層防腐蝕年限的影響。圖2為秦沈線某站（建成12年）輕鋼雨棚鋼梁銹蝕現(xiàn)狀。從圖2中可以看出，鋼梁涂層粉化和鋼結(jié)構(gòu)點狀銹蝕嚴(yán)重。這主要是由于該地區(qū)靠近海洋，受海洋大氣環(huán)境影響較大。圖3為太中銀線某站（建成4年）大跨度無站臺柱鋼結(jié)構(gòu)雨棚。從圖3中可以看出，由于涂裝質(zhì)量較差，該雨棚臺柱出現(xiàn)粉化和脫落。圖4為某站房內(nèi)網(wǎng)架球節(jié)點銹蝕。圖5為某站房屋面板因自身材質(zhì)原因，老化嚴(yán)重。圖6為某站因養(yǎng)護不到位而引起鋼結(jié)構(gòu)銹蝕。

鐵路站房和雨棚作為鐵路交通運輸中不可或缺的一環(huán)，根據(jù)對鋼結(jié)構(gòu)雨棚腐蝕現(xiàn)狀的調(diào)查，我們有必要根據(jù)鐵路站房和雨棚所處的環(huán)境，分析其腐蝕機理和特點，研究適用于鐵路站房和雨棚的耐久性設(shè)計。

3 鋼結(jié)構(gòu)腐蝕的影響因素

鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕主要受大氣環(huán)境的影響，大氣環(huán)境中的水分、氧氣和其他腐蝕性介質(zhì)（包括雨水中的雜質(zhì)、灰塵、表面沉積物、鹽霧、酸雨）與鋼材表面接觸，發(fā)生化學(xué)腐蝕或電化學(xué)腐蝕，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)被腐蝕。影響鋼結(jié)構(gòu)腐蝕的因素可以分為氣候因素和大氣污染因素兩大類。

3.1 氣候因素

氣候因素直接影響著鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕，包括日照時間、氣溫、相對濕度、降水等。

3.2 大氣污染因素

大氣的主要成分是不變的，但是被污染的大氣中含有的硫化物、氮化物、碳化物和海洋大氣中的鹽粒子等會對金屬造成腐蝕。

4 鋼結(jié)構(gòu)腐蝕損傷的機理

鋼結(jié)構(gòu)腐蝕損傷的機理包括兩方面，分別是電化學(xué)腐蝕機理和熱力學(xué)腐蝕機理。在大氣環(huán)境中，比較常見的是電化學(xué)腐蝕機理。

4.1 電化學(xué)腐蝕機理

電化學(xué)腐蝕過程與電解質(zhì)電池反應(yīng)相同，構(gòu)成這種反應(yīng)的三個要素是陽極、陰極和導(dǎo)電介質(zhì)。陽極過程：Fe→Fe2++2e，陰極過程（氧的還原）：O2+2H2O+4e→4（OH）-.陽極產(chǎn)物鐵離子與陰極產(chǎn)物氫氧根離子相結(jié)合，生成初步的腐蝕產(chǎn)物（氫氧化亞鐵）而沉淀：Fe2++2（OH）-→Fe（OH）2.氫氧化亞鐵進一步被溶液中的氧所氧化，轉(zhuǎn)變?yōu)闅溲趸F（即鐵銹）：4Fe（OH）2+2H2O→4Fe（OH）3. 圖7為鋼結(jié)構(gòu)電化學(xué)腐蝕的基本原理圖。

4.2 熱力學(xué)腐蝕機理

任何一種元素，包括金屬元素和非金屬元素，在自然界都有一種最穩(wěn)定的狀態(tài)，即能量最低狀態(tài)。鐵是在高爐中用焦炭中的碳對赤鐵礦（Fe2O3）還原而得到的，即2Fe2O3（鐵礦）+3C（焦炭）→4Fe（鐵）+3CO2（氣）.該反應(yīng)是在溫度極高的條件下發(fā)生的，需要大量的能量，且生成的最終產(chǎn)物鐵和最后的鋼是不穩(wěn)定的，當(dāng)鋼暴露于潮濕和有氧的環(huán)境中，鐵將趨向于恢復(fù)成原來的形態(tài)，即Fe（鐵）+O2+H2O→Fe2O3·H2O（鐵銹）.

5 鋼結(jié)構(gòu)腐蝕損傷的分類和破壞形式

5.1 腐蝕損傷的分類

鋼結(jié)構(gòu)腐蝕的本質(zhì)就是鋼材的主要元素鐵被氧化失去電子（Fe-2e=Fe2+）變成鐵銹的過程。鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)周圍的環(huán)境、空氣中的有害成分（例如酸、鹽等）以及溫、濕度和通風(fēng)情況的不同可分為兩類，分別是化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。

化學(xué)腐蝕是鋼結(jié)構(gòu)暴露于潮濕和有氧的環(huán)境下發(fā)生的化學(xué)銹蝕，也就是鋼材表面與周圍介質(zhì)直接發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的腐蝕，其腐蝕程度隨時間和溫度的增加而增加。化學(xué)反應(yīng)方程式為Fe（鐵）+O2+3H2O=4Fe2O3（鐵銹）+3CO2.

電化學(xué)腐蝕是鋼材在存放和使用中與周圍介質(zhì)之間發(fā)生氧化還原反應(yīng)而產(chǎn)生的腐蝕，其本質(zhì)就是鋼結(jié)構(gòu)中的鐵在腐蝕介質(zhì)中通過電化學(xué)反應(yīng)被氧化成正的化學(xué)價狀態(tài)。

5.2 腐蝕損傷的破壞形式

鋼結(jié)構(gòu)腐蝕的破壞形式大體上可以分為兩大類，分別是全面腐蝕和局部腐蝕。全面腐蝕又稱均勻腐蝕，是最常見的腐蝕形態(tài)，由于腐蝕速率均勻，相對容易進行預(yù)測和防護。只要進行嚴(yán)格的工程設(shè)計和采取合理的防腐蝕措施，就不會發(fā)生突然的腐蝕事故。局部腐蝕由于腐蝕機理不同，發(fā)生的部位也不同，有時，關(guān)鍵點的腐蝕會造成鋼結(jié)構(gòu)整體的坍塌。常見的局部腐蝕形式主要有點蝕、縫隙腐蝕、電偶腐蝕、晶間腐蝕、選擇性腐蝕、應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞等。

6 鋼結(jié)構(gòu)的防腐方法

根據(jù)化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕的本質(zhì)，鋼結(jié)構(gòu)防腐主要是針對溫度、濕度、水等大氣環(huán)境和電位差等方面進行防腐。

6.1 鋼結(jié)構(gòu)防腐原則

建筑結(jié)構(gòu)用鋼存在不少有害物質(zhì)，造成不同區(qū)域的鋼材存在較大差異，這些差異為電化學(xué)腐蝕提供了先決條件。為避免此類腐蝕的發(fā)生，需要提高鋼材的均勻性和質(zhì)量，減少材料差異，從根本上降低腐蝕發(fā)生的可能性，從而達(dá)到防腐目的。

鋼結(jié)構(gòu)桿件節(jié)點構(gòu)造連接能取得很好的防腐效果。節(jié)點構(gòu)造設(shè)計應(yīng)避免積水和灰塵積累，提供恰當(dāng)?shù)呐潘到y(tǒng)，減少腐蝕發(fā)生的可能性；避免采用搭接和形成縫隙的結(jié)構(gòu)，避免采用螺栓連接和斷續(xù)焊接的角鋼結(jié)構(gòu)，應(yīng)優(yōu)先選擇周長和面積較小的截面和實腹式結(jié)構(gòu)。同時，應(yīng)對鋼材表面進行有效的防腐處理，最大程度地減少與不利環(huán)境接觸的概率。針對電化學(xué)腐蝕，陰極保護法能有效提高防腐效果。

6.2 不同環(huán)境下鋼結(jié)構(gòu)的防腐方法

站房內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)均處于室內(nèi)環(huán)境，常采用防腐涂層法。一般的配套方案為：防腐底漆采用水性無機富鋅底漆，中間漆采用環(huán)氧云鐵中間漆，并采用環(huán)氧封閉漆封閉，面漆為聚氨酯或氟碳噴涂。每層漆涂刷的具體遍數(shù)和厚度應(yīng)根據(jù)腐蝕作用的分類和結(jié)構(gòu)的重要程度確定。

站臺雨棚、人行天橋、進站雨棚等鋼結(jié)構(gòu)大多處于室外環(huán)境，受大氣環(huán)境影響較大，應(yīng)考慮更為嚴(yán)格的防腐措施。常用的方法有采用耐候鋼、熱鍍鋅防腐、熱噴涂鋁（鋅）復(fù)合涂層等。具體的選用原則還需綜合考慮建設(shè)地點的氣候特征，并結(jié)合其他地區(qū)的使用經(jīng)驗確定，以獲得預(yù)期的防腐目標(biāo)。

7 鋼結(jié)構(gòu)站房和雨棚的耐久性設(shè)計要點

鋼結(jié)構(gòu)站房和雨棚的耐久性設(shè)計應(yīng)提前調(diào)查環(huán)境條件，根據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性確定合理的腐蝕環(huán)境等級。根據(jù)不同的腐蝕環(huán)境等級，選用不同的涂層保護。

7.1 防腐蝕設(shè)計控制要點

根據(jù)不同的腐蝕環(huán)境類別，選用合理的結(jié)構(gòu)形式和節(jié)點構(gòu)造，有利于提高結(jié)構(gòu)自身的抗腐蝕能力，同時便于施工和使用過程中的檢查維修。當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)可能與液態(tài)腐蝕性物質(zhì)或固態(tài)腐蝕性物質(zhì)接觸時，應(yīng)采取隔離措施。腐蝕性等級為Ⅳ，Ⅴ或Ⅵ級時，桁架、柱、主梁等重要受力構(gòu)件不應(yīng)采用格構(gòu)式構(gòu)件和冷彎薄璧型鋼。桿件應(yīng)采用實腹式或閉口截面，閉口截面端部應(yīng)進行封閉，同時控制桿件的最小厚度。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)宜采用管形截面、球型節(jié)點。腐蝕性等級為Ⅳ，Ⅴ或Ⅵ級時，應(yīng)采用焊接連接的空心球節(jié)點。當(dāng)采用螺栓球節(jié)點時，桿件與螺栓球的接縫應(yīng)采用密封材料填嵌嚴(yán)密，多余螺栓孔應(yīng)封堵。對于不同金屬材料的接觸部位，應(yīng)采取隔離措施。桁架、柱、主梁等重要鋼構(gòu)件和閉口截面桿件的焊縫應(yīng)采用連續(xù)焊縫方法。當(dāng)腐蝕等級較高時，應(yīng)采用耐候鋼等防腐蝕性能較好的鋼材。

7.2 表面處理

鋼結(jié)構(gòu)站房和雨棚涂層施工前應(yīng)進行表面處理，一般情況下，表面粗糙度不宜超過涂裝系統(tǒng)總干膜厚度的1/3.鋼結(jié)構(gòu)表面的焊渣、毛刺和飛濺物等附著物會造成防腐蝕保護層的局部缺陷，施工前應(yīng)清除干凈，對邊角進行鈍化處理，使用清潔劑或堿液擦洗、火焰燃燒等方法清除鋼結(jié)構(gòu)表面的油污，并用淡水沖洗至中性。清理表面后，應(yīng)采用吸塵器或干燥、潔凈的壓縮空氣清除浮塵和碎屑，然后采取涂層或金屬熱噴涂的保護方式。

7.3 涂層保護

涂層應(yīng)按涂層配套原則設(shè)計，應(yīng)滿足腐蝕環(huán)境、工況條件和防腐蝕年限要求，同時，同一配套的底漆、中間漆、面漆應(yīng)有良好的相容性。針對鐵路站房和雨棚的特殊環(huán)境，確定了環(huán)氧防銹底漆、環(huán)氧云鐵中間漆和氟碳面漆的涂裝體系，涂裝厚度則根據(jù)室內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)和室外鋼結(jié)構(gòu)的環(huán)境類別選取，確保預(yù)留適當(dāng)?shù)姆栏g量。

涂層施工是溫度宜為5～38 ℃，相對濕度不宜大于85%，鋼材表面溫度應(yīng)高于露點3 ℃以上，雨、霧、雪、大風(fēng)天氣不宜進行室外施工。

7.4 金屬熱噴涂

在腐蝕性等級為Ⅳ，Ⅴ或Ⅵ級腐蝕環(huán)境類型中的鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕宜采用金屬熱噴涂。熱噴涂金屬材料宜選用鋁、鋁鎂合金或鋅鋁合金。在大氣環(huán)境下，金屬熱噴涂系統(tǒng)最小局部厚度應(yīng)根據(jù)金屬熱噴涂系統(tǒng)的組成和防護層的使用年限確定。金屬熱噴涂的外面根據(jù)金屬熱噴涂系統(tǒng)組成的不同，應(yīng)做封閉層和涂裝層。

8 鋼結(jié)構(gòu)的維護保養(yǎng)

對于鐵路站房和雨棚建筑全生命周期而言，后期的維護保養(yǎng)是提高鋼結(jié)構(gòu)耐久性不可或缺的一環(huán)。定期的安全檢測、評估可以了解鋼結(jié)構(gòu)所處的狀態(tài)，通過對涂層的檢測，可以確定其使用壽命。日常的巡檢、春秋檢、年檢等有助于及時發(fā)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)失效部分和腐蝕情況，進而對涂層的破壞、銹蝕，支座的老化，焊縫的撕裂等進行維護保養(yǎng)，確保鋼結(jié)構(gòu)處于正常工作狀態(tài)。《鐵路運輸房建設(shè)備大修維修規(guī)則》（鐵總運〔2014〕60號）對鋼結(jié)構(gòu)站房和雨棚的巡檢頻次、巡檢部位和維修周期等作了詳細(xì)規(guī)定。

9 結(jié)束語

本文從不同地區(qū)、不同使用年限既有鋼結(jié)構(gòu)站房和雨棚的銹蝕現(xiàn)狀出發(fā)，介紹了氣候因素、大氣污染因素等鋼結(jié)構(gòu)腐蝕的大氣環(huán)境影響因素。在此基礎(chǔ)上，本文介紹了電化學(xué)腐蝕機理和熱力學(xué)腐蝕機理，明確了鋼結(jié)構(gòu)腐蝕損傷的原理，分析了化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕以及均勻腐蝕和局部腐蝕等不同的腐蝕形式，提出了鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕設(shè)計的控制要點，并從表面處理、涂層設(shè)計及施工、金屬熱噴涂等多方面詳細(xì)講述了鋼結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計要點，希望能為以后鋼結(jié)構(gòu)工程的設(shè)計和施工提供借鑒。

參考文獻(xiàn)

[1]史煒洲，童樂為，陳以一，等.腐蝕對鋼材和鋼梁受力性能影響的試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2012，33（7）.

[2]張廣亮，張廣宇，劉向峰，等.鋼結(jié)構(gòu)腐蝕檢測技術(shù)探析[J].四川建材，2010，36（5）.

[3]姚南，張?zhí)焐?，王元清，?在役橋梁鋼結(jié)構(gòu)的損傷檢測與安全評估[G]//慶祝劉錫良教授八十華誕暨第八屆全國現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)研討會論文集，2008.

[4]高敏潔.滬杭高鐵客站雨棚鋼結(jié)構(gòu)防腐涂裝體系研究[D].南京：東南大學(xué)，2010.

[5]沈海興.滬杭高速鐵路雨棚鋼結(jié)構(gòu)防腐涂裝體系的研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2011（6）.

[6]河南省第一建筑工程集團有限責(zé)任公司，林州建總建筑工程有限公司.JGJ/T 251—2011 建筑鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

〔編輯：王霞〕