腐蝕環境下軸心受壓構件的屈曲荷載分析

劉德峰,徐善華,孔正義,2,宋 晗,李立云

(1.西安建筑科技大學 土木學院,陜西 西安710055;2.宿遷學院 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.北京工業大學 建筑工程學院,北京100124)

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

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

因此,如何在設計時考慮材料退化性能,如何對腐蝕后鋼結構進行安全評定,如何進行結構的耐久性設計已成為各國學者研究的熱點。為此,國家科委也在1994年批準了重大基礎性研究項目(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境下的軸心受壓構件進行理論分析,以100×100的寬翼緣H型鋼柱為例,如圖3所示,構件上下截面不能翹曲,但能自由轉動,在其側向三分點處設有支撐點,鋼材屈服強度為235 N/mm2。E為206 000 N/mm2,G為79 000 N/mm2。

圖3 軸心受壓構件

在腐蝕環境下,構件尺寸隨著時間變化而變化,梁彩鳳等通過在國內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展規律:

其中:D為腐蝕深度(mm);t為暴露時間(a);A、n為常數。

表1中列出了我國北京、青島、武漢、江津、廣州、瓊海、萬寧7個典型環境下相應的A、n值。

表1 典型環境下相應的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)不考慮殘余應力。

腐蝕環境下構件截面尺寸如圖4所示。

圖4 H型鋼構件圖

(1)整體穩定:根據圖中所示尺寸,求得構件的幾何特性如下:

Ik值與其它值相比,可忽略不計。

根據幾何特性,求得構件彎曲屈曲和扭轉屈曲荷載,計算公式如下:

通過計算,構件將發生繞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,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)局部穩定:鋼材厚度隨著使用年限增加而減小,因此,構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,為防止整體失穩前發生局部屈曲,翼緣寬厚比限值為[9]:

圖6 翼緣寬厚比變化圖

代入數據得:

通過圖6看出,在海南萬寧地區,當鋼材歷經43 a后翼緣寬厚比將不滿足要求,可能先于整體穩定前發生局部屈曲。

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

代入數據得:

圖7 腹板寬厚比變化圖

通過圖7看出,在海南萬寧地區,當歷經38 a后腹板寬厚比將不滿足要求,可能先于整體穩定前發生局部屈曲。

局部屈曲后,構件還可能繼續維持著整體穩定,但由于部分板件屈曲后退出工作,使構件有效截面減小,加速了構件的整體屈曲[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,環境對屈曲荷載的影響不大,但在海南萬寧地區,僅在大氣環境作用下,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,如果仍按照原設計荷載承載,結構將不再安全。

2 結 語

本文首次利用鋼的大氣腐蝕的發展規律,以H型鋼為例,分析了腐蝕環境下軸心受壓構件的屈曲荷載,建立了屈曲荷載隨時間的變化關系,從而為耐久性設計提供了依據。但本文僅考慮了均勻銹蝕,沒有考慮局部腐蝕,而局部腐蝕對結構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該是今后進行結構耐久性設計的研究方向之一。

[1]GB50017-2003.鋼結構設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2003.

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

[3]GB 50046-1995.工業建筑防腐蝕設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2005.

[4]陳驥.鋼結構穩定理論與設計[M].北京:科學出版社,2001.

[5]趙國藩,金偉良,貢金鑫.結構可靠度理論[M].北京:中國建筑工業出版社,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].中國腐蝕與防護學報,2005,2(1):25.

[9]魏明鐘.鋼結構[M].武漢:武漢理工大學出版社,2003.