溫潤海洋大氣環(huán)境腐蝕下門式剛架廠房鋼結(jié)構(gòu)受力性能有限元分析

李 琨

(廈門大學(xué), 福建漳州 363105)

門式剛架結(jié)構(gòu)近年來被廣泛應(yīng)用于輕型工業(yè)廠房，但處于海洋大氣、污染大氣等腐蝕環(huán)境下，鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了嚴(yán)重銹蝕，導(dǎo)致構(gòu)件的有效截面尺寸減小、強(qiáng)度和延性下降。這些因素導(dǎo)致承重構(gòu)件承載力和延性下降。而結(jié)構(gòu)整體性能變化情況，受腐蝕的鋼構(gòu)件的力學(xué)模型，腐蝕時長對其結(jié)構(gòu)性能退化規(guī)律的影響等，都必須從結(jié)構(gòu)層面入手進(jìn)行深入研究。

國內(nèi)外近年來的研究成果表明，運(yùn)用有限元數(shù)值模擬方法分析腐蝕后的結(jié)構(gòu)性能是可行的。本文也采用此方法，基于文獻(xiàn)[1]中鋼材在受腐蝕后，截面減小的試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果基礎(chǔ)上，分析和預(yù)測門式剛架廠房腐蝕后，承載力、變形的變化，進(jìn)而在一定程度上評估腐蝕對于鋼結(jié)構(gòu)廠房造成的不利影響。

1 構(gòu)件截面設(shè)計(jì)

為符合實(shí)際工程情況，根據(jù)GB 51022-2015《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》、GB 50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》和GB 5009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。對廈門市郊區(qū)較為常用的跨度18～36 m跨度單層單跨門式剛架，取常見荷載情況和結(jié)構(gòu)布置方案，選擇合理的構(gòu)件尺寸(表1)。所取構(gòu)件尺寸均能滿足結(jié)構(gòu)及節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定要求。

表1 門式剛架構(gòu)件截面尺寸

2 腐蝕對鋼結(jié)構(gòu)門式剛架結(jié)構(gòu)性能的影響

2.1 有限元模型的建立

許多研究表明，在腐蝕環(huán)境下，構(gòu)件尺寸隨著時間變化而變化。梁彩鳳等通過暴露試驗(yàn)[2]，用逐步回歸方法，得到鋼材的大氣腐蝕發(fā)展規(guī)律：鋼材的大氣腐蝕發(fā)展遵循冪函數(shù)曲線D=Atn，式中：D為腐蝕深度(mm)；t是暴露時間(a)；A和n是常數(shù)。同樣，2001年Townesend[3]用同樣方法得到各種典型氣候下，工業(yè)建筑在不同年限與鋼材腐蝕之間的定量關(guān)系。此方法被證明是比較有效的。

國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO 12944-2:1998中對大氣環(huán)境腐蝕性環(huán)境進(jìn)行了分類。其中熱帶溫潤海洋性氣候，廈門室外鋼結(jié)構(gòu)廠房屬于C5-M，對于有涂裝保護(hù)膜的Q235鋼材，使用2 a鋼結(jié)構(gòu)腐蝕深度D=0.032×21.4=0.084mm；5a：D=0.032×51.4=0.305mm；10a：D=0.032×101.4=0.804mm；若使用時間為20 a，則為D=0.032×201.4=2.12mm。

已有研究表明，可以通過“失重率”這一指標(biāo)來衡量“鋼材平均截面面積的減少”“不均勻腐蝕造成的應(yīng)力集中”和“鋼材內(nèi)部晶格變化”這三個因素對鋼材材性劣化程度的影響[4]。Dw=(W0-W1)/W0，為受腐蝕鋼材的失重率，W0、W1分別為腐蝕前后鋼材的質(zhì)量。按照腐蝕損傷量相同的原則，將上文中計(jì)算的腐蝕深度，分別按板厚8 mm、10 mm、12 mm和14 mm計(jì)算出失重率(表2)。

基于受腐蝕鋼材力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果，文獻(xiàn)[5]用失重率Dw這一指標(biāo)來衡量腐蝕后鋼材力學(xué)性能劣化程度。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用最小二乘法線性回歸，得出有涂裝受腐蝕Q235B鋼材屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長率下降與其失重率之間的關(guān)系式為：

表2 不同厚度鋼板在各使用時間下的失重率

分別為未腐蝕和腐蝕鋼材的極限強(qiáng)度。

表3 不同失重率下各使用年限鋼材性能指標(biāo)換算

2.2 結(jié)構(gòu)和構(gòu)件驗(yàn)算結(jié)果

經(jīng)過對未腐蝕和不同腐蝕時間后的單層門式剛架，進(jìn)行ANSYS有限元數(shù)值模擬，并對18～36 m 4個不同跨度結(jié)構(gòu)模型參照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果表明腐蝕對整體結(jié)構(gòu)的變形有不同程度的影響(圖1～圖4)。

圖1 跨度18m結(jié)構(gòu)腐蝕前后變形比

圖2 跨度24m結(jié)構(gòu)腐蝕前后變形比

圖3 跨度30m結(jié)構(gòu)腐蝕前后變形比

圖4 跨度36m結(jié)構(gòu)腐蝕前后變形比

圖1～圖4為腐蝕前后，門式剛架整體結(jié)構(gòu)在不同腐蝕時長的變形比值。ANSYS分析結(jié)果表明，變形最大點(diǎn)仍然為屋脊處梁的豎向撓度。2 a、5 a和10 a的變形比增加，接近于線性遞增，但到20 a，變形比出現(xiàn)跳躍式增加，最大變形比接近1.7。說明經(jīng)過較長時間腐蝕后，結(jié)構(gòu)整體剛度削弱嚴(yán)重，發(fā)生了本質(zhì)的變化。單獨(dú)比較截面減小和彈性模量E下降，可以發(fā)現(xiàn)，隨腐蝕時間增加，結(jié)構(gòu)變形都逐漸增加，但兩個因素單獨(dú)作用時，較難確定何者的影響程度更大。可以確定的是兩個因素共同作用時，結(jié)構(gòu)整體變形明顯比單一因素影響大。

3 結(jié)論

(1)有限元數(shù)值模擬的經(jīng)過2～20 a溫潤地區(qū)海洋大氣腐蝕后，門式剛架結(jié)構(gòu)和構(gòu)件承載力降低，整體剛度被削弱，主要表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)屋脊處豎向撓度變形比。

(2)分析表明，腐蝕對截面尺寸和彈性模量的削弱，都影響了結(jié)構(gòu)的剛度和承載能力。

(3)由于ANSYS有限元無法建立實(shí)際節(jié)點(diǎn)連接模型，故分析結(jié)果與實(shí)際結(jié)構(gòu)會存在一些誤差。本文分析過程和結(jié)果表明，利用失重率公式(2)估算截面彈性模量減小，利用經(jīng)驗(yàn)公式估算腐蝕深度是可行的，同時可利用有限元分析方法，進(jìn)一步研究有效的防腐措施。