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随着钢结构在建筑工程中的广泛应用,钢材在潮湿环境中的易锈蚀现象,特别是当空气中含有酸碱软类的介质时情况更为严重,腐蚀不仅使钢材表面产生不均匀的锈蚀,而且局部的锈蚀引起应力集中,易导致钢结构的提前破坏,严重影响结构安全。因此,必须要采取有效的防腐措施,确保建筑结构安全。
一、钢结构腐蚀的类型与机理
1、大气腐蚀
钢结构的大气腐蚀主要是由空气中的水和氧气等的化学和电化学作用引起的。大气中水汽形成金属表层的电解液层,而空气中的氧溶于其中作为阴极去极剂,二者与钢构件形成了一个基本的腐蚀原电池。当大气腐蚀在钢构件表面形成锈层后,腐蚀产物会影响大气腐蚀的电极反应。
2、局部腐蚀
局部腐蚀是钢结构最常见的破坏形态,主要包括电偶腐蚀、缝隙腐蚀。电偶腐蚀主要发生在钢结构不同金属组合或者连接处,其中电位较负的金属腐蚀速度较大,而电位较正的金属受到保护,两种金属构成了腐蚀原电池。缝隙腐蚀主要在钢结构不同结构件之间、钢构件与非金属之间存在的表面缝隙处,当缝隙宽度窄到可以使得液体在缝内停滞时发生,钢结构的缝隙腐蚀最敏感的缝宽为0.025mm~0.1mm。钢结构最常见的缝隙腐蚀形式有铆接、衬垫和颗粒沉积等,由于这些连接中的缝隙在工程中是不可避免的,所以钢结构的缝隙腐蚀也是不可完全避免的,它的发生会导致钢结构整体强度降低,减少吻合程度。
3、应力腐蚀
即在某一特定的介质中,钢结构不受到应力作用时腐蚀甚微,但是受到拉伸应力后,经过一段时间构件会发生突然断裂。由于这种应力腐蚀断裂事先没有明显的征兆,所以往往造成灾难性后果,如桥梁坍塌、管道泄漏、建筑物倒塌等,带来巨大的经济和人员伤亡。
二、钢结构腐蚀对建筑的危害
通过钢结构腐蚀机理的分析我们可以看出,钢铁腐蚀是一种不均匀的破坏,其表面一旦出现腐蚀坑,由坑底向纵深发展很快,从而引起应力集中,而应力集中又会加速腐蚀过程,这种循环的连锁反应是应力腐蚀的一种形式。钢材在这种应力腐蚀的作用下抗冷脆性能不断下降,导致承重构件在无明显的变形征兆下突然发生脆性断裂,造成建筑物倒塌并危及人身安全。结构在冲击荷载作用下,腐蚀介质会促成钢材发生脆性断裂并影响疲劳强度,危害尤为严重。
在美国,因腐蚀造成的不安全事故约占整个不安全事故的31.8%,我国为25%~30%。腐蚀不仅是安全生产的大敌,同时也给经济发展带来巨大的损失。由日本腐蚀工程学会和日本腐蚀控制协会共同进行的调查表明:用Uhlig和Hoar两种方法估算的1997年全日本腐蚀损失分别为39,380亿日元和52,580亿日元,占当年国民生产总值(GNP)的0.77%和1.02%。若同时考虑间接损失,整个腐蚀损失要比用Uhlig方法算得的值高24倍。2004年我国因腐蚀问题损失达4,000亿人民币,损失钢材1000多万t。
三、建筑工程中钢结构防腐技术的应用
1、基本要求
(1)表面处理。表面处理非常重要,应清除钢铁表面的污物和锈层,尤其是轧制钢材时形成的黑氧化皮,它是电化学腐蚀的阴极,是腐蚀的根源,必须除掉。表面处理质量应达到涂装前钢材表面预处理规范的有关要求。
(2)材料选择。表面涂刷专用钢结构防腐漆,仍是目前对钢结构防腐及网架防腐的主要手段。防腐漆分为底漆、中层漆和面漆,各层油漆均有其特性,形成复合涂层,提高防腐性能,延长使用寿命。
(3)涂层厚度。防腐涂料涂装时的厚度要适度,涂层要均匀,不可漏涂。
2、防腐涂层考虑因素
主要考虑年限、装饰要求和维护等要求,在何种腐蚀性介质环境下应用,涂装施工时的温湿度和操作空间等因素。
3、常用方法
(1)改性金属结构。在钢材冶炼过程中增加铜、铬和镍等合金元素,使金属表面形成保护层。
(2)阴极保护法。在钢结构表面附加较活泼的金属取代钢材的腐蚀。常用于水下或地下结构。
(3)热浸锌。将除锈后的钢构件浸入600℃左右高温融化的锌液中,使钢构件表面附着锌层,从而起到防腐蚀的目的。这种方法的优点是耐久年限长,生产工业化程度高,质量稳定,因而被大量用于受大气腐蚀较严重且不易维修的室外钢结构中。
(4)热喷铝(锌)复合涂层。是一种与热浸锌防腐蚀效果相当的长效防腐蚀方法。具体做法是先对钢构件表面作喷砂除锈,使其表面露出金属光泽并打毛。再用乙炔氧焰将不断送出的铝(锌)丝融化,并用压缩空气吹附到钢构件表面,以形成蜂窝状的铝(锌)喷涂层(厚度约80~100m)。最后用环氧树脂或丁橡胶漆等涂料填充毛细孔,以形成复合涂层。这种工艺的优点是对构件尺寸适应性强,构件形状尺寸几乎不受限制。大到如葛洲坝的船闸也是用这种方法施工的。
(5)涂层法。涂层法防腐蚀性一般不如长效防腐方法(但目前氟碳涂料防腐蚀年限甚至可达50年)。所以用于室内钢结构或相对易于维护的室外钢结构较多。它一次成本低,但用于户外时维护成本较高。
在这五种防腐方法中,建筑工程最常用的是涂层法。这种方法价格低廉,选择范围广,适用性强。以下主要介绍涂层法。
4、涂层法
钢结构的涂层法防腐需经过基层处理和涂层施工两道工序。
(1)基层处理。基层处理的目的是清除构件表面的毛刺、铁锈、油污及其他附着物,使构件表面露出金属光泽;基层处理越彻底,附着效果越好。基层处理的方式有手工机械处理、化学处理、机械喷射处理等。
(2)涂层施工。涂层结构的形式有三种:① 底漆一中漆一面漆;②底漆一面漆;③底漆面漆为同一种漆。其中底漆主要起附着和防锈作用;面漆主要起防腐蚀和防老化作用:中漆的作用于介于底、面漆之间,并能增加漆膜厚度。它们只有配套使用才能发挥最佳的作用,取得最佳效果。
合理的涂刷方式,对保证涂装质量、施工进度、节约材料和降低成本有很大的作用,常用的涂刷方式有手工刷涂法、手工滚涂法、浸涂法、空气喷涂法和无气喷涂法等。
(3)涂层施工的质量控制。首先,涂层法的施工质量是否优秀,基层处理至关重要。不同的防腐要求,可采取不同的处理方法;其次,涂层用底漆含粉料多,基料少,成膜粗糙,与钢材粘附力强,与面漆结合性好。面漆则同时要注意不同涂料间的相容性。基料多,成膜光泽。抗风化,能保护底漆不受大气腐蚀;第三,涂层的施工要在适当的温度(5~38℃之间)和湿度(相对湿度不大于85%)及粉尘少的环境下进行。构件表面不能有结露,涂装后4h之内不得淋雨;最后,涂层一般做4~5遍。干漆膜总厚度室外工程为150μm,室内工程为125μm,允许偏差为25μm。在海边或海上或在较强的腐蚀性大气中,干漆总厚度可为200~220μm。
关键词:大跨度建筑;钢结构;设计分析
中图分类号:TS958文献标识码: A
大跨度建筑一般指的是拥有横向跨越至少在60m以上的建筑结构类型,这一类建筑结构通常被使用在民用建筑中的电影院、体育场、展览馆、大会堂、航空港以及工业建筑中的飞机装配车间、飞机库和其他大跨度厂房等等。在当前阶段,大跨度建筑的而应用范围越来越广泛,究其原因是因为社会经济的不断发展,人们的需求在不断进步,要求建筑物拥有更加高大和宽广的空间供人们使用,另一方面,随着时代的进步,新的施工技术、施工材料以及施工结构不断出现,满足了大跨度建筑建造的要求,促进了大跨度建筑的不断进步。例如我国于2008年修建的著名建筑物“鸟巢”,其中就使用了大跨度钢结构的建筑形式,将中国传统文化与现代建筑技术形成了完美的融合。在我国的现行的《钢结构设计规范》GB50017-2003中就规定,将跨度等于或者大于60m的钢制的平面桁架、钢架、拱架、以及空间网架、网壳、悬索、索膜等结构的屋盖结构统称为大跨钢结构。事实上,大跨钢结构不仅适用于屋盖结构,还适用于楼层、墙体等结构,越来越多的汽车、机械、化工等行业的企业厂房建筑都已经开始使用大跨钢结构设计。
1、大跨钢结构的分类和主要构造
由于大跨钢建筑结构使用的材料刚性差异以及结构组合方式的不同,大跨钢结构的建筑类型通常可以分为三种,分别是刚性结构、柔型结构和杂交结构。其中刚性结构主要指的是由钢杆件、钢梁或者钢钳架组成的结构类型,刚性结构又可以分为空间网格结构和空间结构两种。可以被称为刚性大跨度结构的建筑结构一般包含有网架结构、网壳结构和空间精架结构三种;柔型结构则指的是结构刚度小、柔性大、几何非线性因素在设计分析时影响较大而必须予以考虑的结构。柔性结构根据受力情况的不同,又可以分为竖直柔性结构、水平柔性结构和空间柔性结构三种。使用柔性大跨钢结构的结构类型主要包括索结构、膜结构、索膜结构和张拉集成结构等等;最后,杂交结构则指的是既包含了刚性结构、又包含了柔性结构,综合组成的结构。杂交结构可以通过对传统的大跨钢结构进行改变而获得,例如拉索网架结构、拉索网壳结构、拱索结构等等。本文主要讨论分析的还是以刚性结构和柔型结构两种结构类型为主。
2、大跨钢结构类型建筑的设计要点
2.1大跨钢结构的力学计算
根据大跨钢结构建筑的受力模式来进行建筑设计,大跨钢结构建筑承受的荷载类型包含永久性荷载、可变性荷载、偶然性荷载三种。其中承受永久性荷载的大跨度结构包括建筑屋盖和建筑屋面覆盖材料。因此,对于屋面永久性荷载的计算需要采用经验公式或者直接由计算机代入执行。建筑屋面覆盖材料则主要包括屋面板、层屋保温层、找坡层以及防水层等,有的建筑物还会装有吊顶、设备管道接口等结构,因此屋面覆盖物受力情况的计算应该综合建筑建造的实际情况进行计算,综合考量屋面的受力情况;作用于大跨度结构建筑上的可变荷载包含屋面活荷载、雪荷载、风荷载、温度作用以及支座位移产生的荷载效应等等,因此对于屋面承受可变性荷载的计算应该采用国家规定的计算标准,根据建筑工程的实际情况进行确定,对于计算出的结果如果大于国家标准规定,则应该按照建筑工程的实际荷载进行设计;建筑物承受的偶然荷载则指的是地震等突然性灾害对建筑物的受力荷载,偶然荷载的大小既和结构的固有震动特性有关,也和地震发生时地面运动的特性有关,因此在计算大跨钢结构的偶然荷载时,应该在结构的两个主轴方向分别考虑水平地震作用,采用振型分解反应谱法进行计算,对于某些较为规则的网架和网壳结构还可以采用简化的计算方法,特别重要或者结构类型较为复杂的空间结构就要采用时程分析法进行计算结果的补充。
对大跨度钢结构建筑进行荷载计算时,一定要重视建筑整体结构的协同工作,综合考虑建筑物的稳定性、强度、施工工艺、工程资金投入等各个方面的因素,建立科学的计算模型,使用标准的计算方法,使其与建筑物的实际设计情况相结合,提高计算结果的准确性和可靠性。
2.2建立与工程实际相符合的设计模型
大跨钢结构建筑的设计过程中,应该根据工程受力荷载的结算结果,建立与建筑工程实际情况相符合的工程模型。在大跨钢结构模型的建造过程中,注意不能随便对计算模型进行简化,应该根据计算结果的最大可能性选择与大跨钢结构建筑工程实际情况相符合的设计模型。大跨钢结构建筑工程设计的模型除了受力计算结果,还应该包含建筑工程使用的材料类型、结构类型等项目。对于大跨钢结构建筑工程的设计方案,一定要尽可能的进行优化,充分体现经济、环保、安全的设计理念,达到有效节约原材料、降低工程造价、提高工程质量和效益的目的。
2.3注意大跨钢结构的节点结构
大跨钢结构建筑工程设计时,应该充分考虑到钢结构构件节点构造复杂的情况。在进行钢结构节点的设计时,应该结合钢结构的受力情况、建筑工程要求以及构件截面形式和连接方法等因素来确定相应的节点构造形式。
2.4注意大跨刚结构的稳定性
稳定性是大跨钢结构质量的最好体现,是每一项建筑工程设计施工时候都要主要的目标和施工因素,在大跨钢结构建筑工程进行设计时应该尤其注意这一点。应该把结构的稳定性设计始终贯穿在大跨钢结构建筑工程整体设计过程之中,综合各个方面的因素,充分考虑到工程整体和工程局部的稳定型设计,保证大跨钢结构工程最终具有坚实的稳定性,保证大跨钢结构建筑工程的设计质量。
2.5严格控制大跨度钢结构建筑工程的刚度
积年的大跨钢结构建筑工程的修建已经表明,大跨钢结构建筑工程的强度条件和稳定条件并不能决定钢结构构件的截面刚度,最终决定截面刚度的还是大跨钢结构的整体刚度条件。因此,在大跨钢结构建筑工程的设计过程中,应该充分的考虑工程整体的刚度,严格控制工程刚度的大小。
2.6做好工程的防火、防腐设计
由于大跨钢结构建筑工程的材料构成大多是钢材,而钢材的耐火型以及耐腐蚀性都比较差,因此必须做好大跨钢结构建筑工程的防火和防腐工程的设计。可以根据大跨钢结构建筑工程的实际使用功能、工程整体投入资金的金额大小来选择适合当前工程的防火、防腐处理措施,值得注意的是,大跨钢结构建筑工程的防火防腐设计一定要比普通的钢结构工程要求更高,其原因是大跨钢结构建筑工程通常被用于大型聚会、展览等功能,人数远比普通的建筑工程要多。
3、结语
随着社会的不断发展和进步,人们对于建筑工程的要求越来越高,大跨度钢结构的应用范围必将越来越广泛,大跨钢结构建筑工程的设计和施工技术也将越来越得到发展和改善。对此,建筑企业应该时刻关注市场的变化,不断学习新的大跨钢结构建筑工程的设计和施工技术,保证大跨钢结构设计和施工的质量越来越好,进而促进大跨钢结构工程整体的质量越来越好,满足人们的需求,收获丰富的经济效益和优秀的建筑企业形象。
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