站台雨棚钢结构在锈蚀作用下的耐久性评估

杨娜，刘威，白凡，秦术杰，余洋

站台雨棚钢结构在锈蚀作用下的耐久性评估

杨娜1，刘威1，白凡1，秦术杰1，余洋2

(1. 北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044；2. 中国铁路设计集团有限公司 建筑设计研究院，天津 300142)

考虑钢构件由锈蚀引起的几何削弱及材性退化，提出一种钢结构在锈蚀作用下的耐久性评估方法。通过引入大气腐蚀模型，采用锈蚀缺陷分析方法建立结构有限元模型，同时给出锈蚀钢材屈服应力比下降标准曲线得到结构剩余承载力准则。基于该评估方法，通过迭代计算构件的临界失重率，进而确定构件的损伤系数(耐久性指标)。结合算例阐述站台雨棚钢结构在大气均匀锈蚀作用下的耐久性评估流程。研究结果表明：站台雨棚整体结构的损伤系数随服役时间近似呈线性增长；均匀锈蚀引起的几何削弱与材性退化对结构整体的损伤系数几乎相同；该分析流程可为高铁站台雨棚在大气锈蚀作用下的耐久性评估提供参考。

站台雨棚钢结构；耐久性评估；均匀锈蚀；临界失重率；损伤系数；有限元分析

钢结构以其轻质高强，易于施工，节能环保等优点，在高铁站台大跨度雨棚中广泛使用。然而站台雨棚钢结构的高度和跨度大且开敞通透，多处于露天或半露天环境，其在服役期内常面临锈蚀问题，严重影响结构承载性能，并降低结构的耐久 性[1]。目前关于既有钢结构在锈蚀作用下耐久性问题，主要围绕材料与构件层次展开。锈蚀钢材的材料力学性能研究方面，主要通过标准拉伸试验得到预测锈蚀钢材性能的经验公式。陈露[2]分析了不同锈蚀方法下钢材的力学性能，发现随着锈蚀率的增大，构件伸长率呈幂关系下降，屈服强度、极限强度呈线性下降。邱斌[3]采用室内加速锈蚀获得钢板试件，通过标准拉伸试验得出其屈服强度、极限强度随锈蚀率增大而线性减小。史炜洲等[4]通过对不同尺寸的钢板进行盐雾加速锈蚀试验，同时考虑有无涂层影响，建立了锈蚀钢材屈服强度、极限强度、伸长率的下降与失重率的关系式。锈蚀钢构件的承载性能研究方面，Nakai等[5]针对船舶加筋板的点蚀损伤，分别对天然锈蚀和人工凹坑模拟的构件进行力学试验，对比发现二者有着较好的相似性。Saad-Eldeen等[6]通过人工削弱截面来模拟桥梁工字钢的腹板锈蚀，研究了严重锈蚀箱梁的受弯承载力和抗弯刚度，建议通过修正应力应变曲线来考虑锈蚀的影响。姜绍飞等[7]和刘海龙等[8]分别对主要形式为均匀锈蚀的H型钢梁和桥梁钢箱梁构件的力学性能进行研究，并进行了可靠度分析。徐善华等[9]通过盐雾加速试验，研究了锈蚀对偏压钢柱承载力的影响，建议在役钢构件验算模型应同时考虑截面几何削弱和材料力学性能退化。综合上述研究发现：目前对于锈蚀钢材材料力学性能的研究已有较多的试验成果，可为实际工程的评估提供数据支撑；对于钢构件的承载性能研究，集中于围绕几何削弱的点蚀研究，以及围绕实验室人工加速的均匀锈蚀研究。而针对在役钢结构在大气锈蚀作用下的承载性能及耐久性评估鲜有报道，有待进一步的研究。并且，站台雨棚检修难度大，防腐涂层往往在服役几年后就面临大面积脱落的情况，因此如何对其进行合理的安全与耐久性评估成为各学者关注的热点。基于此，本文以高铁站台雨棚为研究对象，针对其在大气暴露条件下的均匀锈蚀，建立基于临界失重率的剩余承载力准则，同时考虑锈蚀钢构件的几何削弱及材性退化两方面因素，提出一种钢结构在锈蚀作用下的耐久性评估方法。最后，结合算例阐述结构耐久性分析流程。

1 站台雨棚钢结构耐久性评估方法

1.1 评估技术路线

基于锈蚀钢材的力学性能研究[2-4, 10-11]及角钢结构输电塔的耐久性评估[12-13]的研究，本文提出一个针对高铁站台雨棚钢结构在均匀锈蚀作用下的耐久性评估流程：1) 结合不同环境下的大气腐蚀模型来考虑锈蚀对构件的几何削弱效应，建立锈蚀钢结构有限元模型；2) 进行不同锈蚀率下的模型分析，得到构件的Mises应力比，并基于现有锈蚀钢材材性试验成果提出锈蚀钢材屈服应力比下降标准曲线(下文简称应力比标准曲线)；3) 根据Mises应力比、应力比标准曲线，从有限元单元层次进行强度分析，结合相关规范从构件层次进行稳定性校核，从而形成基于临界失重率的剩余承载力准则；4) 根据大气腐蚀模型确定各服役时期的构件失重率，由临界失重率计算各构件的损伤系数；5) 以各构件损伤系数作为耐久性指标，结合构件重要性分级与耐久性评估标准，计算整体结构在服役期间的损伤系数变化规律，从而实现站台雨棚钢结构的耐久性评估。评估技术路线如图1所示。

图1 站台雨棚钢结构耐久性评估示意

1.2 构件几何削弱

1.2.1 钢构件大气腐蚀模型

对于大气暴露下的钢结构均匀锈蚀，广泛采用幂函数模型进行锈蚀厚度预测[14]：

式中：是锈蚀厚度，mm；是暴露时间，a，和是常数。

梁彩凤等[15]对我国7个试验点17种钢的16 a大气腐蚀试验数据进行研究得到腐蚀参数与钢材化学成分、环境因素的关系：

式中，(0)和(0)为常数，()和()为影响因素的系数，()为影响因素的数量。根据服役钢结构成分、地域气候环境和污染因素，利用式(1)即可定量计算出钢构件在经大气腐蚀年的锈蚀厚度。

1.2.2 均匀锈蚀几何缺陷引入

锈蚀对于钢构件的几何缺陷主要指截面尺寸的削弱。均匀锈蚀的特征是锈蚀分布均匀且锈蚀厚度一致，在引入锈蚀缺陷的计算模型中通常采用失重率法[14]：

式中：为钢材的失重率；0和分别为锈蚀前后的质量。

既有钢结构，在不拆除构件的情况下无法直接得其质量，而构件几何特性可通过测量获得。因此可建立几何特性与失重率之间的关系推导出失重率表达式。当构件为等截面时，失重率可以表示为：

式中：0和1分别为锈蚀前后的面积。

对于站台雨棚钢结构常见闭口截面，钢材锈蚀厚度与失重率的关系式为：

钢管柱：

实腹箱梁：

式中：为钢管外径厚度；为箱梁截面宽度，为箱梁截面高度；t为钢管柱(实腹箱梁腹板)厚度；t为实腹箱梁翼缘厚度，单位均为mm。

通过以上各式根据失重率换算的平均锈蚀厚度建立构件计算模型。

1.3 构件材性退化—确定应力比标准曲线

为获取锈蚀钢材退化后的力学性能，工程上常采取现场开洞取样进行力学性能检测。然而对于高铁站台高大雨棚结构，开洞取样不仅施工难度大，还会对结构造成安全隐患，而标准拉伸试验为评估锈蚀对钢材力学性能的影响提供了更为直观便捷的方法。

表1 锈蚀钢材材料力学相关试验研究

由表1及相应研究可知：1) 对于锈蚀钢材，其材料力学性能与失重率基本呈线性退化关系，其中钢筋的退化系数均为10-2数量级，而钢板为10-1数量级；2) 锈蚀钢筋(板)的屈服应力比退化速率随初始强度、构件尺寸的减小而增大；3) 不同的模拟锈蚀加速试验所得结果存在一定的离散性。因此对于站台雨棚钢结构，可基于锈蚀钢板材料力学性能试验，分别从未锈蚀构件的初始强度、尺寸及试验锈蚀方式等方面进行比较分析，确定钢材屈服应力比标准曲线：

式中：为根据锈蚀钢材力学实验得到的退化系数，可根据实际工程情况选取，f和f分别为锈蚀和未锈蚀钢材的屈服强度；为钢材的失重率。

本文中，结合算例并基于史炜洲等[4]的实验，选择为0.985 2进行计算。

1.4 基于临界失重率的剩余承载力准则

随着锈蚀的发展，一方面构件失重率增大，结构剩余承载力逐渐降低并接近承载能力极限，故定义结构在该极限状态时的各构件失重率为临界失重率；另一方面，构件截面削弱致使结构位移相应增大，构件内力随之出现重分布，从而导致构件应力与截面损失率并非简单的线性关系。因此为确定结构承载能力极限及相应的临界失重率，利用数值模拟，将锈蚀缺陷参数化后得到不同工况下的有限元模型。根据各工况下的构件单元Mises应力比，结合应力比标准曲线，构建基于临界失重率的结构剩余承载力准则。然而在达到承载极限状态之前，结构可能因先发生失稳而破坏，所以下面分别围绕强度、稳定性2方面说明临界失重率的确定。

考虑在役雨棚钢结构所受荷载的基本组合包络值，通过Midas Gen有限元分析可得不同失重率下各结构单元的应力值f。对于f的确定，理论上应参考同批次未锈蚀钢材的屈服强度值，然而实际工程同批次零锈蚀率的对照试件往往难以获得，可参考《钢结构设计规范》3.4.1条取对应厚度钢板的强度值。根据不同失重率下的锈蚀缺陷信息，进一步获取各构件单元的一系列失重率-应力比散点。

以雨棚柱1号构件为例，分析一个构件单元的应力比与构件失重率的关系(图2)：利用多项式曲线拟合得该构件单元的应力比曲线。由拟合的应力比上升曲线和应力比下降标准曲线得二者的交点，该交点即表示锈蚀柱构件的该单元达到理论屈服强度f，对应的失重率为强度控制的临界失重率。该点左侧表示材料强度大于所受应力，构件单元有一定强度储备；右侧表示材料强度小于所受应力，构件单元屈服失效。

图2 雨棚柱构件失重率与Mises应力比关系

在考虑稳定问题时，包括整体稳定与局部稳定，分析时取二者对应临界值的较小值作为代表值。依据《钢结构设计规范》(GB50017—2017)的5.2.2和5.2.5条进行圆钢管、实腹式箱型截面构件的整体稳定性校核；依据4.3.2条进行组合梁的局部稳定校核。同时依据《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)的8.3.2和8.4.1-2条进行柱截面以及组合梁截面的局部稳定校核。由于整体稳定所对应的构件临界失重率依赖于结构不同失重率下的截面应力分布情况，无法直接得出。因此，结合Midas的钢构件验算功能，在确保构件未达整体稳定极限的同时，通过不同锈蚀程度下各构件的整体稳定系数的拟合，确定其整体稳定控制所对应的临界失重率。最终以强度和稳定控制的失重率的下限值作为结构各部位临界失重率。

1.5 构件分级与评估标准

根据构件在不同结构形式中的受力特点和重要程度，并基于传统的“强柱弱梁”的思想，将构件进行分级：1) I级构件，主要承受竖向及水平荷载的柱；2) II级构件，主要承受竖向荷载的梁；3) III级构件，围护等构件。并选择一榀作为基本单元进行整体结构安全评估。

定义构件的损伤系数：

式中：为损伤系数；为服役某时期失重率；为临界失重率。

Ⅰ级构件：

式中：1i为该单元第个Ⅰ级构件的损伤系数。

Ⅱ级构件：

式中：2为该单元Ⅱ级构件总数；2i为该单元第个Ⅱ级构件的加权系数；2i为本单元第个Ⅱ级构件的损伤系数。

Ⅲ级构件：

式中：3为该单元Ⅲ级构件总数；3i为本单元第个Ⅲ级构件的损伤系数。

考虑到不同单元之间的差异，定义第单元的损伤系数：

站台雨棚作为铁路交通运输中的重要组成部分，任何一个基本单元出现问题都可能对旅客及列车行车安全造成威胁，因此采用极值控制整体结构损伤系数：

2 算例

2.1 结构概况

根据实地调研选择某沿海城市高铁车站为研究对象，结构安全等级为二级、抗震设防类别为丙类，设计使用年限为50 a。目前该车站服役不到10 a，地处高湿、高盐雾环境，钢结构锈蚀问题严重。站台雨棚为拱形门式刚架类型，柱为钢管柱，横向采用拱形实腹箱梁连接形成一榀框架。各跨柱顶高度为14.8 m，跨中高度为18.4 m，中间跨度为43 m。钢材牌号为Q235，截面几何尺寸见表2。整体结构模型如图3所示。

表2 构件截面几何尺寸

图3 某车站站台雨棚整体模型

2.2 有限元模型及分析

对于该平面结构，选择中间一榀框架，采用Midas Gen有限元梁单元建模。模型共划分为30个有限元单元进行强度分析。边界条件为一般支承，梁柱节点为刚接。梁端左侧为变截面实腹式箱梁，右侧为等截面；柱为钢管柱，柱顶因为涉及削角，采用实腹箱型截面建模。由于不同的材料、不同的截面或单元坐标轴方向不同的单元不能被指定为一个构件，因此模型共分为6个构件进行稳定分析，如图4(a)所示。未锈蚀时的结构应力分布如图4(b)所示。

模型荷载根据实际结构情况输入9种荷载工况：恒载、活载、升温、降温、风压、风吸、风半压半吸、横向水平风、纵向水平风，并取各荷载作用基本组合包络值。

以各构件的平均厚度为基准，在厚度锈蚀率分别为0，0.04，0.08，0.12，0.16，0.20，0.24，0.28和0.32 9种模型工况下分别计算30个有限元单元的应力比，得到各构件对应不同失重率下的应力比散点。根据各工况计算结果，利用Matlab进行多项式曲线拟合，拟合相关系数2均大于0.99，最终确定30个有限元单元强度控制的临界失重率。

由于随失重率的增加，钢构件可能先遭受稳定破坏，此时的应力比上升曲线与应力比标准曲线交点将成为无效点，相应的应力比散点在拟合时需做删除处理，具体表现为单元层次的应力比散点均需分布于对应该构件稳定控制的临界失重率左侧(如图5所示)。结合1.4节所涉及规范从构件层次进行稳定分析，对各构件进行高厚比、宽厚比校核，整体稳定验算系数通过各工况分析结果拟合确定，从而最终得出6个构件稳定控制的临界失重率(图5虚线所示)。其中，构件2，3和5由于组成单元较少，几乎不存在稳定问题，临界对应的是强度破坏。

2.3 计算结果与参数分析

经整理，将由强度控制的有限元单元和由稳定控制的构件所拟合的曲线绘制如图5所示。

(a) 模型构件分布及单元划分；(b) 未锈蚀结构应力分布

(a) 构件1；(b) 构件2；(c) 构件3；(e) 构件4；(f) 构件5；(g) 构件6

1) 大气腐蚀模型的确定

对于气候环境和污染因素，限于中国7个大气腐蚀试验站点覆盖城市区域的不完整性，为便于计算，可根据文献[15]选择同属于海洋气候环境的琼海作为参考；对于服役钢结构成分，结合该文献中Table 1，选择与算例钢结构成分相近的5号钢；对于大气腐蚀模型参数和的确定，参考该文献中的图3和图4；进而得到该地区大气腐蚀模型=0.023×1.13。将锈蚀厚度代入式(5)和式(6)，计算各构件各时期的失重率。

2) 临界失重率的确定

根据图6，将各构件在极限承载能力状态下的临界失重率、对应厚度及50 a服役期后的损伤系数整理如表3所示。

3) 结构耐久性指标(损伤系数)

本文主要为了说明评估的流程，同时限于计算量和篇幅，此处仅以算例中的一榀框架为例进行说明，此时的整体结构分析大为简化。构件分级仅涉及到Ⅰ、Ⅱ级构件，整体结构只需要对一榀框架进行分析。经计算，Ⅰ级构件损伤系数为0.729，Ⅱ级构件为0.406，按照1.5节评估标准得一榀框架整体损伤系数为0.729。通过计算不同服役期时的损伤系数，得出同时考虑构件几何削弱和材性退化情况下的结构损伤系数增长曲线。

4) 几何削弱和材性退化的影响

分别考虑仅有几何削弱和仅有材性退化的情况作为对比。其中，当仅考虑几何削弱时，应力比标准曲线将变为常数1；当仅考虑材性退化时，随锈蚀的发展将无需考虑稳定问题，而仅需考虑强度的退化。此时只需结合式(1)，(5)和(6)，将应力比标准曲线公式(7)转换为随时间变化的公式。按照与式(8)中损伤系数定义相同的原则(即“服役状态/临界状态”)，此时损伤系数为：=(f-f)/(f-f0)，其中，f0为未锈蚀构件初始服役状态下的Mises应力。

最后将3种情况下结构的损伤系数变化曲线绘制如下(图6)：随着服役时间的增长，站台雨棚钢结构的锈蚀损伤系数基本呈线性增加。仅考虑锈蚀引起的构件几何削弱，或者仅考虑材性退化时，结构的损伤系数增长速率几乎相同，且在服役期结束时的损伤系数均为0.420左右。

表3 一榀框架主构件临界失重率

图6 整体结构损伤系数

3 结论

1) 站台雨棚整体结构的损伤系数随服役时间近似呈线性增长。

2) 均匀锈蚀引起的几何削弱与材性退化对结构整体的损伤系数几乎相同。

3) 通过该分析流程可分析结构在各服役时期的损伤系数，同时为高铁站台雨棚在大气锈蚀作用下的耐久性评估提供参考。

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Durability evaluation of steel structure of platform canopy under corrosion

YANG Na1, LIU Wei1, BAI Fan1, QIN Shujie1, YU Yang2

(1. School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China; 2. Architectural Design and Research Institute, China Railway Design Corporation, Tianjin 300142, China)

A new evaluation method was proposed for the durability of corrosion steel structures considering the geometric weakening and material degradation impacts. A finite element model was also established by employing rust defect analysis. The standard curve of the residual bearing capacity of the structure was obtained by the yield curve of the rusted steel. Based on the evaluation method, the critical weight loss rate of the member was calculated iteratively. Thereby the damage coefficient (durability index) of the member was determined. Finally, a numerical case was given to illustrate the procedure of durability assessment. The steel structure of the platform canopy under uniform atmospheric corrosion was also provided. The results show that the damage coefficient of the overall structure of the platform canopy increases linearly with the service time. It can be also found that the damage coefficients of geometric weakening and material degradation caused by uniform corrosion on the whole structure are almost the same. The analysis process can provide a reference for the durability evaluation of the high-speed rail platform canopy under atmospheric corrosion.

steel structure of the platform canopy; durability assessment; uniform corrosion; critical weight loss rate; damage coefficient; finite element analysis

10.19713/j.cnki.43-1423/u.T20190230

TU391；TU392.5

A

1672 - 7029(2020)01 - 0181 - 08

2019-03-27

中国铁路总公司科技研究开发计划重点课题(2017G002-O)；国家自然科学基金面上项目(51778045)

杨娜(1974-)，女，辽宁大连人，教授，博士，从事钢结构和古建筑研究工作；E-mail：nyang@bjtu.edu.cn

(编辑 涂鹏)