钢结构应力腐蚀对承载力的影响分析

第３４卷第１６期　Ｖｏ１．３４　Ｎｏ．１６　２　０　０　８年６月　山　西　建　筑　ＳＨＡＮＸＩ　ＡＲＣＨＩＴＥＣＦＵｔ￣　Ｊｕｎ．２００８　・７９・　文章编号：１００９—６８２５（２００８ｊ１６—００７９—０２　钢结构应力腐蚀对承载力的影响分析　黄　欣　摘　要：在介绍应力腐蚀相关概念的基础上，重点论述了钢结构应力腐蚀对承载力的影响，并给出了应力腐蚀断裂的可　能性判断依据，以促进钢结构应力腐蚀的研究发展，防止钢结构应力腐蚀的发生。　关键词：钢结构，应力腐蚀，承载力　中图分类号：ＴＵ３１２．１　文献标识码：Ａ　０　引言　图１）。　金属与周围环境之间发生化学或电化学作用而引起的变质　裂纹　和破坏称为金属腐蚀。　羔堡：　圈譬蠲■　拉应力　金属会发生腐蚀这一现象早在人类一开始使用金属时就已　＠断面　ａ）应力腐蚀断裂　发现。古希腊历史学家Ｈｅｒｏｄｔｕｓ和古罗马自然科学家Ｐｌｉｎｉｕｓ在　公元前已提出用锡来防止铁的腐蚀。我国商代就已经用锡来改　拉应力　善铜的耐蚀性而出现了锡青铜。１８世纪以来由于工业的迅速发　④断面　展，为金属材料的出现创造了条件。　ｂ）８１￣应力腐蚀断裂　Ｋｅｉｒ在１７９０年详细论述了铁在硝酸中的钝化，从此研究金　图１　钢丝应力腐蚀断裂与通常断裂的不同特征　属在各种介质中破坏的科学才活跃起来。Ｈｏｌｌ在１８１９年证明铁　应力腐蚀破裂大致可分为３个阶段：　在没有氧的情况下是不会生锈的。　１）潜伏诱导阶段：逐渐形成具备腐蚀环境和表面产生裂纹的　腐蚀往往会引起灾难性的后果。金属腐蚀不仅给国民经济　条件，即应力腐蚀开始前的一段“引发”过程；　带来巨大损失，还常常危及人身安全和引起环境污染问题。　２）裂纹扩展期：裂纹出现后，在裂纹的尖端进行电化学反应，　１　应力腐蚀的相关概念及危害　其结果使裂纹沿尖端方向发展，此阶段电化学腐蚀对于裂纹的扩　１．１　定义　展起着主导作用；　应力腐蚀，也称应力腐蚀断裂（ＳＣＣ），是指受应力的材料在特　３）失效阶段：裂纹继续发展直至断裂发生，此阶段裂纹的扩　定环境下产生滞后裂纹，甚至发生滞后断裂的现象。不论是韧性　展是应力起着主导作用。　材料还是脆性材料都可能发生应力腐蚀断裂。　因此，使金属表面保持良好状态，对于防止和减缓应力腐蚀　１．２机理　破裂的发生是极其重要的。　应力腐蚀破裂的机理可能有多种解释。以下是简单通俗的　１．３产生应力腐蚀的条件　说法：如一根钢丝在拉应力下，表面可能产生微小裂纹，而腐蚀介　１）应力作用特别是拉应力作用更易引起应力腐蚀。这种应　质（如氯离子）进入裂纹促进腐蚀的发展，在裂纹周围、裂纹深处，　力可以是外加载荷引起的，也可以是各种残余应力。不存在应力　可能形成多种形式的腐蚀电池，加速裂纹的开展和深向发展，而　时腐蚀非常轻微，当应力超过某一临界值后金属会在腐蚀不严重　应力尤其是拉应力的存在，无疑会促进裂纹的进一步开裂。两种　的情况下发生脆裂。　作用的交替、叠加，最终会导致断裂。　２）特定的腐蚀介质。产生应力腐蚀的介质一般都是特定的，　应力与腐蚀的共同作用使裂纹深向迅速发展，使钢丝的截面　也就是说，某种材料只对某些介质敏感，而这种介质对其他材料　迅速缩小（单位截面应力加大），当达到极限抗拉强度时便发生断　可能没有明显作用。　裂。断裂时缩颈很小或没有缩颈发生。而不受应力的钢丝，在拉　３）敏感材料。一般只有合金才产生应力腐蚀，纯金属不会产　断之前，先有一个缩颈过程（达到屈服强度），而后才断裂。因此，　生这种现象。　从断口的特征可以区分是应力腐蚀破坏还是一般腐蚀破坏（见　１．４应力腐蚀的特征　Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ　ｔｈｅ　ｓｅｉｓｍｉｃ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｆｒａｍｅ　ｐｌｕｓ　ａ　ｓｍａｌｌ　ａｍｏｕｎｔ　ｓｈｅａｒ　ｗａｌｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ＷＡＮＧＨｏｎｇ－ｘｉａ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｒｏｕｇｈ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｆｒａｍｅ　ｐｌｕｓ　ａ　ｓｍａｌｌ　ａｍｏｕｎｔ　ｓｈｅａｒ　ｗａｌｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ａｎｇｌｅ　ｏｆ　ｆｌｏｏｒ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ，ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ａｎｇｌｅ　ｏｆ　ｆｌｏｒ　ｄｉｓｐｌａｃｅ—　ｍｅｎｔ　ｓｈｏｕｌｄ　ａｄｏｐｔ　ｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｖａｌｕｅ，ｔｈｅ　ｓｈｅａｒ　ｗａｌｌ　ｂｅａｒｉｎｇ　ｓｅｉｓｍｉｃ　ｏｖｅｒｔｕｒｎｉｎｇ　ｍｏｍｅｎｔ，ｗｈｉｃｈ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｓｅｉｓｍｉｃ　ｄｅ—　ｓｉｇｎ　ｏｆ　ｆｒａｍｅ－ｓｈｅａｒ　ｗａｌｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｆｒａｍｉｎｇ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｓｈｅａｒ　ｗａｌｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，ｆｒａｍｅ—ｓｈｅａｒ　ｗａｌｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ａｎｇｌｅ　ｏｆ　ｆｌｏｒ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　收稿Ｅｔ期：２００８—０２—１９　作者简介：黄欣（１９８０一），男，助理工程师，山西省建筑科学研究院，山西太原０３０００１　维普资讯 http://www.cqvip.com ・８Ｏ・　第３４卷第１６期　２　０　０　８年６月　山　西　建　筑　１）只有存在应力（特别是拉应力）时，才能产生应力腐蚀裂　纹。通常认为，只有拉应力才能引起ＳＣＣ，而压应力反而可以降　低应力腐蚀趋势。但是，姚京等人的研究结果表明，压应力在某　些情况下也可以产生应力腐蚀裂纹；　２）应力腐蚀断裂是一种与时间有关的滞后破坏；　３）应力腐蚀断裂是一种低应力脆性断裂；　４）裂纹走向宏观上与主拉伸应力的方向垂直，腐蚀裂缝的纵　深比其宽度要大几个数量级；　５）应力腐蚀裂纹形态有晶间型、穿晶型和混合型，由具体合　金——环境体系而定。　ａ——Ｋ，　√苫　（４）　Ｑ＝　一０．２１２（￣）‘　式中：ｄ——工作应力；　裂纹尺寸；　（５）　Ｑ——缺陷形状参数；　Ｍ——表面影响因子；　）——椭圆积分。　当结构缺陷未知时，按美国ＡＳＩＴＩｅ规范，假定结构上存在有一　个最大缺陷，此缺陷垂直于最大应力方向，为尖锐表面缺陷。　２）如果结构经无损探伤，其缺陷尺寸ａ，ｚ为已知时，可根据　１．５应力腐蚀的危害　应力腐蚀开裂是危害最大的局部腐蚀破坏形态之一，材料可　以在没有明显预兆的情况下几分钟内破裂。ＳＣＣ是一种“灾难性　公式　：　求临界裂纹尺寸ａｃ，当　＜　时，则结构可以　１．Ｚ盯。７ｃ　的腐蚀”，例如飞机失事、桥梁断裂、油气管的爆炸等造成了巨大　安全使用；当ａ≥　时，则结构会发生断裂。　的生命和财产损失。据美国杜邦公司统计，１９６８年～１９６９年在　３）描述应力腐蚀最重要的一个力学性能指标就是Ｋｌｓｃｃ，即　全部设备腐蚀破坏事故中ＳＣＣ占２１．６％。另外，据联邦德国一　应力腐蚀临界应力强度因子。　家大化工厂统计，１９６８年～１９７２年间，在全部设备腐蚀破坏事故　应力腐蚀裂纹在发展过程中极易分叉扩展，呈树枝状裂纹。　中ＳＣＣ超过总数的１／４。　当Ｋ，＜Ｋｌｓ（￣－时，不会发生应力腐蚀裂纹扩展。当Ｋ，＞Ｋ￣ｓｃｃ时，　２应力腐蚀对承载力的影响分析　２．１　应力腐蚀构件对承载力的影响　、　则会发生应力腐蚀裂纹扩展。当Ｋ，增大到材料的临界应力强度　因子（Ｋ　）时裂纹会断裂。　下面以轴心受力构件为例，说明应力腐蚀对承载力的影响。　３结论及建议　据ＧＢ　５００１７—２００３钢结构设计规范轴心受力构件承载力表达式　３．１　结论　如下：　１）轴拉和轴压构件强度表达式：　ｒ　１）钢结构应力腐蚀对承载力影响很大，往往导致无先兆的脆　性破坏。　（１）　ｄ＝ｘ　－≤厂　ｎ”　２）对钢结构而言，应采取措施控制应力腐蚀的发生。　２）实腹式轴压构件稳定性表达式：　ｒ　３．２建议　１）在该领域应重点研究临界值ＫＪ　，应力腐蚀裂纹扩展速　（２）　≤厂　Ｈ　率ｄａ／ｄｒ以及如何防止应力腐蚀。　２）钢结构建筑的设计、施工、使用、管理及维护人员，应该了　解和重视发生应力腐蚀破坏的可能，采取相应措施，防止、避免应　应力腐蚀使构件和节点表面出现裂纹，形成应力集中源，导　致应力分布不均匀，增大了脆性破坏的可能性。　　对强度而言，应力腐蚀导致构件净截面削弱，荷载作用下应　力腐蚀的发生。力增大，有可能超过钢材的强度设计值。特别是对于拉应力作用　参考文献：　的构件，腐蚀和拉应力的共同叠加作用，往往会导致构件出现脆　［１］乔利杰．应力腐蚀机理［Ｍ］．北京：科学出版社，１９９３．　裂；对稳定性而言，应力腐蚀对　，Ａ的共同影响会导致受压构件　［２］　洪乃丰．钢铁腐蚀与钢结构防护系列问答（４）［Ｊ］．钢结构，　出现屈曲破坏。　２００４，１９（２）：４０—４１．　２．２应力腐蚀断裂的可能性判断依据　１）在设计应力腐蚀条件下的钢结构时，必须使其强度因子Ｋ　满足下式要求：　ｎＫｌ＜Ｋｌｓｃｃ　（３）　［３］赵文珍、金属材料表面新技术［Ｍ］．西安：西安交通大学出　版社，１９９５．　［４］黄永昌．金属腐蚀与防护原理［Ｍ］．上海：上海交通大学出　版社．１９８９．　式中：Ｋ，——应力强度因子；　［５］　范文理，薛艾．腐蚀气氛下管型钢屋架结构承栽力可靠性　评定［Ｊ］．西安交通大学学报，１９９４，２９（４）：３０—３１．　ＫＪ　——应力腐蚀条件下的Ｋ　；　——安全系数。　Ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｓｔｅｅｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ’Ｓ　ＳＣＣ　ｆｏｒ　ｌｏａｄ－ｃａｒｒｙｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ＨＵＡＮＧＸｉｎ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ　ｃｏｎｃｅｐｔ　ｏｆ　ＳＣＣ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｍａｉｎｌｙ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ　ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ＳＣＣ　ｆｏｒ　ｌｏａｄ—ｃａｒｒｙｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ，ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ｇｉｖｅｓ　ｔｈｅ　ｃｒｉｔｅｒｉａ　ｏｆ　ＳＣＣ’Ｓ　ｐｏｓｓｉｂｉｌｉｔｙ，ＳＯ　ａｓ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｒｅａｒｃｈｅｒ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｓｔｅｅｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　Ｓ（、Ｃ，ｉｔ　ｃａｎ　ｐｒｏｒｅｎｔ　ｔｈｅ　ｈａｐｐｅｎ　ｏｆ　ｓｔｅｅｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ＳＣＣ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｔｅｅｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．ＳＣＣ．１ａｄ—ｃａｒｒｙｉｏｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ