徐善華 夏 敏 董黎明

(西安建筑科技大學土木工程學院，西安 710055)

近年來，由于鋼產(chǎn)量的增加和鋼結構設計理論的發(fā)展，鋼結構建筑工程數(shù)量日益增多。然而，鋼結構的耐久性較差，許多長期處于腐蝕環(huán)境下的鋼結構工程出現(xiàn)了耐久性不足的問題，造成了工程安全和國民經(jīng)濟方面極大的損失和危害［1］，因此建立合理的耐久性評價體系對既有鋼結構耐久性的設計、評價和日常維護具有重要意義。

鋼結構耐久性面臨的主要問題是大氣腐蝕，大氣腐蝕分為鄉(xiāng)村大氣腐蝕、海洋大氣腐蝕和工業(yè)大氣腐蝕等［2］。工業(yè)大氣中主要的腐蝕性氣體有SO2、H2S和NOx等，且不同的工業(yè)生產(chǎn)活動要求的環(huán)境條件和產(chǎn)生的大氣污染物組分各不相同，導致工業(yè)建筑結構耐久性損傷具有明顯的區(qū)域特征。

腐蝕引起的涂層失效、材料截面減小和力學性能退化造成鋼結構耐久性損傷，目前，已經(jīng)有學者開展了相關研究并取得了一定成果：耿剛強等將灰色理論引入到橋梁防腐蝕涂層的失效研究中，建立了涂層腐蝕坑剝落的面積隨時間變化的模型，并在此基礎上推導出橋梁防腐蝕涂層壽命的一般預測公式［3］。尹英杰通過測得不同腐蝕時間的涂層的腐蝕電化學參數(shù)來表征其表面腐蝕程度，再對相應的腐蝕試件進行單向拉伸試驗，建立鋼材力學性能退化與鋼材表面涂層腐蝕程度的量化關系［4］。文獻［5］通過對四種不同腐蝕環(huán)境下的鋼板進行拉伸試驗，研究了銹蝕鋼材各項力學指標的退化規(guī)律;文獻［6］對不同點蝕因子下槽鋼梁受彎承載力進行研究，發(fā)現(xiàn)腐蝕造成的表面銹坑導致不同程度的應力集中，從而降低了結構受彎承載力。

同時，環(huán)境因素對結構的耐久性也有較大影響，這是由于不同環(huán)境條件下腐蝕性介質(zhì)的種類、含量不同，對材料的腐蝕行為和影響程度也不同。然而傳統(tǒng)的鋼結構耐久性評價方法僅考慮涂層質(zhì)量和腐蝕程度兩方面，卻忽略環(huán)境因素的作用，這顯然是不夠全面的。

本文以鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)實際為背景，首先調(diào)查分析武鋼第二煉鋼廠鋼結構廠房的耐久性現(xiàn)狀和環(huán)境條件，深入分析工業(yè)大氣環(huán)境中的腐蝕因素，再利用層次分析法［7］建立因素的層次結構模型并計算各因素的權重，最后依據(jù)模糊綜合評價方法建立鋼結構耐久性模糊綜合評價體系。

1 鋼鐵工業(yè)的大氣環(huán)境特點分析

鋼鐵工業(yè)的生產(chǎn)過程工藝路線長，生產(chǎn)工序多，排放大量有害氣體、廢水及工業(yè)廢渣。廠房內(nèi)環(huán)境濕度較高，鋼結構表面沉積的吸潮性污染物使其容易形成潮氣薄膜，發(fā)生材料腐蝕。

綜合現(xiàn)行GB/T 15957—1995《大氣環(huán)境腐蝕性分類》和GB 50046—2008《工業(yè)建筑防腐蝕設計規(guī)范》［8-9］中工業(yè)大氣環(huán)境下對建筑鋼結構的主要腐蝕性氣態(tài)介質(zhì)的控制要求，總結鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)過程中各分廠的工業(yè)大氣環(huán)境特征和典型腐蝕性氣體，如表1所示。

表1 鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)過程中各廠房的環(huán)境特征Table 1 Environmental characteristics of various plants in the production process of the steel industry

圖1 日平均溫度Fig.1 Daily average temperature

圖2 日平均濕度Fig.2 Daily average humidity

由表1可知：在工業(yè)大氣環(huán)境下，鋼結構耐久性主要受溫度、濕度、SO2、NOx影響，并且大量的 SO2、NOx氣體排入大氣，會加大酸雨形成的可能，加劇對鋼結構的腐蝕危害。軋鋼廠及金屬制品廠、鐵合金廠均有對鋼結構腐蝕影響很大的Cl-排放，故工業(yè)大氣環(huán)境下HCl濃度也應著重考慮。以武鋼第二煉鋼廠澆鑄跨、接受跨為例，進行工業(yè)大氣環(huán)境下建筑鋼結構耐久性現(xiàn)狀調(diào)查與檢測，分析鋼鐵工業(yè)大氣環(huán)境的腐蝕因素。

1.1 環(huán)境信息調(diào)查

參考表1，對廠房內(nèi)部溫度、濕度、主要腐蝕性氣體SO2、NOx濃度進行檢測，并查閱當?shù)貧庀筚Y料得到雨水pH值均值為6.28。

廠房內(nèi)部懸掛溫濕度自動記錄儀，監(jiān)測8月13日至10月27日共76天的溫、濕度數(shù)據(jù)，處理后繪制溫度日平均圖、濕度日平均圖，見圖1、圖2所示。經(jīng)計算：廠房內(nèi)溫度平均值為34.35℃，并篩選出濕度大于55%的時間為110 h。

由于接受跨、澆鑄跨溫、濕度均偏高，日平均溫度最高達到45℃，日平均濕度最高達到58%，廠房局部會出現(xiàn)高溫、高濕環(huán)境，對鋼結構耐久性不利。實際生產(chǎn)中，鐵水預處理脫硫工藝、轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝脫硫均會排放SO2氣體?？諝庵械腘2在高溫狀態(tài)下氧化生成NOx，燃料中含氮化物在燃燒過程中部分氧化生成NOx。采用移動式氣體檢測儀，對廠房內(nèi)部 SO2、HCl、NOx氣體進行檢測，結果列入表 2。該環(huán)境中 SO2濃度均值為1.3 mg/m3，局部極值達到5.4 mg/m3;NOx濃度均值為 0.64 mg/m3，局部極值達到1.12 mg/m3。隨著環(huán)境濕度升高，鋼結構表面出現(xiàn)結露，腐蝕性氣體遇結露水珠溶解并發(fā)生反應，使結露水珠變成富含腐蝕性介質(zhì)的小液珠，對鋼結構產(chǎn)生腐蝕和涂層破壞。同時，腐蝕性介質(zhì)結合環(huán)境中的水蒸氣，形成微小液珠，彌散在環(huán)境中，進一步破壞涂層，腐蝕鋼結構。

表2 廠房內(nèi)環(huán)境腐蝕性介質(zhì)調(diào)查結果Table 2 Survey results of environmental corrosive media in the plant mg/m3

1.2 涂層質(zhì)量及腐蝕情況調(diào)查

依據(jù)GB 51008—2016《高聳與復雜鋼結構檢測與鑒定技術標準》［10］中的相關規(guī)定，對鋼構件涂層質(zhì)量及腐蝕情況進行調(diào)查檢測。

對澆鑄跨和接受跨排架柱進行涂層外觀完整度觀察檢測。在不同軸線位置的鋼柱上分別布置共計51個測點，檢測鋼結構涂層外觀完整度，檢測統(tǒng)計結果如表3所示。結果顯示：涂層完整度綜合等級為4.78，外觀完整度為73%。說明涂層已有中等程度的劣化，保護功能下降。

表3 涂層外觀完整度檢測結果Table 3 Coating appearence integrity test results

用涂層厚度儀對鋼材涂層厚度進行抽樣檢測，每個構件檢測5處，每處以三個相距不小于50 mm的測點的平均值作為該處涂層厚度的代表值。根據(jù)現(xiàn)場檢測條件，抽取15個工字型鋼柱進行檢測，計算得到平均涂層厚度為156 μm，涂層厚度檢測結果如圖3所示。

圖3 涂層厚度實測平均值Fig.3 Coating thickness test result

根據(jù)GB/T 50621—2010《鋼結構現(xiàn)場檢測技術標準》［11］，采用超聲波測厚儀在構件的3個不同部位進行厚度檢測，并取3處測試值的平均值作為鋼材的代表值。抽取10根工字型鋼柱進行檢測，統(tǒng)計平均腐蝕程度為12%，檢測結果如圖4所示(腐蝕相對深度為構件腐蝕深度占鋼材厚度的百分比)。

圖4 鋼材腐蝕程度檢測結果Fig.4 Steel corrosion degree test result

調(diào)查結果顯示：廠房內(nèi)部環(huán)境溫、濕度較高，并伴有局部高溫、高濕，屬典型工業(yè)大氣環(huán)境，腐蝕性較強。由于煉鋼工藝的脫硫工藝排放大量SO2，環(huán)境腐蝕性氣體以 SO2為主，NOx氣體濃度也較高，容易造成廠房內(nèi)大量鋼結構腐蝕，影響鋼結構耐久性。

2 鋼結構耐久性模糊綜合評判

2.1 基本思路

首先確定影響評價結果的各項因素，建立因素集 U={U1，U2，…，Un}，并根據(jù)評價對象的特點，建立由m個評價結果組成的評價集V={v1，v2，…，vm}。然后對各因素分配權值，形成權重集A=(a1，a2，…，an)。構造單因素評價矩陣 R=(rij)n×m，將權重集A與單因素模糊評價矩陣R合成，得到模糊綜合評價B=AoR。式中，“o”代表模糊合成算子，本文選用加權平均型，即 M(×，+)［12］。最后選擇合適的貼近度方法對評價向量B確定評價等級。

2.1.1 用層次分析法確定權重

層次分析法是一種將定性與定量分析相結合的多目標決策方法，可以將復雜的問題拆分為若干層次和若干因素，對兩兩指標間的重要程度作出判斷［13］，通過建立判斷矩陣，計算其最大特征值以及對應特征向量，得出方案重要性的權重。具體步驟為：1)建立層次結構模型，形成一個由上至下存在支配關系的遞進層次。2)構造比較判別矩陣，采用Satty提出的1～9比率標度法［13］，將同一準則下兩個元素的相對重要性進行比較。3)計算各指標權重，根據(jù)比較判別矩陣，求解判斷矩陣A的特征根問題AW=λmaxW。其中，λmax是A的最大特征根，W是相應的特征向量，所得到的W經(jīng)歸一化后可以作為權重向量。4)對判斷矩陣進行一致性檢驗。

2.1.2 構造單因素評價矩陣

單因素評價矩陣R=(rij)n×m，其中的元素rij表示第i個因素對評價集中第j個元素的隸屬度，在研究實際問題時，經(jīng)常會用一些常見的分布型函數(shù)作為隸屬度函數(shù)來近似表達一些模糊集合，本文中選用梯形分布確定隸屬度［12］。

2.1.3 非對稱貼近度法

為了確定評價等級，通常采用最大隸屬度原則的方法，即僅考慮最大評價指標的貢獻，舍去其他指標所提供的信息。然而當最大的評價指標不止一個時，用最大隸屬度原則便很難決定具體的評價結果。為防止評判失誤，本文采用非對稱貼近度法確定等級。首先對評價結果B進行標準化處理，再按非對稱貼近度［14］進行評價：

式中：μ(vk)為評定向量中隸屬于vk的隸屬度。

2.2 具體實現(xiàn)過程

2.2.1 建立因素集、評價集

通過對影響鋼結構耐久性因素的分析，利用層次分析方法，將鋼結構的耐久性U作為目的層，將環(huán)境條件U1、涂層質(zhì)量 U2、腐蝕程度 U3作為準則層，各影響因素ui作為評價指標層，建立影響鋼結構耐久性評價的二級模糊綜合評價體系，如圖5所示。

圖5 鋼結構耐久性模糊綜合評價指標體系Fig.5 Fuzzy comprehensive evaluation index system for steel structure durability

評價集包含五個評價結果，即 V={v1，v2，v3，v4，v5}，對應為：優(yōu)、良、中、差、劣五種評價等級，每一評價等級的定義列入表4。考慮到鋼鐵工業(yè)大氣環(huán)境腐蝕性強的實際情況，參考文獻［8-9］中的腐蝕等級分類方法，建立耐久性等級劃分表，如表5所示。其中，濕度 u2指環(huán)境濕度大于55%的所有時間，單位為小時;腐蝕程度為鋼結構原厚度，t為鋼結構腐蝕后1厚度。

表4 評價等級定義Table 4 Evaluation level definition

表5 鋼結構耐久性等級劃分Table 5 Steel structure durability classification

2.2.2 構造比較判斷矩陣并計算權重

分析各因素影響鋼結構耐久性的相對重要程度，咨詢有關專家，按比率標度法得到U1={u1，u2，u3，u4，u5，u6}的判斷矩陣：

計算其最大特征值與相應特征向量得到權重向量為：

對于因素集涂層質(zhì)量 U2而言，其子因素較少，用層次分析方法計算權重結果并不理想?？紤]到涂層完整度不足會直接導致暴露在腐蝕環(huán)境中的鋼結構被腐蝕，且腐蝕氣體易由鋼結構涂層剝落處侵蝕到尚有涂層覆蓋的鋼結構基面，導致尚有涂層覆蓋的鋼結構腐蝕，造成涂層剝落處周圍涂層的“鼓泡”，進而導致涂層剝落擴大，加速涂層質(zhì)量劣化。參考專家意見，賦予涂層完整度較大權重，給出 U2中元素的權重 WU2=(0.6，0.4)T。因素集腐蝕程度 U3中只包含一個元素，即權重WU3=1。

環(huán)境腐蝕性強、涂層質(zhì)量差都會導致腐蝕速率快、腐蝕程度高，影響鋼結構耐久性，屬于長效機制，對鋼結構耐久性起間接作用。而鋼結構腐蝕程度則直接影響鋼結構耐久性，為決定性因素。故對鋼結構腐蝕程度權重分配0.4，環(huán)境條件、涂層質(zhì)量均分配 0.3，即 WU=(0.3，0.3，0.4)T。

2.2.3 模糊綜合評判

基于已有的檢測數(shù)據(jù)，按照前文論述的方法，易得因素集：

代入隸屬函數(shù)中求出各因素對各評價結果的隸屬度，分別形成單因素評定矩陣：

根據(jù)最大隸屬度原則，確定各因素的評定結果，如表6所示。可見，影響該廠房耐久性的主要因素是腐蝕程度和涂層質(zhì)量，環(huán)境條件屬良。

表6 二級綜合評定內(nèi)容及結果Table 6 Secondary comprehensive assessment content and results

類似地，得到一級評定矩陣為：

對應的權重向量為：WU=(0.3，0.3，0.4)。

則一級綜合評定向量為：B=AoR=(0.093，0.168 ，0.317 ，0.422 ，0)，按照最大隸屬度原則，以評定向量中最大指標對應的等級作為評定結果，此評定結果為差。

為了避免誤判，使用非對稱貼近度法，先對B進行標準化處理，再按照公式(1)，取P=1計算非對稱貼近度N(B，Bi)，從而確定評價等級，如表7所示。

表7 非對稱貼近度評價結果Table 7 Asymmetric closeness evaluation result

分析評價結果，依照最大隸屬度原則，耐久性評價為差(B=0.422)，考慮評價向量中每個元素對最終評價結果的貢獻，采用非對稱貼近度法，得到該工程的耐久性評定為中等偏差。

3 結束語

1)結合鋼鐵工業(yè)的生產(chǎn)流程及工藝特點，對不同工藝廠房的環(huán)境特征進行分析，得到鋼鐵企業(yè)中不同工藝廠房的工業(yè)大氣環(huán)境特征和主要腐蝕因素。

2)以武鋼第二煉鋼廠接受跨、澆鑄跨為例，分析得出典型工業(yè)大氣環(huán)境中影響鋼結構耐久性主要因素：溫度、濕度、SO2濃度、HCl濃度、NOx濃度及雨水pH值。

3)引入環(huán)境因素作為工業(yè)大氣環(huán)境建筑鋼結構耐久性的評價指標，利用層次分析法和模糊數(shù)學理論，建立了鋼結構耐久性的二級綜合評價體系。為了避免最大隸屬度原則造成誤判，使用非對稱貼近度作為補充原則確定評價等級。

·信 息·

由東南大學、中國工程建設標準化協(xié)會輕型鋼結構委員會、江蘇省建筑鋼結構混凝土協(xié)會主辦，上海東閣實業(yè)有限公司、江蘇省建筑鋼結構混凝土協(xié)會鋼結構分會協(xié)辦的第二屆全國不銹鋼結構技術研討會于2018年12月15日(會期1天)在江蘇南京東南大學榴園賓館召開。

本次會議以不銹鋼結構研究的最新進展，以及技術的創(chuàng)新與應用為重點，誠邀各位專家和學者積極參會，屆時將邀請國內(nèi)不銹鋼結構研究領域的專家作主題報告，交流與分享研究成果。會議主題包括：

1.建筑用高性能不銹鋼材料的研發(fā)與應用;

2.不銹鋼構件的計算理論和設計;

3.不銹鋼連接及節(jié)點的性能和設計;

4.不銹鋼結構的抗震性能與設計;

5.不銹鋼結構的抗火性能與設計;

6.《不銹鋼結構技術規(guī)程》修編及未來研究方向。

會務組聯(lián)系人：范圣剛(13851620034)、鄭寶鋒(13814512942)、王嘉昌(15151847800)、張磊(15851890602)。