林國琦，田元福

(海南大學 土木建筑工程學院，海南 ?？?570228)

為有效地降低建筑物在地震力作用下的受損破壞程度，國內外學者經過大量研究，提出了建筑減隔震技術[1].例如日本、美國等多震國家在進行抗震設計時，廣泛使用疊層橡膠支座來進行隔震.在我國云南省的昆明市、思茅、臨滄、版納等市州的部分高層建筑上也進行了應用.經過多次強烈地震的考驗，發(fā)現(xiàn)其具有良好的隔震效果和出色的抗震性能.自住房與城鄉(xiāng)建設部于2014年頒布《關于房屋建筑工程推廣應用減隔震技術的若干意見》(建質[2014]25號)后，全國地震烈度較高的地區(qū)積極推行，包括海南省等熱帶沿海地區(qū)的建設項目上隔震支座大量被使用.

近幾年的工程實踐觀察及有關文獻的試驗研究[2]表明，在長期海蝕環(huán)境下隔震橡膠支座的剛度會出現(xiàn)降低的趨勢同時連接構件的腐蝕均會影響支座的正常使用穩(wěn)定狀態(tài)，最終可能導致地震作用中上部結構的安全性無法得到保證.因此，借鑒現(xiàn)有的海港工程防腐技術進行理論分析，提出適合在高濕熱海洋地區(qū)的隔震支座防腐技術有重要現(xiàn)實意義.

1 隔震支座的表面防腐防護

隔震支座上下外層均設置連接鋼板，鋼板上預留螺栓孔，用來在安裝過程中與上下部混凝土柱連接起來，基本結構見下圖1.

圖1 隔震支座結構示意圖

現(xiàn)行規(guī)范《建筑隔震橡膠支座(JG/T 118-2018)》中限定，內部疊層鋼板材料應采用Q235或者不低于Q235性能的鋼板，對于封板則宜采用Q345的鋼板.針對外觀規(guī)定采用橡膠包裹，支座側向不允許出現(xiàn)鋼板外露的規(guī)定，但是針對上下連接鋼板及附屬連接螺栓的防護體系規(guī)范沒有進行特別規(guī)定.

隔震支座上下連接鋼板承受豎直方向傳來的巨大建筑荷載，并且在地震作用中將水平荷載傳遞給橡膠本體，通過橡膠本體的變形實現(xiàn)地震能量的耗散，從而保護上部結構免受破壞.因此，連接板是隔震支座的重要組成部分.如在建筑設計壽命周期中，由于維護不當或者是防腐保護失效引起連接板或者是螺栓孔周圍出現(xiàn)銹蝕，后果不堪設想.在內地城市，由于常年氣候干燥，該問題并不凸顯，但是在南方溫度濕度較高的地區(qū)，大氣銹蝕環(huán)境相當惡劣.因此，該問題應引起廣大學者進行研究探索.

目前國內生產隔震支座的廠商較多，對支座表面鋼結構的防護主要使用普通有機防腐涂料，其中常見的防腐體系有：酚醛類底涂+醇酸類面涂，氯化橡膠底涂+面涂等.采用的防腐涂料涂刷厚度根據隔震建筑的使用環(huán)境類別進行設計.通過調研發(fā)現(xiàn)普通隔震支座的表面防護油漆干膜厚度在80～150 μm左右.

2 高濕熱海洋環(huán)境下涂層破壞機理

2.1 高濕熱海洋大氣特征西沙站是我國海洋大氣環(huán)境腐蝕測試的試驗站之一，其代表了南海海洋大氣環(huán)境的典型特征.多年連續(xù)觀測到的數據[3]表明了西沙站高濕熱的特征，如表1所示.

表1 西沙試驗站環(huán)境數據

工業(yè)和信息化部電子第五研究所在1999年1月～2000年7月期間開展過低碳鋼18個月的連續(xù)戶外暴露試驗[4]，試驗的地理位置包括：西沙永興島、瓊海和廣州.最終測得腐蝕率從高到底排序依次為永興島、瓊海、廣州.其中瓊海的腐蝕率為：49.3 μm·y-1.另外，馬長李[5]等人經過數據對比認為海南萬寧站的大氣腐蝕性介于C4或者C5之間.

2.2 高濕熱環(huán)境涂層破壞機理用于保護鋼結構基材的涂層主要成份為高分子材料，在太陽光輻射及高溫濕度的大氣環(huán)境誘導下，高分子化學結構鍵薄弱位置發(fā)生斷裂成為自由基，發(fā)生自由基反應，最終涂層的長分子鏈間裂解出現(xiàn)老化，與基材間的附著力下降，從而失去將金屬與腐蝕介質阻隔的功能.

對于有機涂層的失效機理，國內外的相關研究很多.潘瑩[6]等人認為影響丙烯酸聚氨酯涂層老化的主要因素有：陽光、熱、溫度、水和濕氣等.李倩倩[7]等人在我國典型熱帶海洋氣候條件的萬寧試驗站，進行丙烯酸聚氨酯涂層(BDC)近海大氣的自然老化試驗，對其在近海地區(qū)的老化歷程及老化機理進行了研究，發(fā)現(xiàn)引起樣品中期涂層失效的原因為腐蝕介質Cl-的侵入而引起的老化.

3 隔震支座上下連接鋼板防腐方案的技術分析

《民用建筑設計通則》(GB 50352-2005)規(guī)定，3類普通建筑和構筑物設計使用年限為50 y.因此，對于隔震建筑中的支座設計壽命的合理年限應超過50 y.綜上所述，現(xiàn)有的在隔震支座上下連接鋼板上進行普通的有機涂層防護方法并不能滿足高溫高濕環(huán)境下的長效防腐要求.因此，在高溫高濕環(huán)境中使用的隔震支座，其連接鋼板的防腐須參照海上工程鋼結構的防腐方案進行處理.目前主要的研究有：重度防腐涂層保護，金屬熱噴涂和使用耐候鋼等防腐方案.

3.1 重度防腐涂層保護單純使用有機涂層已經不能滿足在惡劣的海洋大氣腐蝕環(huán)境下的鋼結構防腐蝕要求.因此，在重要的海洋工程中，采用的涂料里會添加一些化學性能比金屬基材更活潑的金屬材料，如鋅粉、鋁粉等，在發(fā)生電化學反應時金屬Zn/Al能夠對被保護基體進行犧牲陽極保護.重度防腐體系往往涂有多道涂層，包括底漆、中間層和面漆進行配套使用，最終的干膜厚度達300 μm以上.目前在海洋大氣環(huán)境中，常用的防腐體系有無機富鋅+焦油環(huán)氧涂料、無機富鋅+環(huán)氧樹脂涂料和玻璃鱗片涂料等.環(huán)氧富鋅底漆的漆膜厚度達60～80 μm，以增強其犧牲陽極的保護能力.中間漆采用環(huán)氧云鐵漆，厚度也較常規(guī)涂裝厚度有所增加，并且考慮在高溫、高濕環(huán)境下延緩水汽及鹽粒子的擴散速度，面漆采用一道聚氨酯面漆加一層氟碳面漆，降低成本的同時有更好的結合力.經過上述防護方法的處理，涂層耐老化性能、耐蝕性能均得到提升，使用壽命可達10 y[8]以上，但在實際工程中每年需進行定期維護，對表面缺陷、脫落位置進行清潔、涂刷.

3.2 熱噴涂封閉防護熱噴涂技術最早于二十世紀40年代應用于金屬防腐保護.通過高溫的火焰、電弧、等離子體和壓縮氣體等熱源，將活性粉體材料(一般為鋁粉或者鋅粉)加熱并加速，形成熔化、半熔化或未熔化固態(tài)的高速粒子流，依次噴向預處理的金屬表面，并在其上不斷沉積而形成涂層的方法[9].熱噴涂前期對金屬工件的表面處理要求比較高(達到Sa2級以上)，施工使用設備較笨重，工藝要求嚴格.但同時具有施工工件及場地不受限制，基體與防護材料間的粘接可靠、防腐壽命周期長等等優(yōu)勢，廣泛應用于各種高度腐蝕環(huán)境中.

3.2.1 熱噴涂防護的機理熱噴Zn或噴Al后的涂層對于底層鋼基體具有較高的附著能力，一般高于有機涂層要求的5 MPa.不同的施工方法產生不同的附著力，經過電弧熱噴涂層可高達48 MPa，而火焰噴涂層的附著力則可達28 MPa.根據標準ASTM C633的測試方法，現(xiàn)場施工測試要求最低值為11～17 MPa.因此，經過熱噴涂處理的工件表面行成致密的涂層，該涂層可以阻擋腐蝕介質的滲透，另外在大氣形成的腐蝕環(huán)境中，由于Zn或Al的電位比較低，因此在電化學反應中犧牲陽極保護基材.Zn或Al涂層在腐蝕過程中生成難溶的鈍化氧化物也進一步減緩腐蝕的反應進程，從而起到長時間保護基材作用.目前在一些近海鋼樁、海上作業(yè)平臺、及船舶儲罐的防腐工程上使用并且取得較好的效果.

3.2.2 熱噴涂防護壽命國內大量學者的研究，在嚴格的施工條件下經過熱噴涂的鋼構件在海洋環(huán)境中使用壽命可達20 y以上.周學杰[10]等人在榆林(海南三亞)海洋環(huán)境下進行連續(xù)22 y的長期曝露試驗，對幾種金屬熱噴涂涂層(Zn 、Al 、Al-Me-Re 和Zn-Al )經封閉涂裝處理的復合防護體系和無機富鋅為底涂層的重防腐蝕體系進行對比研究，指出噴Zn-Al涂層+聚氨酯涂層體系在海洋環(huán)境具中優(yōu)良的防腐蝕性能，基本防護壽命可大于22 y.蕭以德[11]等人研究發(fā)現(xiàn)通過電弧熱噴涂工藝的合金涂層在大氣和海水環(huán)境下的防腐性能表現(xiàn)優(yōu)良，其中的Zn，Al和Zn-Al合金涂層能提供超過20 y的腐蝕防護壽命.

3.3 使用耐候鋼耐候鋼指通過添加少量合金元素(P,Cu,Ni,Cr等)，使其在大氣中的耐腐蝕性能比碳鋼更優(yōu)越的低合金鋼.黃濤[12]的研究表明，在腐蝕環(huán)境中，耐候鋼材表面生產出致密且連續(xù)的銹層，其主要成份為穩(wěn)定的α-FeOOH，抑制了環(huán)境中腐蝕性Cl離子的滲透遷移，提高了材料的耐蝕性.

二十世紀初，美國、德國、英國和日本等國就開始對耐候鋼進行大氣暴露試驗及相關研究.美國海軍研究實驗室的Southwell[13]等人經過16 y的海洋大氣暴露試驗，發(fā)現(xiàn)Ni-Cu合金的耐蝕性能表現(xiàn)良好，并且在腐蝕率為線性的假設下推斷，該種合金50 y后的失重率僅為1.5 g·dm-2(腐蝕深度為1.7 mm).由此可知，使用該結構合金可滿足海洋大氣環(huán)境下建筑物隔震連接板的設計要求年限.

我國鋼鐵研究總院青島海洋腐蝕研究所在國家自然科學基金委組織下于上世紀80年代開始進行鋼材的腐蝕系統(tǒng)研究實驗，并獲得了大量的數據.通過8 y的大氣暴露腐蝕數據進行回歸分析，提出鋼材的擬合腐蝕發(fā)展曲線[14]

D=Atn,

(1)

其中，D為碳鋼腐蝕深度/mm，t為暴露時間/y，A，n為與環(huán)境有關的常數.

在腐蝕環(huán)境最惡劣的萬寧站(大氣腐蝕環(huán)境相當于西沙站)中，耐候鋼種09CuPCrNi的A=0.027，n=0.62，由此推斷出該合金50 y后的腐蝕深度僅為0.3 mm.

從上述相關研究可以看出,使用耐候鋼的隔震支座在建筑設計年限(<50 y)內不需考慮腐蝕作用，且不需要進行防銹的維護，具有較好應用前景.

4 隔震支座上下連接鋼板防腐方案的經濟分析

從工程經濟學角度來看，投資方案的選擇應綜合考慮設備在整個壽命周期內的制造、運行、維護和報廢等各個環(huán)節(jié)產生的費用，并基于全壽命周期成本(Life Cycle Cost，LCC)進行最佳分析，從而選擇最經濟的備選方案[15].

4.1 隔震支座經濟性模型構建費用現(xiàn)值法是根據基本折現(xiàn)率計算出每個備選投資方案在計算期內所有費用的現(xiàn)值，并由此進行評價方案經濟效果的一種方法.應用中以費用現(xiàn)值最小的方案為最優(yōu).該方法要求各備選方案的所有費用流入和費用流出能估計出來，常用來對新建、改建、擴建項目進行經濟性評價，在該評價的方法中LCC總成本主要由3個部分組成：一次投資成本(Investment Costs)，簡稱IC；運行成本(Operation Costs)或者維護成本，簡稱OC；報廢成本(Discard Costs)，簡稱DC，考慮到隔震支座產品鋼構件防腐失效后基本報廢，因此可以簡化取殘值DC為零.

LCC的計算公式

LCC=IC+OC，

(2)

(3)

其中，n表示計算周期，即為隔震建筑設計周期中的第n年，n≤50；F表示第n年維修投入成本；i為折現(xiàn)率，根據文獻[16]針對長期全壽命周期中折現(xiàn)率的研究，取i=2%.

4.2 隔震支座的腐蝕LCC分析

4.2.1 一次投資成本(IC)隔震支座防腐蝕的一次投資成本(IC)，主要是隔震支座生產過程中用于鋼構件防腐，投入使用前所發(fā)生的一切費用，主要包括原材料、鋼構件表面處理、購買防腐材料、設備和人工成本等.根據調研，某制造商的LNR620型號[17]隔震支座連接板尺寸為640 mm×640 mm，表面為3層(底漆、中間漆和面漆)油漆防腐處理，按照定額計算防腐所占隔震支座總生產成本的比例較小.3種不同防腐方案的一次投入成本見表2.

表2 一次投入成本IC 單位：元·100 kg-1

2) 表2中連接板的材料費數據依據?？谑惺袌稣{研價格.

從表2中所列的一次投入成本可知，采用第一種防腐涂層方案，勞動成本較低、技術成熟，所需要的投入也最小，也是目前廣泛使用的方法；采用耐候鋼方案則由于所用材料成本過大，整體投入相比最大.

4.2.2 運行成本(OC)隔震支座在正常使用期間由于外部環(huán)境潮濕或者發(fā)生地震使橡膠本體發(fā)生位移等，也會產生各類維護費用，比如環(huán)境保護、防腐維修和人工成本等.針對使用涂料體系防腐的隔震支座，維護成本包括對面層的處理及重新涂刷面層.目前針對一個隔震支座在其經濟壽命周期內產生的維護成本，還缺少相應的數據，但是每種防腐的方法都有自己的防護壽命，所以在建筑的設計壽命周期內不可避免發(fā)生運行維護的費用.3種不同防腐方案的在設計壽命內的周期運行成本如下表3所示.

表3 50 y設計周期累計運行費用現(xiàn)值OC 單位：元·100 kg-1

2) 防腐涂層及熱噴涂方案在設計壽命到達后基面需要進行電動工具進行除銹.

從表3中所列的運行成本可知，隨著使用年限的增加，不同方案的費用現(xiàn)值增長的幅度不同，重度防腐涂層由于壽命較短，每次更新涂層需要的表面清理成本很大，累計運行成本最高；熱噴涂使用壽命為20 y，累計運行成本偏高，而耐候鋼在使用過程種只需要日常的巡檢及清潔，幾乎無需進行化學維護，所以運總體行成本最低.不同方案全壽命累計費用現(xiàn)值如圖2所示.

圖2 全壽命累計費用現(xiàn)值

從圖2中可知，隨著使用時間增長，整體費用也逐漸增加.按照現(xiàn)值年金計算得出3種方案的平均值(元·100 kg-1)分別為：重度防腐涂層保護96.30、熱噴涂94.85、使用耐候鋼76.68，可知對于設計年限為50 y的一般隔震建筑中的支座連接板使用耐候鋼為最低投資方案.投入階段(0 y)，使用防腐涂層保護投入最低，但由于后期維護成本過大且大修頻次過多，導致整體費用最高.因此,該方案并不適合選在50 y的設計周期內使用.重度防腐涂層在設計壽命為10～20 y左右設計壽命的環(huán)境中體現(xiàn)出成本優(yōu)勢，可選擇使用；熱噴涂方案則適合于20 y左右設計壽命的環(huán)境中使用；對于設計壽命超過25 y及以上的工件，則適合選用耐候鋼.

4.2.3 全壽命周期成本(LCC)不同方案的全壽命周期成本(LCC)如見表4所示.

表4 全壽命費用(LCC) 單位：元·100 kg-1

從表4不同方案的LCC(IC+OC)計算結果可以看出，在50 y的設計周期內，采用耐候鋼進行防腐防護的全壽命費用現(xiàn)值為最小，主要原因在于該方案在使用年限內幾乎不需要維護或者維護成本很低.按照時間價值理論，使用耐候鋼方案為在隔震建筑中為最優(yōu)選擇方案.

5 小 結

由于《建筑隔震橡膠支座(JG/T 118-2018)》規(guī)范沒有明確規(guī)定隔震支座鋼構件的防腐防護方法.因此，目前普遍使用有機防銹涂層進行表面封閉，該方法具有施工簡便，快速及造價便宜等特點，但是在高溫和高濕環(huán)境中，比如海南、廣東、廣西沿海等地區(qū)，Cl-離子濃度較高，很容易破壞表面涂層從而使鋼構件出現(xiàn)銹蝕，降低隔震支座的使用壽命，因此在該類環(huán)境中作為長效防護方法具有很大風險，建議不宜采用.

通過經濟技術分析，在高濕熱海洋環(huán)境下建筑隔震支座連接板、預埋板應使用耐候鋼，雖然一次性投資較大，但是在建筑物運營期免除了大量的維護成本，并且能夠保證建筑物在50 y的設計壽命周期內使用安全.