《钢结构锈蚀损伤检测与剩余强度评估研究》

来源：《工程技术研究》（Engineering and Technological Research）

中文标题：《钢结构锈蚀损伤检测与剩余强度评估研究》

英文标题：Research on Corrosion Damage Detection and Residual Strength Assessment of Steel Structures

作者：李崇文

发表期刊：《工程技术研究》

发表信息：2025年第24期，第119—121页（另见转载版本第127—129页）

作者单位：按期刊发表信息

摘要

针对服役多年的大跨度钢结构在复杂环境下的耐久性退化问题，以某会展中心屋盖工程为背景，采用超声导波无损检测技术对关键构件的锈蚀形态及空间分布进行识别与定量分析，在此基础上建立引入截面削弱与材料性能退化的有限元模型，开展剩余承载能力评估。结果表明：局部锈蚀、均匀锈蚀及点蚀对钢结构构件的刚度和强度均有显著影响，结构整体承载力较原设计降低约12.5%，安全储备系数下降14.9%；据此提出涂层防护、阴极保护与构件加固相结合的综合防护策略。研究形成了一条从“无损检测—损伤量化—有限元再分析—剩余承载力判定—防护决策”的完整技术路径，为在役大跨度钢结构的耐久性评定与维护管理提供了可参照的工程方法。

English Abstract

Addressing the durability degradation of long-span steel structures after years of service in complex environments, this study takes the roof structure of an exhibition center as an engineering case. Guided-wave ultrasonic non-destructive testing technology is employed to identify and quantitatively characterize the morphology and distribution of corrosion on critical members. A finite element model incorporating section thinning and material property degradation is then established for residual load-carrying capacity assessment. The results indicate that localized corrosion, uniform corrosion, and pitting corrosion all exert significant effects on the stiffness and strength of steel members. The overall load-carrying capacity is reduced by approximately 12.5% compared with the original design, and the safety reserve factor decreases by 14.9%. A comprehensive protection strategy combining coating protection, cathodic protection, and member strengthening is proposed. The study establishes a complete technical route from non-destructive detection and damage quantification to finite-element re-analysis, residual capacity determination, and protection decision-making, providing a referenceable engineering method for durability assessment and maintenance management of in-service long-span steel structures.

研究背景

一、在役大跨度钢结构的耐久性退化问题

大跨度钢结构在会展中心、体育场馆、航站楼等公共建筑中承担着屋盖主体受力功能，其设计使用年限通常为50年。然而，在长期服役过程中，大气中的水分、氧气、氯离子及工业污染物会引发钢材的电化学腐蚀，导致构件截面削弱、刚度下降、疲劳性能劣化，甚至诱发局部屈曲或脆性断裂。与新建结构不同，在役结构的锈蚀损伤具有隐蔽性、不均匀性和渐进性：锈蚀往往从涂层缺陷处萌生，在节点、支座、积水构造等局部区域集中发展，仅凭外观巡检难以准确判断其对整体承载力的真实影响程度。如何在不损伤构件的前提下获取锈蚀的空间分布并量化其力学后果，是在役钢结构安全评定中的核心难题。

二、从“定性巡检”到“定量评估”的技术需求

传统的锈蚀评估方法以目视检查、测厚仪抽测和涂层状况评级为主，其局限在于：测厚获得的是离散点的截面损失，难以反映锈蚀沿构件长度方向的不均匀分布；涂层评级与承载力之间缺乏可直接换算的力学桥梁；对于隐蔽部位和高空构件，人工检测的可达性与效率均受到制约。因此，行业需要一种能够实现“大面积快速筛查—关键区域精细定量—力学性能映射”的层级化检测评估方法。超声导波技术因其传播距离远、对截面变化和缺陷敏感、可沿构件轴向进行长距离扫查，在钢结构锈蚀检测中展现出独特优势。

三、本文的研究思路

李崇文以某会展中心屋盖工程为对象，将超声导波无损检测与有限元再分析相结合，建立了从锈蚀形态识别到剩余承载力判定的完整链条。该研究的工程价值在于：不是停留在“检测发现锈蚀”的层面，而是将检测所得的锈蚀分布转化为有限元模型中的截面削弱与材料退化参数，进而回答“锈蚀之后结构还能承担多少荷载、安全储备还剩多少”这一工程决策最为关心的问题。

研究内容

（一）超声导波锈蚀检测与形态量化

研究以某会展中心屋盖钢结构为工程载体，采用超声导波无损检测技术对关键构件的锈蚀形态及分布进行识别与定量分析。导波检测能够在构件轴向的一定范围内对截面损失进行快速筛查，定位锈蚀敏感区段，避免了传统抽测“以点代面”的局限。在此基础上，检测结果被整理为锈蚀类型（局部锈蚀、均匀锈蚀、点蚀）、空间位置和严重程度的量化描述，为后续有限元建模提供了输入条件。

（二）考虑锈蚀损伤的有限元剩余承载力分析

在检测量化的基础上，建立引入截面削弱与材料性能退化因素的有限元模型，开展剩余承载能力评估。模型不仅考虑了均匀锈蚀导致的壁厚减薄，也纳入了局部锈蚀和点蚀引起的应力集中与刚度局部退化。分析结果表明，局部锈蚀、均匀锈蚀及点蚀对构件刚度和强度均有显著影响，三者的力学后果并不等价：均匀锈蚀主要通过截面面积损失降低承载力，局部锈蚀和点蚀则更易在蚀坑边缘引发应力集中和局部屈曲，对延性和极限承载力的削弱可能超出截面损失比例。

（三）剩余承载力与安全储备的量化结论

评估给出了具有明确工程含义的量化指标：结构整体承载力较原设计降低约12.5%，安全储备系数下降14.9%。这一结果的意义不在于两个具体数字本身，而在于建立了一种可复制的评估范式：当在役结构被检测出一定程度的锈蚀后，可以通过“检测数据→有限元再分析→承载力折减”的路径获得结构层面的安全判定，而不是仅依据构件级别的锈蚀等级进行经验判断。安全储备系数下降幅度（14.9%）大于承载力降低幅度（12.5%），提示锈蚀对结构安全裕度的侵蚀可能比单纯的承载力损失更为显著，在维护决策中应予关注。

（四）综合防护策略

基于评估结果，研究提出了涂层防护、阴极保护与构件加固相结合的综合防护策略。三者构成递进关系：涂层防护用于尚未发生严重锈蚀或锈蚀已稳定处理的区域，作为日常屏障；阴极保护适用于局部环境恶劣、涂层维护困难的部位；构件加固则针对承载力已出现明确不足或安全储备偏低的关键构件。这一策略的提出，使剩余承载力评估的结果直接导向了可执行的维护行动，形成了“评估—决策—干预”的闭环。

结论

（1）超声导波无损检测能够对在役大跨度钢结构的锈蚀形态与分布进行有效的识别和定量描述，为剩余承载力评估提供了优于传统抽测的输入数据。

（2）在有限元模型中引入截面削弱与材料性能退化后，局部锈蚀、均匀锈蚀和点蚀均对构件刚度与强度产生显著影响；该会展中心屋盖结构整体承载力较原设计降低约12.5%，安全储备系数下降14.9%。

（3）安全储备系数的降幅大于承载力降幅，表明锈蚀对结构安全裕度的削弱具有放大效应，在役钢结构的耐久性评估不宜仅关注截面损失百分比。

（4）提出的“超声导波检测—锈蚀量化—有限元再分析—剩余承载力判定—涂层/阴极保护/加固综合防护”技术路径，可为同类在役大跨度钢结构的耐久性评定与维护管理提供方法参考。