既有钢结构鉴定评估研究现状（三）
第一，构件缺陷与损伤。构件缺陷与损伤主要包括构件几何缺陷、构件残余应力缺陷和构件锈蚀损伤。
一是构件几何缺陷。因为构件几何缺陷直接影响构件稳定性和承载力，因此不能被忽略。构件几何缺陷分为局部缺陷和整体缺陷。局部缺陷指钢构件截面畸变，截面畸变对薄壁结构承载力影响较大，该类缺陷的截面几何形状和分布形式较为复杂。普通钢结构主要由非薄壁构件组成，可忽略截面畸变影响，主要考虑构件整体几何缺陷的影响。
考虑构件整体几何缺陷的方法主要包括假定缺陷分析法、等效荷载法、缩减切向模量法、随机缺陷模态法和一致缺陷模态法。
假定缺陷分析法。该方法通过假定构件整体变形缺陷的形状及幅值来考虑其影响。美国AISC——LRFD规定：非支撑框架结构每层的初始倾斜假定为L/500 L为非支撑柱长度 ；支撑框架采用构件弯曲考虑构件几何缺陷，其中最大初始弯曲幅值为L/1000，并假定构件初始弯曲形状为正弦曲线。该方法适用于拟建结构的设计，由于既有钢结构构件的几何缺陷幅值以及变形形状可通过实测获得，无需进行上述假定，即该方法不适用于既有钢结构验算。
等效荷载法。等效荷载法将结构几何缺陷采用等效侧向荷载代替，等效侧向荷载采用重力荷载函数的形式表示。该方法是一种近似方法，其计算结果有误差，而且当结构为大型复杂空间结构时，难以准确计算等效侧向荷载值及其方向。而且该方法也建立在假定缺陷幅值的基础上，因此，该方法同样不适用于既有钢结构验算。
缩减切线模量法。构件几何缺陷会导致单元刚度降低，缩减切线模量法通过减小材料切向模量来模拟单元刚度降低。缩减切线模量法间接考虑构件几何缺陷的影响，且不需要判断几何缺陷的空间方位，理论分析和试验结果表明，当几何缺陷缩减因子取0.85时，其结果与L/500的结构初始倾斜等效。但该方法与等效荷载法类似，无法引入实测构件几何缺陷参数，因此，该方法不适用于既有钢结构验算。
一致缺陷模态法。一致缺陷模态法认为，结构的几何缺陷按照结构最低阶模态分布时，结构按该模态变形时将处于势能最小状态，因此，对结构稳定性最不利。该方法适用于拟建结构，已被《空间网格结构技术规程》采用。然而，既有钢结构作为一种已经客观存在的结构，在施工、服役期间由于各种因素导致其几何形态变异，造成既有结构的几何缺陷分布模式不同于结构最低阶屈曲模态，而且其最大幅值也与假定不同，因此，该方法不适用于既有钢结构验算。
随机缺陷模态法。随机缺陷模态法基于概率统计理论，认为结构几何缺陷幅值符合某种分布 通常假定为正态分布 ，通过产生服从该分布的伪随机数组成样本，计算分析每种样本模型，对计算结果进行统计分析处理，得到结构的稳定承载力。该方法既适用于拟建结构的计算分析，也可用于既有钢结构的验算分析，两者不同之处在于，拟建结构的分布类型及分布参数均需假定，而既有钢结构的分布类型和分布参数均可通过实测通过数据统计处理获得。
二是构件残余应力缺陷。钢构件中的残余应力是构件在加工制作过程中产生的。由于生产工艺不同，形成的残余应力性质也不尽相同，通常残余应力可以分为热轧残余应力、焊接残余应力和冷弯残余应力。残余应力对构件的静力强度、屈服强度、疲劳强度、脆性断裂、应力腐蚀以及钢材硬度等都有影响，因此，既有结构必须要考虑残余应力的影响。拟建结构设计也考虑残余应力，但残余应力大小及分布是假定的，而既有钢结构的残余应力可以测定。目前，测定残余应力的方法主要有机械测定法和物理测定法。机械测定法的测量原理，是将具有残余应力的部分用一定的方法进行局部的分离或分割，使残余应力局部释放，测定此时的变形，进而应用弹性力学方法求出残余应力，机械测定法包括取条法、切槽法、剥层法、钻孔法等。物理测定法是采用无损检测的方法直接求得残余应力，物理测定法包括X射线法、超声法和磁性法。目前的研究主要集中在既有钢结构构件残余应力测定方法，对如何将实测值引入构件计算模型的研究还不足。研究残余应力对构件受力影响的主要方法有试验法和有限单元法。试验法受到试验成本制约，而且既有构件获取难度较大，因此，本文建议采用有限元法，寻求建立一种可考虑残余应力的计算模型。
三是构件腐蚀损伤。作为钢结构主要材料的碳钢和低合金钢，其耐腐蚀性能并不好，通常需采取保护涂层来减缓环境对钢材的腐蚀。实际工程中，由于保护涂层的有效期远远低于结构设计使用年限，钢构件不可避免地存在腐蚀现象。目前对构件腐蚀的研究分为两个方向：构件腐蚀对承载力的影响和构件腐蚀模型。《锈蚀钢材力学性能退化规律试验研究》通过试验方法研究锈蚀对钢材力学性能的影响，结果表明，随着锈蚀率的增大，屈服强度、极限强度呈线性下降。《腐蚀钢结构受弯构件刚度及稳定性退化模型分析》通过试验方法研究锈蚀对受弯构件刚度及稳定性的影响，并建立了相应的计算分析模型。根据腐蚀范围构件腐蚀可以分为点腐蚀、局部腐蚀和整体均匀腐蚀。结构工程领域对钢构件腐蚀的研究主要集中在均匀腐蚀，对局部腐蚀和点腐蚀研究相对较少，航空航天、船舶领域对局部腐蚀和点腐蚀的研究相对较多，但由于使用环境和构件用途不同，不能直接采用相关腐蚀研究成果。钢材腐蚀过程比较复杂，影响腐蚀的因素也很多，故建立完善准确的腐蚀模型的难度较大，实际工程中通常采用均匀腐蚀模型。目前较为成熟的均匀腐蚀模型主要包括：幂函数和指数函数模型、灰色GM 1，1 模型、BP神经网络模型、经验模型与近似函数模型、三阶段腐蚀模型。虽然存在众多的均匀腐蚀模型，但考虑因素均不全面，未全面考虑材性影响、环境因素和防腐保护措施的影响，目前尚无成熟的模型供实际工程应用。（待续）
□罗永峰 罗立胜
