1.3　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.3.1　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要性

除了了解金屬材料的選擇外，我們還需要了解一些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的常識(shí)。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的是確保結(jié)構(gòu)適合于它的功能，有足夠的穩(wěn)定性、強(qiáng)度和耐久性，用可以接受的費(fèi)用來(lái)建筑，并具有藝術(shù)觀賞性。但是許多鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)并未考慮涂裝過(guò)程中的表面處理、涂漆和檢查，以及維修過(guò)程。設(shè)計(jì)缺點(diǎn)和裝配缺陷很容易造成涂料保護(hù)上的困難，并且容易造成水、污垢和污染物的積聚，形成腐蝕的誘因。在腐蝕環(huán)境下，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)用腐蝕環(huán)境下的涂料的壽命期限和最終的有效性有著相當(dāng)大的影響。

如果在設(shè)計(jì)階段可以考慮涂料和施工及以后的維修作業(yè)，那么就可避免許多由腐蝕而帶來(lái)的結(jié)構(gòu)使用失效。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的基本要點(diǎn)就是涂料必須能夠很容易地在其表面上施工。這在建筑師和工程師在設(shè)計(jì)一個(gè)建筑物或工廠時(shí)是一個(gè)非常重要的概念。遺憾的是很多人不理解這些，如果結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)使其可以很好地接受涂料并且讓它形成連續(xù)均勻的漆膜，那么就可以保證結(jié)構(gòu)物不受腐蝕影響。應(yīng)該盡可能在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)早期就減少腐蝕的可能性，最好在圖紙階段就開(kāi)始這一工作。

橋梁是一個(gè)典型的例子，它們開(kāi)放式箱式梁桁、凹口、鉚釘和搭接板以及許多其他形式，從涂料和腐蝕的角度看都是不合理的結(jié)構(gòu)。圖1-7是處于海洋環(huán)境的橋梁框架結(jié)構(gòu)。涂料才進(jìn)行了兩年施工，可以看出來(lái)右邊圖中有些地方是很難涂上涂料的，可以看得出邊緣、螺栓頭和接板上面已經(jīng)生銹了。

在腐蝕環(huán)境下應(yīng)用的鋼結(jié)構(gòu)，應(yīng)該使設(shè)計(jì)盡可能地簡(jiǎn)單化，減少?gòu)?fù)雜性，盡量減少涂漆表面。這包括最大程度地減少那些錯(cuò)綜復(fù)雜的結(jié)構(gòu)部位和不規(guī)則形狀，特別是那些不易于涂漆的部位。盡可能地消除鉚釘結(jié)構(gòu)、搭接部位、銳邊、邊角和粗糙表面。連接處用焊接的形式比鉚釘和螺栓連接為好。點(diǎn)焊和不連續(xù)焊只能用于腐蝕風(fēng)險(xiǎn)小的地方。當(dāng)然同時(shí)還得考慮平衡工程方面關(guān)于安全和使用有效性方面的要求。

從圖1-8江蘇泰州長(zhǎng)江大橋的結(jié)構(gòu)形式可以看出，這樣的橋梁承重結(jié)構(gòu)與圖1-7中的桁架式橋梁結(jié)構(gòu)相比，在涂料施工方面無(wú)疑是非常簡(jiǎn)單而且有效多了。在日常生活中，可以看到這些簡(jiǎn)單的橋梁結(jié)構(gòu)已經(jīng)是非常普遍了。扁平箱梁、懸索和斜拉索以及管狀結(jié)構(gòu)大大減少了外露面積（與桁架式橋梁結(jié)構(gòu)相比），同樣也減少了大量角落、搭接、鉚釘和銳邊等這些難以防腐蝕涂漆的地方。

1.3.2　鋼結(jié)構(gòu)涂裝工作距離

鋼結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)，就要考慮防腐蝕涂料的施工、檢查和維護(hù)。這一點(diǎn)并不是很難，比如加裝梯子、工作平臺(tái)或其他輔助性設(shè)施等。

為了對(duì)鋼材表面進(jìn)行表面處理、涂漆和維修，操作者必須能夠看得到這些表面，并且所使用的工具也必須能夠得著這些表面。需要進(jìn)行處理的表面應(yīng)該有足夠的空間位置給操作者進(jìn)行工作，這個(gè)距離的標(biāo)準(zhǔn)顯得非常重要，根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 12944-3 “設(shè)計(jì)考慮”，所要求的標(biāo)準(zhǔn)距離見(jiàn)表1-5。

在箱形結(jié)構(gòu)和儲(chǔ)罐等密封結(jié)構(gòu)上，要特別注意開(kāi)口要有足夠的尺寸大小，允許操作者和其工具安全地進(jìn)入，包括安全設(shè)施（圖1-9）。

1.3.3　縫隙處理

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生縫隙問(wèn)題，如點(diǎn)焊或螺栓連接的重疊板面之間，這些通常是不易于進(jìn)行表面處理和涂漆的地方，易于潮氣的積聚，也就很容易產(chǎn)生腐蝕。在縫隙里產(chǎn)生的銹蝕會(huì)膨脹，體積遠(yuǎn)大于鋼材本身。這就會(huì)導(dǎo)致鋼材的減薄。防止縫隙腐蝕產(chǎn)生的最好辦法是進(jìn)行全面焊接來(lái)代替螺栓或法蘭面的連接，如圖1-10和圖1-11所示。另外一個(gè)辦法就是擴(kuò)大縫隙間的距離，使之有足夠的空間進(jìn)行更好的、更方便的表面處理和涂漆保護(hù)。

1.3.4　幾何結(jié)構(gòu)的影響

很多的腐蝕問(wèn)題是由不規(guī)則的幾何結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的。在典型的結(jié)構(gòu)中，有許多直線(xiàn)形邊。特別是裝配時(shí)產(chǎn)生的切邊往往不像H型鋼那樣是圓的，這就給以后的涂裝工序帶來(lái)了問(wèn)題。涂料通常有從邊上收縮和回拉的趨勢(shì)，而在邊上留下較薄的、較少的保護(hù)涂料，如圖1-12所示。通常要求對(duì)銳邊打磨到半徑r>2mm，有些要求r>3mm。在涂裝過(guò)程中，邊緣至少應(yīng)進(jìn)行一次預(yù)涂，最好在每道涂層都進(jìn)行預(yù)涂，以增加邊上的涂層厚度。

通常，焊縫是平整表面上的粗糙部分，見(jiàn)圖1-13，焊縫處往往清理不當(dāng)，或者根本不清理而留下焊接飛濺物、焊渣和酸性焊劑殘留物，如果這些缺陷不除去，就會(huì)促進(jìn)腐蝕。

鉚釘、螺栓頭和螺母都難以進(jìn)行涂裝，需要加以注意以保證所有表面合適清理并涂裝。這些部位可能會(huì)留下難以清潔和涂裝的縫隙。在這種條件下就難以保護(hù)螺栓。在可能的地方應(yīng)該采用焊接來(lái)代替鉚釘和螺栓結(jié)構(gòu)物。用高強(qiáng)度螺栓的防滑接合表面是一種特殊情況，應(yīng)進(jìn)行清理，不涂裝或采用已試驗(yàn)和已核準(zhǔn)的涂料進(jìn)行涂裝，常用的涂料有無(wú)機(jī)硅酸鋅涂料，要符合ASTM A490 Class B或其他相關(guān)規(guī)范關(guān)于摩擦滑移系數(shù)的要求。

在建造中，經(jīng)常采用背面相靠的角。這些角的背面往往不進(jìn)行涂裝，采用鍍鋅或無(wú)機(jī)鋅等進(jìn)行預(yù)先涂裝是一個(gè)很好的處理方法。

角落有外角和內(nèi)角的區(qū)別。外角同銳邊一樣會(huì)發(fā)生相同的腐蝕作用，應(yīng)該進(jìn)行倒角處理和預(yù)涂工作。內(nèi)角則會(huì)有兩個(gè)問(wèn)題：

①施工在內(nèi)角落上的涂料會(huì)像在自由邊上一樣發(fā)生收縮，形成與底材接觸不好的搭橋，里面可能會(huì)形成空隙，見(jiàn)圖1-14。

②角落會(huì)容留臟物或堆積垃圾，這樣涂料就會(huì)施工在一個(gè)污染的表面上。內(nèi)角落應(yīng)像其他表面一樣進(jìn)行清理，除去臟物灰塵等，最好在施工主要涂料前進(jìn)行預(yù)涂。

臨時(shí)建造輔助物，如鉤子、托架等，通常采用跳焊或單面焊的方式焊接在建筑物上。這些在設(shè)計(jì)時(shí)就定為竣工后要除去的臨時(shí)輔助物，有時(shí)就留在了原處，并與原來(lái)施工的涂料一起進(jìn)行復(fù)涂。在這種情況下，表面處理或涂料施工可能會(huì)比理想的要差，并會(huì)發(fā)生早期涂料損壞。這些輔助物應(yīng)除去，再適當(dāng)處理表面，并施工合適的涂料以避免周?chē)苛系倪^(guò)早損壞。在有加強(qiáng)材的復(fù)雜結(jié)構(gòu)上面，見(jiàn)圖1-15，對(duì)切口的處理，要有r>50mm的開(kāi)口，以便流水可以自由通過(guò)，并保證能夠進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚砗屯科峁ぷ鳌Ｔ趯?shí)際中，經(jīng)常可以看到過(guò)小的切口無(wú)法進(jìn)行除銹和涂漆而留下腐蝕的隱患。

在流體介質(zhì)的輸送管道中，磨蝕作用是比較常見(jiàn)的現(xiàn)象。對(duì)于這些管道形狀的設(shè)計(jì)，要避免產(chǎn)生不必要的渦流。圖1-16指出了一些管道焊接的方法，可以避免流體的流向變化。任何直角形狀都要使其漸進(jìn)地平滑化，使用直角彎頭很容易產(chǎn)生磨蝕作用。

1.3.5　金屬的連接

不同的金屬材料在有電解質(zhì)的情況下互相接觸時(shí)，由于不同材料的腐蝕電位的差別，會(huì)形成電化學(xué)腐蝕電池而產(chǎn)生電偶腐蝕。例如，將鋁鉚釘用在鋼板上，則鉚釘會(huì)腐蝕得很快，如圖 1-17所示。兩種金屬材料的電偶序中離得越遠(yuǎn)，電偶腐蝕的危險(xiǎn)就越大。因此，要盡可能把不同種金屬材料間進(jìn)行絕緣，如圖1-18所示。