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        高濕熱環(huán)境下隔震支座連接板防腐技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

        2021-01-26 03:13:50林國琦田元福
        關(guān)鍵詞:成本環(huán)境

        林國琦,田元福

        (海南大學(xué) 土木建筑工程學(xué)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(nèi)外學(xué)者經(jīng)過大量研究,提出了建筑減隔震技術(shù)[1].例如日本、美國等多震國家在進(jìn)行抗震設(shè)計時,廣泛使用疊層橡膠支座來進(jìn)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(jìn)行了應(yīng)用.經(jīng)過多次強(qiáng)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(shè)部于2014年頒布《關(guān)于房屋建筑工程推廣應(yīng)用減隔震技術(shù)的若干意見》(建質(zhì)[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(shè)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(guān)文獻(xiàn)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(gòu)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(dǎo)致地震作用中上部結(jié)構(gòu)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(shù)進(jìn)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(shù)有重要現(xiàn)實意義.

        1 隔震支座的表面防腐防護(hù)

        隔震支座上下外層均設(shè)置連接鋼板,鋼板上預(yù)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(jié)構(gòu)見下圖1.

        圖1 隔震支座結(jié)構(gòu)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(nèi)部疊層鋼板材料應(yīng)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(cè)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(hù)體系規(guī)范沒有進(jìn)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(hù)上部結(jié)構(gòu)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(shè)計壽命周期中,由于維護(hù)不當(dāng)或者是防腐保護(hù)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(shè)想.在內(nèi)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(dāng)惡劣.因此,該問題應(yīng)引起廣大學(xué)者進(jìn)行研究探索.

        目前國內(nèi)生產(chǎn)隔震支座的廠商較多,對支座表面鋼結(jié)構(gòu)的防護(hù)主要使用普通有機(jī)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(jù)隔震建筑的使用環(huán)境類別進(jìn)行設(shè)計.通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)普通隔震支座的表面防護(hù)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(jī)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(shù)據(jù)[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(shù)據(jù)

        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(jīng)過數(shù)據(jù)對比認(rèn)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(jī)理用于保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)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(dǎo)下,高分子化學(xué)結(jié)構(gòu)鍵薄弱位置發(fā)生斷裂成為自由基,發(fā)生自由基反應(yīng),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(zhì)阻隔的功能.

        對于有機(jī)涂層的失效機(jī)理,國內(nèi)外的相關(guān)研究很多.潘瑩[6]等人認(rèn)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(jìn)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(jī)理進(jìn)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(zhì)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(shù)分析

        《民用建筑設(shè)計通則》(GB 50352-2005)規(guī)定,3類普通建筑和構(gòu)筑物設(shè)計使用年限為50 y.因此,對于隔震建筑中的支座設(shè)計壽命的合理年限應(yīng)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(jìn)行普通的有機(jī)涂層防護(hù)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(jié)構(gòu)的防腐方案進(jìn)行處理.目前主要的研究有:重度防腐涂層保護(hù),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(hù)單純使用有機(jī)涂層已經(jīng)不能滿足在惡劣的海洋大氣腐蝕環(huán)境下的鋼結(jié)構(gòu)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(xué)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(xué)反應(yīng)時金屬Zn/Al能夠?qū)Ρ槐Wo(hù)基體進(jìn)行犧牲陽極保護(hù).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(jìn)行配套使用,最終的干膜厚度達(dá)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(jī)富鋅+焦油環(huán)氧涂料、無機(jī)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(dá)60~80 μm,以增強(qiáng)其犧牲陽極的保護(hù)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(kuò)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(jié)合力.經(jīng)過上述防護(hù)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(dá)10 y[8]以上,但在實際工程中每年需進(jìn)行定期維護(hù),對表面缺陷、脫落位置進(jìn)行清潔、涂刷.

        3.2 熱噴涂封閉防護(hù)熱噴涂技術(shù)最早于二十世紀(jì)40年代應(yīng)用于金屬防腐保護(hù).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(yù)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(dá)到Sa2級以上),施工使用設(shè)備較笨重,工藝要求嚴(yán)格.但同時具有施工工件及場地不受限制,基體與防護(hù)材料間的粘接可靠、防腐壽命周期長等等優(yōu)勢,廣泛應(yīng)用于各種高度腐蝕環(huán)境中.

        3.2.1 熱噴涂防護(hù)的機(jī)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(jī)涂層要求的5 MPa.不同的施工方法產(chǎn)生不同的附著力,經(jīng)過電弧熱噴涂層可高達(dá)48 MPa,而火焰噴涂層的附著力則可達(dá)28 MPa.根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)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(jīng)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(zhì)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(xué)反應(yīng)中犧牲陽極保護(hù)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(jìn)一步減緩腐蝕的反應(yīng)進(jìn)程,從而起到長時間保護(hù)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(hù)壽命國內(nèi)大量學(xué)者的研究,在嚴(yán)格的施工條件下經(jīng)過熱噴涂的鋼構(gòu)件在海洋環(huán)境中使用壽命可達(dá)20 y以上.周學(xué)杰[10]等人在榆林(海南三亞)海洋環(huán)境下進(jìn)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(jīng)封閉涂裝處理的復(fù)合防護(hù)體系和無機(jī)富鋅為底涂層的重防腐蝕體系進(jìn)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(hù)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(hù)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(chǎn)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(jì)初,美國、德國、英國和日本等國就開始對耐候鋼進(jìn)行大氣暴露試驗及相關(guān)研究.美國海軍研究實驗室的Southwell[13]等人經(jīng)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(shè)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(jié)構(gòu)合金可滿足海洋大氣環(huán)境下建筑物隔震連接板的設(shè)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(xué)基金委組織下于上世紀(jì)80年代開始進(jìn)行鋼材的腐蝕系統(tǒng)研究實驗,并獲得了大量的數(shù)據(jù).通過8 y的大氣暴露腐蝕數(shù)據(jù)進(jìn)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(guān)的常數(shù).

        在腐蝕環(huán)境最惡劣的萬寧站(大氣腐蝕環(huán)境相當(dāng)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(guān)研究可以看出,使用耐候鋼的隔震支座在建筑設(shè)計年限(<50 y)內(nèi)不需考慮腐蝕作用,且不需要進(jìn)行防銹的維護(hù),具有較好應(yīng)用前景.

        4 隔震支座上下連接鋼板防腐方案的經(jīng)濟(jì)分析

        從工程經(jīng)濟(jì)學(xué)角度來看,投資方案的選擇應(yīng)綜合考慮設(shè)備在整個壽命周期內(nèi)的制造、運(yùn)行、維護(hù)和報廢等各個環(huán)節(jié)產(chǎn)生的費(fèi)用,并基于全壽命周期成本(Life Cycle Cost,LCC)進(jìn)行最佳分析,從而選擇最經(jīng)濟(jì)的備選方案[15].

        4.1 隔震支座經(jīng)濟(jì)性模型構(gòu)建費(fèi)用現(xiàn)值法是根據(jù)基本折現(xiàn)率計算出每個備選投資方案在計算期內(nèi)所有費(fèi)用的現(xiàn)值,并由此進(jìn)行評價方案經(jīng)濟(jì)效果的一種方法.應(yīng)用中以費(fèi)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(fèi)用流入和費(fèi)用流出能估計出來,常用來對新建、改建、擴(kuò)建項目進(jìn)行經(jīng)濟(jì)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(yùn)行成本(Operation Costs)或者維護(hù)成本,簡稱OC;報廢成本(Discard Costs),簡稱DC,考慮到隔震支座產(chǎn)品鋼構(gòu)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(shè)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(jù)文獻(xiàn)[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(chǎn)過程中用于鋼構(gòu)件防腐,投入使用前所發(fā)生的一切費(fèi)用,主要包括原材料、鋼構(gòu)件表面處理、購買防腐材料、設(shè)備和人工成本等.根據(jù)調(diào)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(chǎn)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(fèi)數(shù)據(jù)依據(jù)??谑惺袌稣{(diào)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(shù)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(yùn)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(chǎn)生各類維護(hù)費(fèi)用,比如環(huán)境保護(hù)、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(hù)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(jīng)濟(jì)壽命周期內(nèi)產(chǎn)生的維護(hù)成本,還缺少相應(yīng)的數(shù)據(jù),但是每種防腐的方法都有自己的防護(hù)壽命,所以在建筑的設(shè)計壽命周期內(nèi)不可避免發(fā)生運(yùn)行維護(hù)的費(fèi)用.3種不同防腐方案的在設(shè)計壽命內(nèi)的周期運(yùn)行成本如下表3所示.

        表3 50 y設(shè)計周期累計運(yùn)行費(fèi)用現(xiàn)值OC 單位:元·100 kg-1

        2) 防腐涂層及熱噴涂方案在設(shè)計壽命到達(dá)后基面需要進(jìn)行電動工具進(jìn)行除銹.

        從表3中所列的運(yùn)行成本可知,隨著使用年限的增加,不同方案的費(fèi)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(yùn)行成本最高;熱噴涂使用壽命為20 y,累計運(yùn)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(jìn)行化學(xué)維護(hù),所以運(yùn)總體行成本最低.不同方案全壽命累計費(fèi)用現(xiàn)值如圖2所示.

        圖2 全壽命累計費(fèi)用現(xiàn)值

        從圖2中可知,隨著使用時間增長,整體費(fèi)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(hù)96.30、熱噴涂94.85、使用耐候鋼76.68,可知對于設(shè)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(hù)投入最低,但由于后期維護(hù)成本過大且大修頻次過多,導(dǎo)致整體費(fèi)用最高.因此,該方案并不適合選在50 y的設(shè)計周期內(nèi)使用.重度防腐涂層在設(shè)計壽命為10~20 y左右設(shè)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(shè)計壽命的環(huán)境中使用;對于設(shè)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(fèi)用(LCC) 單位:元·100 kg-1

        從表4不同方案的LCC(IC+OC)計算結(jié)果可以看出,在50 y的設(shè)計周期內(nèi),采用耐候鋼進(jìn)行防腐防護(hù)的全壽命費(fèi)用現(xiàn)值為最小,主要原因在于該方案在使用年限內(nèi)幾乎不需要維護(hù)或者維護(hù)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(jié)

        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(gòu)件的防腐防護(hù)方法.因此,目前普遍使用有機(jī)防銹涂層進(jìn)行表面封閉,該方法具有施工簡便,快速及造價便宜等特點(diǎn),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(gòu)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(hù)方法具有很大風(fēng)險,建議不宜采用.

        通過經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析,在高濕熱海洋環(huán)境下建筑隔震支座連接板、預(yù)埋板應(yīng)使用耐候鋼,雖然一次性投資較大,但是在建筑物運(yùn)營期免除了大量的維護(hù)成本,并且能夠保證建筑物在50 y的設(shè)計壽命周期內(nèi)使用安全.

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