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[摘 要]本文综述了钢结构腐蚀与防护发展现状，分类分析了钢结构的大气腐蚀、局部腐蚀、应力腐蚀的机理和防护特点，在钢结构防腐分类的基础上，提出了相应的防腐蚀措施和解决方法，指明了钢结构防腐技术的发展和应用方向。
[关键词]钢结构；涂层；防护；应力腐蚀；大气腐蚀；
中图分类号：TG661 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）04-0111-02
0引言
钢结构具有强度高、抗震性能好、节能效果好、工业化程度高、建设周期短等一系列优点，广泛应用于各种化工、机械、海洋等工业及各类民用建筑。
易腐蚀是钢结构的致命缺点之一，长期处于海洋大气、工业大气等腐蚀环境下的钢结构工程一旦被腐蚀，其强度、塑性等主要力学性能指标显著下降，结构的服役状况不断退化，造成在役钢结构工程的安全、适用及耐久降低。
世界各国因腐蚀而造成的经济损失十分惊人，据统计，每年由于腐蚀原因导致的损失，大约在金属总量的20%，经济损失极大。在我国，钢材消费主要集中在建筑、机械、汽车三大领域，占全部消费量将近80%左右，特别是随着我过“一带一路”和国内大规模基础设施建设，建筑业对钢构件的需求也越来越大。因此，建筑用钢材的金属腐蚀造成的经济损失尤为巨大。钢结构作为建筑业用钢量最大的一种施工方式，具有自重轻、抗震性能好、节能效果好、工业化程度高等一系列优点[1-2]，随着我国政府对钢结构行业的政策从过去限制用钢到鼓励合理用钢的转变，钢结构取代钢筋混凝土或砖混结构作为当代建筑业的发展趋势，具有广阔的应用空间，钢结构的防腐蚀问题也随之变得愈加突出。因此，从节约有限资源和能源的角度出发，钢结构防腐蚀对国民经济的发展显得尤为重要[3]。
1钢结构的类型
1）高层钢结构。高层钢结构一般指10层以上或 18m以上，主要采用型钢、钢板连接或焊接成构件，再经连接、焊接而成的结构体系。有专家测算，小高层钢结构用钢量可控制在每平方米50公斤以下，其工程造价增幅即可控制在10%左右，但综合效益十分可观，并将推进住宅生产经营方式的变革，拉动住宅产业的发展。而随着体系化、产业化水平的提高， 性能价格比也会提高，成本将会有所降低。同样超高层钢结构体系也具有明显的经济优势，符合未来建筑业的发展方向。
2）轻钢结构。轻型钢结构是指以彩涂钢板作为屋面和墙面，以薄壁型钢作檩条和圈梁，柱与梁以焊接H型钢为原料，现场用螺栓或焊接拼接的门式刚架为主要结构的一种建筑体系。这种体系由工厂制作，现场按要求拼装形成，具有以下优点：1、轻质高强，抗震性能好；2、有利于环保，其回收率接近100%；3、材料性能好，结构质量有保證；4、工业化程度高，施工快，有利于实现产业化；5、不可燃、不助燃、不开裂、不生霉菌、不蠕变、少维护、防火性能好。
3）空间钢结构。空间钢结构主要是指网架、网壳结构及其组合结构和杂交结构。这是一类受力合理、刚度大、重量轻、杆件单一、制作安装方便的空间结构体系，在近一二十年来获得蓬勃发展，并在大跨度、大柱网的公共和工业建筑中得到广泛应用，例如我国国家体育馆、北京农展馆等。
4）住宅钢结构。近5年以来，以轻型框架和冷弯型钢骨架为主要承力构件的住宅钢结构逐渐在国内得到认可，由于其易于实现工业化生产，标准化制作，而与之相配套的墙体材料可以采用节能、环保的新型材料，属绿色环保性建筑，可再生重复利用，符合可持续发展的战略，具有综合经济优势，因此钢结构体系住宅成套技术的研究成果必将大大促进住宅产业化的快速发展，直接影响着我国住宅产业的发展水平和前途。
5）桥梁钢结构。研究表明，结构跨度越大，自重在全部载荷中所占比重也就越大，减轻自重可以获得明显的经济效果。因此，钢结构强度高而且质量轻的优点对于大跨桥梁特别突出。近十年以来，我国建设的大跨度钢结构桥梁约20余座，用钢量很大。随着人们对于环保和钢铁资源循环利用等战略问题重要性越来越准确的认识，钢结构在桥梁建设方面会有非常广阔的空间。
6）城市交通、环保等公共设施用钢结构。在基础设施大发展的今天，公路、铁路建设迅速，大量的城市交通立交桥、护栏得到广泛采用，年消耗巨大。另外，我国内地近年来大量建造机场、会展中心、体育中心、文化中心等大型公共建筑，广泛采用各种形式的支承钢结构。例如浦东新区陆家嘴开发区的世界广场就是一座高标准、现代化的综合商办楼。其建筑面积约8万平方米，主体采用全钢骨结构。
2钢结构腐蚀类型和机理
钢结构腐蚀是一个电化学腐蚀过程，在役钢结构工程的腐蚀与结构类型、环境特征和防护措施有很大关系。腐蚀类型归纳起来主要有大气腐蚀、局部腐蚀和应力腐蚀三种类型。
2.1大气腐蚀
钢结构在常温大气环境下使用，钢材受大气中水分、氧和其它污染物的化学和电化学作用而被腐蚀，是一种常见的腐蚀现象，可以分为化学腐蚀和电化学腐蚀[4]。
化学腐蚀表现如下：
1）表面污染：附着在工件表面的油污、灰尘及酸、碱、盐等在一定条件转化为腐蚀介质，特别是有侵蚀性阴离子（如 CI-）存在时，与不锈钢件中的某些成分发生化学反应，产生化学腐蚀而生锈。
2）表面划伤：各种划伤对钝化膜的破坏，使不锈钢保护能力降低，易与化学介质发生反应，产生化学腐蚀而生锈。
3）清洗：酸洗钝化后清洗不干净，造成残液存留，直接腐蚀不锈钢件。
电化学腐蚀主要为：
1）碳钢污染：与碳钢件接触造成的划伤与腐蚀介质形成原电池，产生电化学腐蚀。
2）切割：割渣、飞溅等易生锈物质的附着与腐蚀介质形成原电池，产生电化学腐蚀。
3）烤焦：火焰加热区域的成份与金相组织发生不均匀变化，与腐蚀介质形成原电池，产生电化学腐蚀。 4）焊接：焊接区域的物理缺陷（咬边、气孔、裂纹、未熔合、未焊透等）和化学缺陷（晶粒粗大、晶界贫铬、偏析等）与腐蚀介质形成原电池，产生电化学腐蚀。
5）材质：不锈钢材质的化学缺陷（成份不均匀、S、P 杂质等）和表面物理缺陷（疏松、砂眼、裂纹等），与腐蚀介质形成原电池，产生电化学腐蚀。
6）钝化：酸洗钝化效果不好造成不锈钢表面钝化膜不均匀或较薄，易形成电化学腐蚀。
7）清洗：存留的酸洗钝化残液与不锈钢发生化学腐蚀的生成物与不锈钢件形成电化学腐蚀。
8）水蒸汽：主要是大气中水汽形成金属表层的电解液层，而空气中的氧溶于其中作为阴极去极剂，二者与钢构件形成了一个基本的腐蚀原电池。常温下，钢材的临界湿度为60%～70%，一般在金属表面形成肉眼看不见的液膜，引起腐蚀，当大气腐蚀在钢构件表面形成锈层后，腐蚀产物会影响大气腐蚀的电极反应。
在高温（100℃）条件下，腐蚀机理与常温（100℃以下）完全不同，这是水以气态存在，电化学作用很小，降为次要因素，金属和腐蚀性干燥气体（H2S，SO2，CL2等）相接触，表面形成相应的化合物（氧化物、硫化物、氯化物等），形成对钢结构的化学腐蚀。这种腐蚀情况尤其以工业厂房严重。
2.2局部腐蚀
局部腐蚀是钢结构最常见的破坏形态，主要包括电偶腐蚀、缝隙腐蚀。电偶腐蚀主要发生在钢结构不同金属组合或者连接处，其中电位较负的金属腐蚀速度较大，而电位较正的金属受到保护，两种金属构成了腐蚀原电池。研究表明，接触金属的电位差为电偶腐蚀的驱动力，两种金属的电极电位差愈大，电偶腐蚀愈严重。钢结构最常见的缝隙腐蚀形式有铆接、衬垫和颗粒沉积等，它的发生会导致钢结构整体强度降低。由以上分析可知，缝隙腐蚀发生的条件： 首先应存在一定具备腐蚀条件的缝隙，缝隙中必须有一定的液体；其次构件的缝隙宽度必须窄到可以使得液体在缝内停滞，钢结构的缝隙腐蚀最敏感的缝宽为0.025-0.1mm。钢结构最常见的缝隙腐蚀形式有铆接、衬垫和颗粒沉积等，由于这些连接中的缝隙在工程中是不可避免的，所以钢结构的缝隙腐蚀也是不可完全避免的，它的发生会导致钢结构整体强度降低，减少吻合程度。
2.3应力腐蚀
不同使用状态下，由于钢结构既要承受拉伸、压缩、弯曲和扭转等各种应力的作用，同时又受到腐蚀介质的作用，所以其采用的低碳钢、低合金钢、高强钢等在水介质、CO-CO2- H2O 中极易发生应力腐蚀。在腐蚀环境中，钢结构受力作用会使腐蚀加速，即在某一特定的介质中，钢结构不受到应力作用时腐蚀甚微，但是受到拉伸应力后，经过一段时间构件会发生突然断裂。由于这种应力腐蚀断裂事先没有明显的征兆，所以往往造成灾难性后果，如桥梁坍塌、管道泄漏、建筑物倒塌等，帶来巨大的经济和人员伤亡。钢结构应力腐蚀主要受到力学、电化学、构件材料三个方面的影响。环境因素和构件材料通过影响钢结构腐蚀的电化学行为决定了裂纹的形核、长大，并在应力的作用下导致构件失稳断裂。同时力学行为也受到构件材料和应力因素的影响，其对于裂纹的不同成长阶段都具有一定作用，并最终与电化学行为一同决定了构件的失稳断裂。
3钢结构防腐措施
针对钢结构腐蚀的类型和机理，腐蚀保护的措施主要包括三个方面：提高基材的耐腐蚀性能，使用有机、无机涂层和金属镀层，外加电流。
3.1提高基材耐腐蚀能量方法：
主要是指采用新的钢结构产品，提高钢结构的耐腐蚀性能，如耐候钢等。耐候钢即耐大气腐蚀钢，耐腐蚀性能优于一般结构用钢。一般含有磷、铜、镍、铬、钦等金属，使其在金属基体表面形成保护层，以提高耐腐蚀性。其低温冲击韧性也比一般的结构用钢好。我国耐候钢的标堆，分为《焊接结构用耐候钢》（GB4172一84）和《高耐候性结构钢》（GB4171一84）。
3.2防腐涂层
对于大部分结构件由于受成本、使用环境的限制不可能做到完全的防腐，这就需要让结构基体与氧气、水等腐蚀介质隔离开来，主要的方法就是在结构件表面制造防腐涂层，通过介质隔离达到防腐的目的，如油漆涂装。
（1）油漆涂装。
油漆防腐具有美丽的外观，简单的涂装工艺，多年来一直被广泛采用。随着涂装工艺的发展，无论是国外名牌油漆，还是国内品牌油漆，其防腐涂装工艺和涂料品种都非常相似，即涂装工艺由底漆、中间漆和面漆组成的多层涂装体系；较好的油漆品种有环氧（无机）富锌底漆、环氧云母氧化铁中间漆和环氧聚氨酯或吗各色面漆或氯化橡胶面漆等组成。其缺点是防腐年限一般较短。因此需要经常性进行维修、保养，常见的方法就是拷铲油漆，耗费大量人力物力。油漆涂装防腐常用于室内钢结构或相对易于维护的室外钢结构较多。它一次成本低，但用于户外时维护成本较高。施工的第一步是除锈。优质的涂层依赖于彻底的除锈。所以要求高的涂层一般多用喷砂喷丸除锈，露出金属的光泽，除去所有的锈迹和油污。现场施工的涂层可用手工除锈。涂层的选择要考虑周围的环境。不同的涂层对不同的腐蚀条件有不同的耐受性。底漆含粉料多，基料少，成膜粗糙，与钢材粘附力强，与面漆结合性好。面漆则基料多，成膜有光泽，能保护底漆不受大气腐蚀，并能抗风化。不同的涂料之间有相容与否的问题，前后选用不同涂料时要注意它们的相容性。涂层的施工要有适当的温度（5～38℃）和湿度（相对湿度不大于85%）。涂层的施工环境粉尘要少，构件表面不能有结露。涂装后4h之内不得淋雨。涂层一般做4～5遍。干漆膜总厚度室外工程为150μm，室内工程为125μm，允许偏差为25μm。在海边或海上或是在有强烈腐蚀性的大气中，干漆膜总厚度可加厚[5]为200μm～220μm。
（2）玻璃钢防腐层玻璃钢材料。
通常由不饱和聚醋树醋、玻璃纤维、过氧化物、低收缩添加剂、特殊材料等构成，具有防静电、阻燃、耐腐蚀等特性，但强度低、刚性差，不可取代钢材受力件，只能被用作防腐材料。由于玻璃钢材料的耐温性和气候环境适应性较差，服务年限一般为10～20年。 （3）防腐涂料。
具有成本低、工艺简单、场地要求不严等优点，但效果不如长效防腐蚀技术，且用于户外时维护成本偏高。防腐涂料技术成功的关键是除锈和涂料的选择。优质的涂层依赖于彻底的表面预处理，否则涂层的有效期将会相差较大，现在钢结构工程一般是采用喷砂或喷丸除锈。防腐涂装应根据实际情况确定施工工序，施工过程主要包括：钢材表面处理、除锈方法的选择和除锈质量等级的确定、涂料品种的选择、涂层结构和涂层厚度的设计等。根据施工单位调查发现，施工工序、施工工艺及涂装材料的选择对涂装施工影响是很大的，同时也对涂层质量与实效性有必要重要的影响。
（4）热喷涂涂层。
热喷涂是在对钢构件表面作喷砂除锈，使其表面露出金属光泽并在打毛的基础上，采用燃烧火焰、電弧等做为热源，将喷涂材料加热到塑态和熔融状态，并用压缩空气将呈雾化的材料颗粒束吹到基体表面上，随之激冷并不断层积而形成涂层的工艺方法。热喷涂防腐技术是一种非常有效的防腐措施，这种防腐措施在我国水工建筑和铁路工程得到广泛的推广与应用。如长江三峡大桥枢纽工程中的下牢溪大桥和黄柏河大桥，都采用了热喷涂长效防腐蚀技术，到目前为止使用效果良好。我国首条磁悬浮列车的轨道梁采用了电弧喷涂稀土铝合金复合涂层进行防腐处理，取得了良好的效果。
3.3金属镀层及阴极保护
（1）热浸镀锌。
它是将除锈后的钢构件浸入600℃左右高温融化的锌液中，使钢构件表面附着锌层，锌层厚度对5mm以下薄板不得小于65μm，对厚板不小于86μm，以起到防腐蚀的目的。这种方法的优点是耐久年限长，生产工业化程度高，质量稳定，因而被大量用于受大气腐蚀较严重且不易维修的室外钢结构中，如大量输电塔、通讯塔等。近年来大量出现的轻钢结构体系，也较多采用热浸锌防腐蚀。热浸锌的首道工序是酸洗除锈，然后是清洗。这两道工序不彻底均会给防腐蚀留下隐患，所以必须处理彻底。对于钢结构设计，应该避免设计出具有相贴合面的构件，这类构件会导致缝隙中酸洗不彻底或酸液洗不净，造成镀锌表面流黄水的现象。热浸锌是在高温下进行的。对于管形构件，应该让其两端开敞。若两端封闭会造成管内空气膨胀而使封头板爆裂，从而造成安全事故。钢桥的护拦、扶梯及拼装式小型钢桥梁采用热浸锌防腐，热浸锌镀层一般无法超过80μm厚度，在一般工业大气环境下只能提供10年左右的有效保护；热浸锌防腐工艺需要将工件浸入熔融的金属锌镀槽中，受镀槽容积所限，不能对较大尺寸的钢桥部件进行防腐施工；其次，不能到现场进行热浸锌防腐，只能在固定的工厂施工，势必造成大量的往返运输费用；再次，热浸锌镀层碰伤后，自身无法进行修复。因此采用热浸锌方法对钢桥全面防腐有很大的局限性。
（2）热喷铝（锌）复合涂层。
钢结构表面只有喷锌、喷铝后，才能真正起到阳极保护作用，从而达到钢结构长效防腐的目的。因此国家许多重大工程及市政项目被指定采用该工艺，如：长江三峡永久闸门、上海东方明珠电视塔、杨浦大桥主护杆、广州市内环高架钢梁、上海证券大厦钢结构天线、浦东机场路共同沟爆气管道、上海南桥50～104Kw变电站等等。钢结构表面喷锌、喷铝工艺加以保护，防腐年限可达30年以上。如在锌铝涂层外再加油漆封闭，则防腐年限更长。这是一种与热浸锌防腐蚀效果相当的长效防腐蚀方法。具体做法是先对钢构件表面作喷砂除锈，使其表面露出金属光泽并打毛。再用乙炔-氧焰将不断送出的铝（锌）丝融化，并用压缩空气吹附到钢构件表面，以形成蜂窝状的铝（锌）喷涂层（厚度约80μm～100μm）。最后用环氧树脂或氯丁橡胶漆等涂料填充毛细孔，以形成复合涂层。此法无法在管状构件的内壁施工，因而管状构件两端必须做气密性封闭，以使内壁不会腐蚀。这种工艺的优点是对构件尺寸适应性强，构件形状尺寸几乎不受限制，如葛洲坝的船闸就是用这种方法施工的；另一个优点则是这种工艺的热影响是局部的，受约束的，因而不会产生热变形。1953年美国焊接学会对热喷涂锌、铝涂层在工业环境、海水环境（半浸在不流动海水和全浸在流动海水）和海洋性环境三大类环境进行长达19年的工业挂片试验，投放试片4248片，试验结果表明，喷锌、铝加封闭涂层都能对以上三大类环境的钢结构构件提供长期有效防腐保护，并公布了世界著名的热喷涂19年试验报告AWSC214-74。不同国家技术人员的试验结果也是一致的。即热喷涂锌、铝涂层均能够提供钢铁在海洋大气、工业大气、海水环境下的长久有效保护。这些试验结果直接被作为热喷涂防腐技术标准制定依据，直接推动了20世纪60年代以后世界发达国家大型钢铁桥梁热喷涂防腐的应用，为热喷涂发展作出巨大贡献[6][7]。
（3）阴极保护
阴极保护法：在钢结构表面附加较活泼的金属取代钢材的腐蚀。对于需要在水下或地下使用的钢结构[8]，一般采用阴极保护的防腐蚀方式。阴极保护法共分外加电流式和牺牲阳极式两种形式：外加电流措施是对于裸露的钢构件实施外加电流，此法需要消耗大量的保护电能，这对于整个系统是不经济的；牺牲阳极措施主要利用比钢材的电位更低的金属和合金制成牺牲性的阳极，从而使钢结构本身免遭腐蚀。研究表明，阴极保护技术是海工钢结构行之有效的防腐蚀措施，采取该措施后的钢结构腐蚀速度可大大减少，仅为未受保护的钢结构的5%～10%。我国在海工钢结构中大量采用了阴极保护技术，例如天津港南疆石化码头钢管桩的2号墩改建工程及最近的三突堤码头改建工程中均采用了牺牲阳极法阴极保护。此法具有施工简便、工期短、不需专人维护管理等优点，有效地抑制了钢构件的腐蚀，保护率达90%以，取得了良好的效益。国内在大型钢结构实施时，阴极保护技术常与涂料保护联合应用。外加电流从根本上保证防止钢结构腐蚀，涂料保证在覆盖裸露的钢铁表面，将保护电流降低到最小的程度，二者相辅相成。但是，由于钢构件所处水质变化范围较大、水污染日趋严重，如何保证防腐的质量成为阴极保护的技术难点。
4结语
钢结构以其优良的物理、机械及施工性能，在国内的各种工程、机械、船舶等领域中的应用越来越广泛，但是钢结构腐蚀不仅会造成巨大的社会资源浪费，还有可能影响基础设施、安全设施、机械等的运行安全与稳定，造成较为严重的社会问题。为此，应通过对钢构件的腐蚀问题分析，在深入研究钢结构大气腐蚀、局部腐蚀、应力腐蚀类型和机理的基础上，积极开发新的防腐蚀措施，根据不同的应用环境和使役条件进行相应的防护。大型钢构件的腐蚀是严重工业工程问题，但是只要方法得当，完全是可防可治，使大型钢构件发挥更大的作用和社会效益。
参考文献
[1]沈祖英，黄文忠，沈德洪.钢结构制作安装手册[M] .北京： 中国建筑工业出版社，2002.
[2]中国钢结构协会.建筑钢结构施工手册 [M] .北京：中国计划出版社，2004.
[3]张启富， 郝晓东. 钢结构腐蚀防护现状和发展[J]. 中国建筑金属结构， 2006（9）：22-26.
[4]骆青业， 赵洲， 宋舟航. 14Cr17Ni2不锈钢紧固件防腐工艺的研究[J]. 机电产品开发与创新， 2017， 30（5）：12-13.
[5]赵发银， 吴万兴.不锈钢结构件防腐及表面处理技术[J].兵工自动化， 2009， 28（10）：51-52.
[6]唐松. 钢结构防腐方法及工艺[J].安徽水利水电职业技术学院学报， 2010， 10（3）：58-59.
[7]孟德荣， 李文华，陈颖.钢结构桥梁防腐蚀工艺研究[J].全面腐蚀控制， 2017， 31（6）：64-65.
[8]石磊， 黄波. 钢结构防腐[J].中国科技信息， 2005（4）：8-8.
[关键词]钢结构；涂层；防护；应力腐蚀；大气腐蚀；
中图分类号：TG661 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）04-0111-02
0引言
钢结构具有强度高、抗震性能好、节能效果好、工业化程度高、建设周期短等一系列优点，广泛应用于各种化工、机械、海洋等工业及各类民用建筑。
易腐蚀是钢结构的致命缺点之一，长期处于海洋大气、工业大气等腐蚀环境下的钢结构工程一旦被腐蚀，其强度、塑性等主要力学性能指标显著下降，结构的服役状况不断退化，造成在役钢结构工程的安全、适用及耐久降低。
世界各国因腐蚀而造成的经济损失十分惊人，据统计，每年由于腐蚀原因导致的损失，大约在金属总量的20%，经济损失极大。在我国，钢材消费主要集中在建筑、机械、汽车三大领域，占全部消费量将近80%左右，特别是随着我过“一带一路”和国内大规模基础设施建设，建筑业对钢构件的需求也越来越大。因此，建筑用钢材的金属腐蚀造成的经济损失尤为巨大。钢结构作为建筑业用钢量最大的一种施工方式，具有自重轻、抗震性能好、节能效果好、工业化程度高等一系列优点[1-2]，随着我国政府对钢结构行业的政策从过去限制用钢到鼓励合理用钢的转变，钢结构取代钢筋混凝土或砖混结构作为当代建筑业的发展趋势，具有广阔的应用空间，钢结构的防腐蚀问题也随之变得愈加突出。因此，从节约有限资源和能源的角度出发，钢结构防腐蚀对国民经济的发展显得尤为重要[3]。
1钢结构的类型
1）高层钢结构。高层钢结构一般指10层以上或 18m以上，主要采用型钢、钢板连接或焊接成构件，再经连接、焊接而成的结构体系。有专家测算，小高层钢结构用钢量可控制在每平方米50公斤以下，其工程造价增幅即可控制在10%左右，但综合效益十分可观，并将推进住宅生产经营方式的变革，拉动住宅产业的发展。而随着体系化、产业化水平的提高， 性能价格比也会提高，成本将会有所降低。同样超高层钢结构体系也具有明显的经济优势，符合未来建筑业的发展方向。
2）轻钢结构。轻型钢结构是指以彩涂钢板作为屋面和墙面，以薄壁型钢作檩条和圈梁，柱与梁以焊接H型钢为原料，现场用螺栓或焊接拼接的门式刚架为主要结构的一种建筑体系。这种体系由工厂制作，现场按要求拼装形成，具有以下优点：1、轻质高强，抗震性能好；2、有利于环保，其回收率接近100%；3、材料性能好，结构质量有保證；4、工业化程度高，施工快，有利于实现产业化；5、不可燃、不助燃、不开裂、不生霉菌、不蠕变、少维护、防火性能好。
3）空间钢结构。空间钢结构主要是指网架、网壳结构及其组合结构和杂交结构。这是一类受力合理、刚度大、重量轻、杆件单一、制作安装方便的空间结构体系，在近一二十年来获得蓬勃发展，并在大跨度、大柱网的公共和工业建筑中得到广泛应用，例如我国国家体育馆、北京农展馆等。
4）住宅钢结构。近5年以来，以轻型框架和冷弯型钢骨架为主要承力构件的住宅钢结构逐渐在国内得到认可，由于其易于实现工业化生产，标准化制作，而与之相配套的墙体材料可以采用节能、环保的新型材料，属绿色环保性建筑，可再生重复利用，符合可持续发展的战略，具有综合经济优势，因此钢结构体系住宅成套技术的研究成果必将大大促进住宅产业化的快速发展，直接影响着我国住宅产业的发展水平和前途。
5）桥梁钢结构。研究表明，结构跨度越大，自重在全部载荷中所占比重也就越大，减轻自重可以获得明显的经济效果。因此，钢结构强度高而且质量轻的优点对于大跨桥梁特别突出。近十年以来，我国建设的大跨度钢结构桥梁约20余座，用钢量很大。随着人们对于环保和钢铁资源循环利用等战略问题重要性越来越准确的认识，钢结构在桥梁建设方面会有非常广阔的空间。
6）城市交通、环保等公共设施用钢结构。在基础设施大发展的今天，公路、铁路建设迅速，大量的城市交通立交桥、护栏得到广泛采用，年消耗巨大。另外，我国内地近年来大量建造机场、会展中心、体育中心、文化中心等大型公共建筑，广泛采用各种形式的支承钢结构。例如浦东新区陆家嘴开发区的世界广场就是一座高标准、现代化的综合商办楼。其建筑面积约8万平方米，主体采用全钢骨结构。
2钢结构腐蚀类型和机理
钢结构腐蚀是一个电化学腐蚀过程，在役钢结构工程的腐蚀与结构类型、环境特征和防护措施有很大关系。腐蚀类型归纳起来主要有大气腐蚀、局部腐蚀和应力腐蚀三种类型。
2.1大气腐蚀
钢结构在常温大气环境下使用，钢材受大气中水分、氧和其它污染物的化学和电化学作用而被腐蚀，是一种常见的腐蚀现象，可以分为化学腐蚀和电化学腐蚀[4]。
化学腐蚀表现如下：
1）表面污染：附着在工件表面的油污、灰尘及酸、碱、盐等在一定条件转化为腐蚀介质，特别是有侵蚀性阴离子（如 CI-）存在时，与不锈钢件中的某些成分发生化学反应，产生化学腐蚀而生锈。
2）表面划伤：各种划伤对钝化膜的破坏，使不锈钢保护能力降低，易与化学介质发生反应，产生化学腐蚀而生锈。
3）清洗：酸洗钝化后清洗不干净，造成残液存留，直接腐蚀不锈钢件。
电化学腐蚀主要为：
1）碳钢污染：与碳钢件接触造成的划伤与腐蚀介质形成原电池，产生电化学腐蚀。
2）切割：割渣、飞溅等易生锈物质的附着与腐蚀介质形成原电池，产生电化学腐蚀。
3）烤焦：火焰加热区域的成份与金相组织发生不均匀变化，与腐蚀介质形成原电池，产生电化学腐蚀。 4）焊接：焊接区域的物理缺陷（咬边、气孔、裂纹、未熔合、未焊透等）和化学缺陷（晶粒粗大、晶界贫铬、偏析等）与腐蚀介质形成原电池，产生电化学腐蚀。
5）材质：不锈钢材质的化学缺陷（成份不均匀、S、P 杂质等）和表面物理缺陷（疏松、砂眼、裂纹等），与腐蚀介质形成原电池，产生电化学腐蚀。
6）钝化：酸洗钝化效果不好造成不锈钢表面钝化膜不均匀或较薄，易形成电化学腐蚀。
7）清洗：存留的酸洗钝化残液与不锈钢发生化学腐蚀的生成物与不锈钢件形成电化学腐蚀。
8）水蒸汽：主要是大气中水汽形成金属表层的电解液层，而空气中的氧溶于其中作为阴极去极剂，二者与钢构件形成了一个基本的腐蚀原电池。常温下，钢材的临界湿度为60%～70%，一般在金属表面形成肉眼看不见的液膜，引起腐蚀，当大气腐蚀在钢构件表面形成锈层后，腐蚀产物会影响大气腐蚀的电极反应。
在高温（100℃）条件下，腐蚀机理与常温（100℃以下）完全不同，这是水以气态存在，电化学作用很小，降为次要因素，金属和腐蚀性干燥气体（H2S，SO2，CL2等）相接触，表面形成相应的化合物（氧化物、硫化物、氯化物等），形成对钢结构的化学腐蚀。这种腐蚀情况尤其以工业厂房严重。
2.2局部腐蚀
局部腐蚀是钢结构最常见的破坏形态，主要包括电偶腐蚀、缝隙腐蚀。电偶腐蚀主要发生在钢结构不同金属组合或者连接处，其中电位较负的金属腐蚀速度较大，而电位较正的金属受到保护，两种金属构成了腐蚀原电池。研究表明，接触金属的电位差为电偶腐蚀的驱动力，两种金属的电极电位差愈大，电偶腐蚀愈严重。钢结构最常见的缝隙腐蚀形式有铆接、衬垫和颗粒沉积等，它的发生会导致钢结构整体强度降低。由以上分析可知，缝隙腐蚀发生的条件： 首先应存在一定具备腐蚀条件的缝隙，缝隙中必须有一定的液体；其次构件的缝隙宽度必须窄到可以使得液体在缝内停滞，钢结构的缝隙腐蚀最敏感的缝宽为0.025-0.1mm。钢结构最常见的缝隙腐蚀形式有铆接、衬垫和颗粒沉积等，由于这些连接中的缝隙在工程中是不可避免的，所以钢结构的缝隙腐蚀也是不可完全避免的，它的发生会导致钢结构整体强度降低，减少吻合程度。
2.3应力腐蚀
不同使用状态下，由于钢结构既要承受拉伸、压缩、弯曲和扭转等各种应力的作用，同时又受到腐蚀介质的作用，所以其采用的低碳钢、低合金钢、高强钢等在水介质、CO-CO2- H2O 中极易发生应力腐蚀。在腐蚀环境中，钢结构受力作用会使腐蚀加速，即在某一特定的介质中，钢结构不受到应力作用时腐蚀甚微，但是受到拉伸应力后，经过一段时间构件会发生突然断裂。由于这种应力腐蚀断裂事先没有明显的征兆，所以往往造成灾难性后果，如桥梁坍塌、管道泄漏、建筑物倒塌等，帶来巨大的经济和人员伤亡。钢结构应力腐蚀主要受到力学、电化学、构件材料三个方面的影响。环境因素和构件材料通过影响钢结构腐蚀的电化学行为决定了裂纹的形核、长大，并在应力的作用下导致构件失稳断裂。同时力学行为也受到构件材料和应力因素的影响，其对于裂纹的不同成长阶段都具有一定作用，并最终与电化学行为一同决定了构件的失稳断裂。
3钢结构防腐措施
针对钢结构腐蚀的类型和机理，腐蚀保护的措施主要包括三个方面：提高基材的耐腐蚀性能，使用有机、无机涂层和金属镀层，外加电流。
3.1提高基材耐腐蚀能量方法：
主要是指采用新的钢结构产品，提高钢结构的耐腐蚀性能，如耐候钢等。耐候钢即耐大气腐蚀钢，耐腐蚀性能优于一般结构用钢。一般含有磷、铜、镍、铬、钦等金属，使其在金属基体表面形成保护层，以提高耐腐蚀性。其低温冲击韧性也比一般的结构用钢好。我国耐候钢的标堆，分为《焊接结构用耐候钢》（GB4172一84）和《高耐候性结构钢》（GB4171一84）。
3.2防腐涂层
对于大部分结构件由于受成本、使用环境的限制不可能做到完全的防腐，这就需要让结构基体与氧气、水等腐蚀介质隔离开来，主要的方法就是在结构件表面制造防腐涂层，通过介质隔离达到防腐的目的，如油漆涂装。
（1）油漆涂装。
油漆防腐具有美丽的外观，简单的涂装工艺，多年来一直被广泛采用。随着涂装工艺的发展，无论是国外名牌油漆，还是国内品牌油漆，其防腐涂装工艺和涂料品种都非常相似，即涂装工艺由底漆、中间漆和面漆组成的多层涂装体系；较好的油漆品种有环氧（无机）富锌底漆、环氧云母氧化铁中间漆和环氧聚氨酯或吗各色面漆或氯化橡胶面漆等组成。其缺点是防腐年限一般较短。因此需要经常性进行维修、保养，常见的方法就是拷铲油漆，耗费大量人力物力。油漆涂装防腐常用于室内钢结构或相对易于维护的室外钢结构较多。它一次成本低，但用于户外时维护成本较高。施工的第一步是除锈。优质的涂层依赖于彻底的除锈。所以要求高的涂层一般多用喷砂喷丸除锈，露出金属的光泽，除去所有的锈迹和油污。现场施工的涂层可用手工除锈。涂层的选择要考虑周围的环境。不同的涂层对不同的腐蚀条件有不同的耐受性。底漆含粉料多，基料少，成膜粗糙，与钢材粘附力强，与面漆结合性好。面漆则基料多，成膜有光泽，能保护底漆不受大气腐蚀，并能抗风化。不同的涂料之间有相容与否的问题，前后选用不同涂料时要注意它们的相容性。涂层的施工要有适当的温度（5～38℃）和湿度（相对湿度不大于85%）。涂层的施工环境粉尘要少，构件表面不能有结露。涂装后4h之内不得淋雨。涂层一般做4～5遍。干漆膜总厚度室外工程为150μm，室内工程为125μm，允许偏差为25μm。在海边或海上或是在有强烈腐蚀性的大气中，干漆膜总厚度可加厚[5]为200μm～220μm。
（2）玻璃钢防腐层玻璃钢材料。
通常由不饱和聚醋树醋、玻璃纤维、过氧化物、低收缩添加剂、特殊材料等构成，具有防静电、阻燃、耐腐蚀等特性，但强度低、刚性差，不可取代钢材受力件，只能被用作防腐材料。由于玻璃钢材料的耐温性和气候环境适应性较差，服务年限一般为10～20年。 （3）防腐涂料。
具有成本低、工艺简单、场地要求不严等优点，但效果不如长效防腐蚀技术，且用于户外时维护成本偏高。防腐涂料技术成功的关键是除锈和涂料的选择。优质的涂层依赖于彻底的表面预处理，否则涂层的有效期将会相差较大，现在钢结构工程一般是采用喷砂或喷丸除锈。防腐涂装应根据实际情况确定施工工序，施工过程主要包括：钢材表面处理、除锈方法的选择和除锈质量等级的确定、涂料品种的选择、涂层结构和涂层厚度的设计等。根据施工单位调查发现，施工工序、施工工艺及涂装材料的选择对涂装施工影响是很大的，同时也对涂层质量与实效性有必要重要的影响。
（4）热喷涂涂层。
热喷涂是在对钢构件表面作喷砂除锈，使其表面露出金属光泽并在打毛的基础上，采用燃烧火焰、電弧等做为热源，将喷涂材料加热到塑态和熔融状态，并用压缩空气将呈雾化的材料颗粒束吹到基体表面上，随之激冷并不断层积而形成涂层的工艺方法。热喷涂防腐技术是一种非常有效的防腐措施，这种防腐措施在我国水工建筑和铁路工程得到广泛的推广与应用。如长江三峡大桥枢纽工程中的下牢溪大桥和黄柏河大桥，都采用了热喷涂长效防腐蚀技术，到目前为止使用效果良好。我国首条磁悬浮列车的轨道梁采用了电弧喷涂稀土铝合金复合涂层进行防腐处理，取得了良好的效果。
3.3金属镀层及阴极保护
（1）热浸镀锌。
它是将除锈后的钢构件浸入600℃左右高温融化的锌液中，使钢构件表面附着锌层，锌层厚度对5mm以下薄板不得小于65μm，对厚板不小于86μm，以起到防腐蚀的目的。这种方法的优点是耐久年限长，生产工业化程度高，质量稳定，因而被大量用于受大气腐蚀较严重且不易维修的室外钢结构中，如大量输电塔、通讯塔等。近年来大量出现的轻钢结构体系，也较多采用热浸锌防腐蚀。热浸锌的首道工序是酸洗除锈，然后是清洗。这两道工序不彻底均会给防腐蚀留下隐患，所以必须处理彻底。对于钢结构设计，应该避免设计出具有相贴合面的构件，这类构件会导致缝隙中酸洗不彻底或酸液洗不净，造成镀锌表面流黄水的现象。热浸锌是在高温下进行的。对于管形构件，应该让其两端开敞。若两端封闭会造成管内空气膨胀而使封头板爆裂，从而造成安全事故。钢桥的护拦、扶梯及拼装式小型钢桥梁采用热浸锌防腐，热浸锌镀层一般无法超过80μm厚度，在一般工业大气环境下只能提供10年左右的有效保护；热浸锌防腐工艺需要将工件浸入熔融的金属锌镀槽中，受镀槽容积所限，不能对较大尺寸的钢桥部件进行防腐施工；其次，不能到现场进行热浸锌防腐，只能在固定的工厂施工，势必造成大量的往返运输费用；再次，热浸锌镀层碰伤后，自身无法进行修复。因此采用热浸锌方法对钢桥全面防腐有很大的局限性。
（2）热喷铝（锌）复合涂层。
钢结构表面只有喷锌、喷铝后，才能真正起到阳极保护作用，从而达到钢结构长效防腐的目的。因此国家许多重大工程及市政项目被指定采用该工艺，如：长江三峡永久闸门、上海东方明珠电视塔、杨浦大桥主护杆、广州市内环高架钢梁、上海证券大厦钢结构天线、浦东机场路共同沟爆气管道、上海南桥50～104Kw变电站等等。钢结构表面喷锌、喷铝工艺加以保护，防腐年限可达30年以上。如在锌铝涂层外再加油漆封闭，则防腐年限更长。这是一种与热浸锌防腐蚀效果相当的长效防腐蚀方法。具体做法是先对钢构件表面作喷砂除锈，使其表面露出金属光泽并打毛。再用乙炔-氧焰将不断送出的铝（锌）丝融化，并用压缩空气吹附到钢构件表面，以形成蜂窝状的铝（锌）喷涂层（厚度约80μm～100μm）。最后用环氧树脂或氯丁橡胶漆等涂料填充毛细孔，以形成复合涂层。此法无法在管状构件的内壁施工，因而管状构件两端必须做气密性封闭，以使内壁不会腐蚀。这种工艺的优点是对构件尺寸适应性强，构件形状尺寸几乎不受限制，如葛洲坝的船闸就是用这种方法施工的；另一个优点则是这种工艺的热影响是局部的，受约束的，因而不会产生热变形。1953年美国焊接学会对热喷涂锌、铝涂层在工业环境、海水环境（半浸在不流动海水和全浸在流动海水）和海洋性环境三大类环境进行长达19年的工业挂片试验，投放试片4248片，试验结果表明，喷锌、铝加封闭涂层都能对以上三大类环境的钢结构构件提供长期有效防腐保护，并公布了世界著名的热喷涂19年试验报告AWSC214-74。不同国家技术人员的试验结果也是一致的。即热喷涂锌、铝涂层均能够提供钢铁在海洋大气、工业大气、海水环境下的长久有效保护。这些试验结果直接被作为热喷涂防腐技术标准制定依据，直接推动了20世纪60年代以后世界发达国家大型钢铁桥梁热喷涂防腐的应用，为热喷涂发展作出巨大贡献[6][7]。
（3）阴极保护
阴极保护法：在钢结构表面附加较活泼的金属取代钢材的腐蚀。对于需要在水下或地下使用的钢结构[8]，一般采用阴极保护的防腐蚀方式。阴极保护法共分外加电流式和牺牲阳极式两种形式：外加电流措施是对于裸露的钢构件实施外加电流，此法需要消耗大量的保护电能，这对于整个系统是不经济的；牺牲阳极措施主要利用比钢材的电位更低的金属和合金制成牺牲性的阳极，从而使钢结构本身免遭腐蚀。研究表明，阴极保护技术是海工钢结构行之有效的防腐蚀措施，采取该措施后的钢结构腐蚀速度可大大减少，仅为未受保护的钢结构的5%～10%。我国在海工钢结构中大量采用了阴极保护技术，例如天津港南疆石化码头钢管桩的2号墩改建工程及最近的三突堤码头改建工程中均采用了牺牲阳极法阴极保护。此法具有施工简便、工期短、不需专人维护管理等优点，有效地抑制了钢构件的腐蚀，保护率达90%以，取得了良好的效益。国内在大型钢结构实施时，阴极保护技术常与涂料保护联合应用。外加电流从根本上保证防止钢结构腐蚀，涂料保证在覆盖裸露的钢铁表面，将保护电流降低到最小的程度，二者相辅相成。但是，由于钢构件所处水质变化范围较大、水污染日趋严重，如何保证防腐的质量成为阴极保护的技术难点。
4结语
钢结构以其优良的物理、机械及施工性能，在国内的各种工程、机械、船舶等领域中的应用越来越广泛，但是钢结构腐蚀不仅会造成巨大的社会资源浪费，还有可能影响基础设施、安全设施、机械等的运行安全与稳定，造成较为严重的社会问题。为此，应通过对钢构件的腐蚀问题分析，在深入研究钢结构大气腐蚀、局部腐蚀、应力腐蚀类型和机理的基础上，积极开发新的防腐蚀措施，根据不同的应用环境和使役条件进行相应的防护。大型钢构件的腐蚀是严重工业工程问题，但是只要方法得当，完全是可防可治，使大型钢构件发挥更大的作用和社会效益。
参考文献
[1]沈祖英，黄文忠，沈德洪.钢结构制作安装手册[M] .北京： 中国建筑工业出版社，2002.
[2]中国钢结构协会.建筑钢结构施工手册 [M] .北京：中国计划出版社，2004.
[3]张启富， 郝晓东. 钢结构腐蚀防护现状和发展[J]. 中国建筑金属结构， 2006（9）：22-26.
[4]骆青业， 赵洲， 宋舟航. 14Cr17Ni2不锈钢紧固件防腐工艺的研究[J]. 机电产品开发与创新， 2017， 30（5）：12-13.
[5]赵发银， 吴万兴.不锈钢结构件防腐及表面处理技术[J].兵工自动化， 2009， 28（10）：51-52.
[6]唐松. 钢结构防腐方法及工艺[J].安徽水利水电职业技术学院学报， 2010， 10（3）：58-59.
[7]孟德荣， 李文华，陈颖.钢结构桥梁防腐蚀工艺研究[J].全面腐蚀控制， 2017， 31（6）：64-65.
[8]石磊， 黄波. 钢结构防腐[J].中国科技信息， 2005（4）：8-8.