楊明飛，沙志平，陳宜網(wǎng)，王 辛，王 磊

（1.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南232001；2.安徽圣沃建設(shè)集團(tuán)有限公司，安徽 合肥230000；3.悉地國(guó)際設(shè)計(jì)顧問(wèn)（深圳）有限公司，上海200438）

鋼材具有強(qiáng)度高、延展性和抗震性能好的優(yōu)點(diǎn)，因此作為建筑材料在工程界被廣泛采用。常見(jiàn)于國(guó)內(nèi)外單層或多層廠房、大跨度、高層及超高層結(jié)構(gòu)等場(chǎng)所，鑒于近年來(lái)鋼結(jié)構(gòu)工程的重要程度不斷提升，鋼結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能越來(lái)越被研究人員關(guān)注，尤其是動(dòng)力性能分析方面。文獻(xiàn)[1]研究了鋼梁柱節(jié)點(diǎn)用鋼絞線連接后的抗震性能，發(fā)現(xiàn)在梁柱節(jié)點(diǎn)處施加預(yù)應(yīng)力可以適當(dāng)?shù)靥岣吖?jié)點(diǎn)的抗震性能；文獻(xiàn)[2-4]研究了鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)處的抗震能力，表明在梁柱節(jié)點(diǎn)處使用高強(qiáng)度鋼能增加節(jié)點(diǎn)耗能能力；文獻(xiàn)[4]研究了框架—鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震機(jī)理，發(fā)現(xiàn)鋼板剪力墻與框架結(jié)構(gòu)形成兩道抗側(cè)力體系，極大地提高了鋼框架結(jié)構(gòu)的抗震能力。隨著研究的逐步展開(kāi)，鋼結(jié)構(gòu)腐蝕的問(wèn)題正逐漸被納入其中。文獻(xiàn)[5]研究了存在不規(guī)則腐蝕的角鋼梁、無(wú)加筋板、加筋板等鋼構(gòu)件，其承載極限強(qiáng)度明顯降低；文獻(xiàn)[6]研究了作用在型鋼腹板上的腐蝕對(duì)構(gòu)件力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)腐蝕的存在降低構(gòu)件的抗壓強(qiáng)度，并提出腐蝕度與抗壓強(qiáng)度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系；文獻(xiàn)[7-9]研究了偏心受壓柱在腐蝕狀態(tài)下的承載性能，將腐蝕構(gòu)件加到框架結(jié)構(gòu)中，進(jìn)行低周往復(fù)加載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)腐蝕損傷能顯著降低鋼框架柱的極限承載力和耗能能力；文獻(xiàn)[10-12]也對(duì)均勻銹蝕下的鋼結(jié)構(gòu)抗震能力進(jìn)行了深入研究，但作者在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)工程檢測(cè)鑒定過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件腐蝕基本都發(fā)生在柱腳處，而并非鋼結(jié)構(gòu)整體發(fā)生嚴(yán)重銹蝕。

基于此，本文在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)ANSYS 軟件對(duì)帶有局部腐蝕的鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜、動(dòng)力分析，得到了在局部腐蝕作用下鋼框架結(jié)構(gòu)整體抗震性能，為鋼結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用提供參考。

1 層鋼框架案例

1.1 工程概況

某實(shí)際工程為帶斜撐的6 層鋼框架結(jié)構(gòu)，框架梁、柱采用H 型鋼，牌號(hào)Q235，根據(jù)不同的使用部位，H 型鋼的截面尺寸分別為：1-6 層主梁HN250×125×6/9，1 層中柱 HM340×250×9/14，1 層邊柱HW250×250×9/14，2-6層中柱HW250×250×9/14，2-6層邊柱HW175×175×7.5/11，1層支撐HM194×150×6/9，2-6 層支撐 HW125×125×6.5/9，次梁 HN248×124×5/8，所有長(zhǎng)度以mm為單位。工程所在地區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度，按Ⅱ類場(chǎng)地考慮，結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)布置圖

1.2 模型加載

按照現(xiàn)行荷載規(guī)范要求，此鋼框架結(jié)構(gòu)僅考慮每層樓面恒荷載和活荷載，不計(jì)入樓層內(nèi)輕質(zhì)隔墻重量，計(jì)算樓層最外圍墻體重量。由于房屋高度較低，結(jié)構(gòu)是以豎向荷載為主要控制指標(biāo)，不考慮風(fēng)荷載的影響，主要荷載統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 主要荷載統(tǒng)計(jì)表

1.3 局部腐蝕模型

根據(jù)鋼框架結(jié)構(gòu)布置，利用有限元軟件ANSYS分別建立無(wú)腐蝕鋼框架模型和局部腐蝕鋼框架模型。對(duì)腐蝕損傷模型做損傷簡(jiǎn)化處理，通過(guò)失重率來(lái)描述鋼材平均截面面積的減小、不均勻銹蝕造成構(gòu)件應(yīng)力集中的現(xiàn)象和鋼材材性的退化。

模型中鋼材采用理想彈塑性模型，構(gòu)件采用實(shí)體單元模擬，其點(diǎn)腐蝕體現(xiàn)為對(duì)屈服強(qiáng)度、彈性模量和構(gòu)件截面面積的折減，并考慮到工程中較為常見(jiàn)的銹蝕情況，將點(diǎn)腐蝕布置在底層柱腳雙側(cè)翼緣和腹板上。其中，屈服強(qiáng)度、彈性模量和構(gòu)件截面尺寸折減公式分別為[13]：

式中：fy、f′y分別為腐蝕損傷前后鋼材的屈服強(qiáng)度，Dw為失重率，E′表面含銹蝕損傷的構(gòu)件等效彈性模量，△t為鋼材厚度損失，t0為原始鋼材厚度，W0為原始鋼材重量，W1為腐蝕后剩余重量。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果，將局部腐蝕損傷構(gòu)件布置在1 層結(jié)構(gòu)外圍，內(nèi)部構(gòu)件仍使用原始截面。為研究局部腐蝕對(duì)鋼結(jié)構(gòu)抗震性能的影響規(guī)律，文中設(shè)置失重率分別為0、5%、10%、15%、20%，1層外圍構(gòu)件折減后的材料屬性見(jiàn)表2。

表2 等效點(diǎn)蝕構(gòu)件參數(shù)

鋼框架結(jié)構(gòu)數(shù)值模型如圖2所示。

圖2 6層鋼框架數(shù)值模型

2 鋼框架結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

對(duì)無(wú)局部腐蝕損傷鋼框架和局部不同程度腐蝕的鋼框架分別進(jìn)行線彈性計(jì)算分析，得到5 組不同靜力工況下的受力情況。同時(shí)，為得到腐蝕前后鋼框架結(jié)構(gòu)的整體剛度變化趨勢(shì)，對(duì)上述5 組不同工況的鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)分析，對(duì)比了結(jié)構(gòu)受損情況，接著對(duì)受損結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析，進(jìn)而得出腐蝕前后結(jié)構(gòu)在地震激勵(lì)下的動(dòng)力響應(yīng)。

2.1 靜力分析

利用ANSYS 軟件對(duì)無(wú)腐蝕鋼框架結(jié)構(gòu)和不同失重率的局部腐蝕鋼框架結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行靜力分析，分別得到無(wú)腐蝕和失重率20%鋼框架結(jié)構(gòu)應(yīng)力、位移分布。其中，無(wú)腐蝕鋼框架結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為116MPa，最大位移為7.526mm。結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力發(fā)生在2 層的②軸-?軸相交的梁柱節(jié)點(diǎn)處，同時(shí)各層最大豎向位移均發(fā)生在樓、屋面中心，方向豎直向下。失重率20%的局部腐蝕結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為117MPa，最大位移為7.575mm。最大應(yīng)力位置和最大位移方向均同無(wú)腐蝕結(jié)構(gòu)。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，20%的失重率對(duì)鋼框架結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力的影響不大，并且對(duì)最大位移的影響也基本可以忽略。

通過(guò)對(duì)應(yīng)力云圖進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)1 層外圍構(gòu)件中①軸-?軸、①軸-?軸、④軸-?軸和④軸-?軸交點(diǎn)，損傷柱柱底應(yīng)力明顯增大，說(shuō)明腐蝕損傷對(duì)結(jié)構(gòu)局部位置受力有一定的影響，尤其是與帶有局部腐蝕損傷構(gòu)件連接的節(jié)點(diǎn)處。以①軸和?軸相交柱為例，失重率20%的腐蝕結(jié)構(gòu)柱底損傷處最大應(yīng)力為67.5MPa，而無(wú)腐蝕結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)位置的最大應(yīng)力為55.5MPa，應(yīng)力增加21.6%，說(shuō)明受腐蝕構(gòu)件承載能力被削弱幅度較為明顯。

2.2 模態(tài)分析

為分析局部腐蝕損傷對(duì)鋼框架結(jié)構(gòu)整體動(dòng)力特性的影響，對(duì)無(wú)腐蝕鋼框架結(jié)構(gòu)和不同失重率下的局部腐蝕鋼框架結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行模態(tài)分析，表3 給出了無(wú)腐蝕損傷和失重率為20%的鋼框架結(jié)構(gòu)前10階模態(tài)。

表3 無(wú)腐蝕、失重率20%鋼結(jié)構(gòu)前10階模態(tài)

通過(guò)對(duì)表3 的分析可以發(fā)現(xiàn)：因一層外圍構(gòu)件柱腳腐蝕后，結(jié)構(gòu)的頻率有所降低，失重率最大的結(jié)構(gòu)降低程度最大，以1 階頻率為例，無(wú)腐蝕結(jié)構(gòu)1階頻率為1.1974，失重率20%腐蝕損傷結(jié)構(gòu)1 階頻率為1.1844，相對(duì)于無(wú)腐蝕結(jié)構(gòu)降低1.09%，但整體降低程度較小。

2.3 動(dòng)力時(shí)程分析

選用失重率為20%的局部腐蝕損傷鋼框架結(jié)構(gòu)，按照規(guī)范選取3 組地震波（2 組實(shí)際地震記錄和1組人工地震波）進(jìn)行激勵(lì)，地震波時(shí)長(zhǎng)20s，峰值加速度為35cm/s2，文中以Taft波為例進(jìn)行說(shuō)明。

利用激勵(lì)結(jié)果繪制的鋼框架結(jié)構(gòu)層間位移角如圖3，圖4所示。

圖3 無(wú)腐蝕結(jié)構(gòu)層間位移角

圖4 失重率20%腐蝕結(jié)構(gòu)層間位移角

通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，無(wú)局部腐蝕鋼框架結(jié)構(gòu)在13.72s，13.74s，13.78s，13.8s時(shí)出現(xiàn)最不利的層間位移角，如圖3 所示。其中在13.72s 時(shí)發(fā)生在第五層，層間位移角最大，其值為1/1210，滿足規(guī)范限值1/250 要求。此時(shí)無(wú)局部腐蝕結(jié)構(gòu)上最大應(yīng)力為46.9MPa，小于鋼材的屈服強(qiáng)度,最大應(yīng)力產(chǎn)生在③軸-?軸交點(diǎn)2 層樓面梁柱交接處,最大位移為0.0121m。失重率為20%的鋼框架結(jié)構(gòu)在13.74s，13.76s，13.8s，13.82s時(shí)出現(xiàn)最不利的層間位移角，如圖4所示。其中，在13.74s時(shí)發(fā)生在第五層，層間位移角最大，其值是1/1040，與無(wú)局部腐蝕結(jié)構(gòu)相比增加15.7%，發(fā)生位置與無(wú)腐蝕結(jié)構(gòu)相同，但均滿足規(guī)范限值1/250要求。此時(shí)最大應(yīng)力為57.3MPa，相較無(wú)腐蝕結(jié)構(gòu)增加了22.2%，小于鋼材的屈服強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)偏安全。最大應(yīng)力發(fā)生在②軸-?軸交點(diǎn)2層樓面梁柱交接處,最大位移為0.0127m。通過(guò)層間位移角對(duì)比可見(jiàn)，有局部腐蝕損傷的鋼框架結(jié)構(gòu)的整體剛度與無(wú)局部腐蝕的鋼框架結(jié)構(gòu)有明顯的下降。

3 結(jié) 論

1.靜力分析結(jié)果表明，就整體而言，鋼框架結(jié)構(gòu)腐蝕前后最大應(yīng)力值和位置并未發(fā)生明顯變化，但有局部腐蝕損傷的鋼結(jié)構(gòu)中，與帶有局部腐蝕損傷構(gòu)件連接的節(jié)點(diǎn)處，應(yīng)力增加明顯，達(dá)到了21.6%，有局部腐蝕的鋼柱承載能力明顯被削弱。結(jié)構(gòu)腐蝕損傷前后，結(jié)構(gòu)的最大位移基本相同，結(jié)構(gòu)整體變形形式相似，并未發(fā)生明顯改變。

2.對(duì)有無(wú)局部腐蝕的鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)分析，結(jié)果說(shuō)明隨失重率的增加，有局部腐蝕損傷鋼框架結(jié)構(gòu)的頻率相比無(wú)腐蝕結(jié)構(gòu)的頻率逐漸降低，表明結(jié)構(gòu)發(fā)生腐蝕后整體剛度出現(xiàn)降低。

3.通過(guò)對(duì)無(wú)局部腐蝕損傷鋼框架結(jié)構(gòu)與失重率20%的局部腐蝕結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析，結(jié)果顯示，最大層間位移角發(fā)生位置基本不變，但其值比無(wú)腐蝕損傷結(jié)構(gòu)增加15.7%，同時(shí)整體最大應(yīng)力比無(wú)腐蝕損傷結(jié)構(gòu)增加22.2%，有局部腐蝕損傷的鋼框架結(jié)構(gòu)剛度下降明顯。