王 婷，王明飛

(1.成都職業(yè)技術學院，四川 成都 610041; 2.西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031)

0 引 言

鋼結構的性能（如承載力、剛度和延性等）會受到環(huán)境因素的影響，其中最為明顯的是腐蝕環(huán)境下對鋼結構的性能影響。對于既有鋼結構建筑，隨著其在酸性大氣環(huán)境下服役時間的增加，將導致其銹蝕程度增大，進而使得結構承重試件截面削弱及鋼材強度和延性的降低，引起結構性能發(fā)生變化，如在水平地震作用下的層間位移增大，結構安全將受到嚴重威脅?；诓牧蠈用?，鋼材腐蝕后其強度和延性下降，腐蝕生成的物質不能提供強度，導致構件有效截面減損，不均勻腐蝕形成腐蝕坑，引起應力集中[1-2]。

對既有鋼結構在未來可能發(fā)生的地震作用下發(fā)生各種不同程度的破壞進行評估顯得尤為重要，且目前國內外基于結構耐久性的抗震性能研究較少，主要集中于材料方面，主要以試驗研究為主。史煒洲等[3]對銹蝕鋼材的力學性能進行了實驗研究，得到了受腐蝕鋼材的屈服強度，抗拉強度和伸長率隨著腐蝕程度的增加而下降的結論。鄭山鎖等[4]對處于酸性大氣環(huán)境下的鋼材力學性能進行了一系列的試驗，研究表明鋼材力學性能隨著齡期的變大而變差，如鋼材的屈服強度，抗拉強度，伸長率和彈性模量等均隨著齡期的增大而減小。文獻[5]通過對我國不同地區(qū)和不同齡期的工業(yè)鋼結構建筑進行了耐久性能實測與材料性能試驗，提出了鋼材的腐蝕模型及力學性能退化模型。曹楚南等[6]對鋼材在多種環(huán)境下的腐蝕行為進行了一系列研究，積累了大量的試驗數(shù)據(jù)。范穎芳等[7-15]對銹蝕鋼材進行了試驗研究，研究表明鋼材的力學性能指標與失重率基本呈線性關系。從構件或者結構角度，史煒洲[3]對銹蝕鋼梁的力學性能進行了研究，得到了銹蝕鋼梁的承載力和剛度均隨著銹蝕的增大而減小。王曉飛等[16-17]建立了時變概率地震需求模型、時變概率抗震能力模型及時變易損性模型，并分析了結構易損性隨服役年限的衰減規(guī)律。

近年來，在考慮環(huán)境因素（腐蝕）下，銹蝕對鋼材材料，構件和結構的性能影響研究方面已積攢了大量的研究，但對于銹蝕對鋼結構柱構件的承載力和性能研究較少，也缺乏從纖維模型角度去模擬銹蝕鋼結構構件性能的研究。因此，本文主要通過建立銹蝕鋼材力學性能的損傷退化規(guī)律，從纖維模型角度，基于Opensees對銹蝕鋼結構柱的性能進行了初步研究，為我國的多齡期鋼結構地震性能提供了基礎。

1 銹蝕鋼材力學性能模型

為研究多齡期銹蝕鋼結構構件和結構性能的退化規(guī)律，首先需研究銹蝕對鋼材力學性能的影響，因此需要建立銹蝕鋼結構力學性能模型。

鋼材銹蝕會引起其截面的削弱及力學性能的改變，為定量描述鋼材試件的銹蝕程度，本文采用失重率D來描述鋼材的銹蝕程度，D為鋼材銹蝕前的質量減去鋼材銹蝕并除銹后的質量與鋼材原質量的比值，D越大就表示該試件的銹蝕程度越嚴重，失重率D的計算公式如下：

其中W和W'分別為鋼材銹蝕齡期分別為0年和t年試件的質量，單位為g，其中t為結構的銹蝕齡期，單位為年。例如鋼構件截面采用H型鋼，失重率D可表達成以下形式：

式中：l——H型鋼構件的長度；

ρ——鋼材的密度；

bw和b′w——結構銹蝕齡期分別為0年和t年時試件翼緣寬度；

tw和t′w——結構銹蝕齡期分別為0年和t年時試件翼緣厚度；

hf和h′f——結構銹蝕齡期分別為0年和t年時試件腹板高度；

tf和t′f——結構銹蝕齡期分別為0年和t年時試件腹板厚度。

其中b′w=bw-2Kt，t′w=tw-2Kt，h′f=hf-2Kt，t′f=tf-2Kt，K為鋼材腐蝕速率。

為建立銹蝕鋼材的力學性能退化模型，需收集鋼材在腐蝕環(huán)境下的力學性能試驗，建立銹蝕鋼筋力學性能數(shù)據(jù)庫，收集的銹蝕鋼材力學性能試驗需符合以下準則：

1）鋼材的材料等級為Q235B，為大部分鋼結構常用的材料，具有代表性。

2）鋼材的含碳量在0.08%左右。

3）鋼材所處環(huán)境為國際標準化組織ISO 12944—2腐蝕環(huán)境中的C3環(huán)境，即本文鋼材腐蝕率K為30 μm/a。

從文獻中收集的銹蝕鋼材力學性能試驗數(shù)據(jù)和擬合結果如圖1所示。從圖中可看到銹蝕鋼材的屈服強度、抗拉強度和伸長率均隨著鋼材失重率的增大而減小。

圖1 銹蝕鋼材力學性能與失重率的關系

銹蝕鋼材的力學性能指標擬合公式為：

式中：fy和f′y——多齡期銹蝕前后鋼材的屈服強度；

fu和fu′——多齡期銹蝕前后鋼材的極限強度；

δ和δ′——多齡期銹蝕前后鋼材的伸長率。

而多齡期銹蝕鋼材的彈性模量退化規(guī)律采用文獻[4]中提及的退化規(guī)律，如下式所示：

其中E和E′分別為多齡期銹蝕前后鋼材的彈性模量。

2 多齡期鋼結構Opensees數(shù)值建模

2.1 銹蝕H型鋼柱pushover數(shù)值模擬

為研究多齡期銹蝕鋼結構構件的性能，以H型鋼柱為例進行說明，柱截面尺寸為300 mm×200 mm×6 mm×8 mm，高度為3 000 mm，鋼材采用Q235鋼材。為了對不同銹蝕齡期(銹蝕齡期t為0年、15年、30年、45年)的 H型鋼柱進行 pushover分析，建模過程中需要定義各齡期結構鋼材的力學性能。通過銹蝕后鋼材材性試驗，得到銹蝕后鋼材的力學性能隨著失重率變化的退化規(guī)律見式(3)、式 (4)、式 (5)和式 (6)。在建模過程中，多齡期Opensees有限元模型中的材料非線性采用Steel01模型，在Opensees材料屬性輸入中采用式(3)、式(4)、式(5)和式(6)計算得到的各齡期結構的鋼材力學性能指標。截面采用纖維截面模型，構件采用基于位移法的非線性梁柱單元，并考慮P-Delta效應。圖2為Opensees有限元模型示意圖，可看到，模型分為6個節(jié)點，5個梁柱單元，從Node 1～Node 5中，每個節(jié)點之間的距離為500 mm，而Node 5～Node 6之間的距離為1 000 mm。

圖2 Opensees有限元模型示意圖

圖3為多齡期銹蝕H型鋼柱在不同齡期(銹蝕齡期t為0年、15年、30年、45年)下的荷載-位移曲線，可看到隨著銹蝕齡期t的增大，荷載-位移曲線的屈服點和峰值點逐漸增大，表明多齡期銹蝕H型鋼柱的承載力隨著銹蝕齡期的增大而下降，剛度隨著銹蝕齡期的增大而降低。從圖3中，還可看到在荷載-位移曲線具有明顯的屈服點和最高點，表明采用文中的Opensees有限元模型可較好地模擬了銹蝕多齡期H型鋼柱的水平荷載-位移曲線前半段。而在銹蝕H型鋼柱達到最大承載力后曲線較為快速下降。原因是文中的Opensees有限元模型中所采用的Steel01材料模型中對鋼材的極限拉應變進行截斷，即鋼柱在實際受力過程中，當鋼材應變達到或大于極限拉應變時，鋼材的所承擔的應力值為零。因此，計算模擬的水平荷載-位移曲線在峰值點承載力后出現(xiàn)下降段。從圖3中可進一步看到，其曲線后半段結果一開始下降而后又逐漸上升，這是由于軟件的數(shù)值計算問題引起的鋼柱承載力達到最低點后再繼續(xù)增長，表明多齡期銹蝕H型鋼柱的水平荷載-位移曲線后半段增長的結果較為失真。由圖3可看到，多齡期(銹蝕齡期t為0年、15年、30年和45年)銹蝕H型鋼柱的四條水平荷載-位移曲線下降段的趨勢較為一致，表明多齡期銹蝕對鋼柱的后期承載力的變化趨勢影響較小。

圖3 多齡期銹蝕H型鋼柱荷載位移曲線

2.2 銹蝕H型鋼柱低周期反復試驗模擬

為了研究多齡期銹蝕鋼結構構件的地震性能，將以H型鋼在低周期反復為例進行說明，柱截面尺寸同樣為 300 mm ×200 mm ×6 mm ×8 mm，其有限元模型均與2.1節(jié)相同?；贠pensees有限元平臺，模擬了不同銹蝕多齡期(銹蝕齡期t為0年、15年、30年、45年)的銹蝕H型鋼柱低周期反復荷載試驗。圖4所示為不同銹蝕多齡期(銹蝕齡期t為0年、15年、30年、45年)的H型鋼柱低周期反復荷載位移曲線。從圖4可看到隨著銹蝕齡期t的增大，H型鋼柱的承載力、位移和延性逐漸下降，表明多齡期銹蝕H型鋼柱的承載力、位移和延性均隨著銹蝕齡期t的增大而降低。從圖4中可看到，隨著銹蝕齡期t的增大，多齡期銹蝕H型鋼柱的軟化特征逐漸增大。從圖4的4個多齡期銹蝕H型鋼柱的水平荷載-位移滯回曲線對比中可進一步看到，隨著銹蝕齡期t的增大，多齡期銹蝕H型鋼柱的滯回環(huán)逐漸縮小，表明多齡期銹蝕H型鋼柱的耗能能力隨著銹蝕齡期t的增大而降低。從圖4中可知，隨著銹蝕齡期t的增大，多齡期銹蝕H型鋼柱的滯回環(huán)基本保持棱形形狀，基本呈現(xiàn)出一種彎曲破壞為主的破壞模式，由此表明多齡期銹蝕H型鋼柱的破壞模式基本不隨銹蝕齡期t的增大而改變。

圖4 多齡期銹蝕H型鋼柱反復荷載位移曲線

2.3 不同截面形式對多齡期鋼結構構件性能影響

通過2.2節(jié)的多齡期銹蝕H型鋼柱作為特殊實例，已經(jīng)驗證Opensees有限元建模計算的有效性，在本節(jié)中，進一步將其再推廣到其他型鋼柱構件。因此，為了研究不同截面形式對多齡期銹蝕鋼結構構件性能的影響，基于Opensees有限元計算分析軟件，本文進行了不同截面形式下，在經(jīng)歷了不同銹蝕齡期(銹蝕齡期t為0年、15年、30年、45年)下銹蝕鋼結構柱的數(shù)值模擬研究，結合式(3)、式(4)、式(5)和式(6)得到不同銹蝕齡期t下鋼結構構件的鋼材力學性能。本文采用的鋼結構柱子截面形式分別為H型鋼柱，不對稱H型鋼柱，工字鋼柱，槽鋼柱和方鋼柱，如表1所示，采用的Opensees有限元模型建模方法與2.1節(jié)相同。表中H型鋼柱截面為截面高度×寬度×腹板厚度×翼緣厚度； 不對稱H型鋼柱截面為截面高度×上翼緣板寬度×下翼緣板寬度×腹板厚度×上翼緣板厚度×下翼緣板厚度；工字鋼表示方法與H型鋼相同； 槽鋼柱截面尺寸為腰部高度×腿部寬度×腰部厚度×腿部厚度；方鋼管柱截面尺寸為截面寬度×截面高度×厚度。

表1 多齡期銹蝕鋼結構框架柱不同截面尺寸

圖5中的數(shù)據(jù)點為各種截面形式下鋼柱力學性能退化指標與失重率之間的關系，可看到無論是哪種截面形式，銹蝕鋼柱的承載力和位移均隨著失重率的增大而下降，可得銹蝕鋼結構構件的性能隨著齡期的增長而下降。從圖5可明顯看到，相對于其他截面形式而言，方鋼管鋼柱性能隨著齡期的增大，承載力和位移下降比其他截面形式的鋼柱小。

2.4 多齡期鋼結構構件性能退化模型

為了研究多齡期鋼結構構件性能退化的一般規(guī)律，通過采用最小二乘法，對2.3節(jié)中各種截面形式下多齡期銹蝕鋼柱的承載力與位移性能擬合分析，可得多齡期鋼結構構件性能退化模型，如圖5所示。多齡期鋼結構構件性能退化模型如下式所示：

式中：P和P'——多齡期銹蝕鋼結構框架柱銹蝕前后的峰值承載力；

Δ和Δ'——多齡期銹蝕鋼結構框架柱銹蝕前后的峰值承載力對應的位移。

從（7）和式（8）可看到多齡期鋼結構構件性能退化模型與失重率是呈負線性關系，即多齡期鋼結構構件性能隨著失重率的增大而下降。本文所提出的多齡期鋼結構構件性能退化模型需要進一步的試驗研究進行驗證，也為多齡期鋼結構整體結構性能研究提供了基礎。

3 結束語

本文通過研究典型酸性大氣環(huán)境下鋼材的性能退化規(guī)律，進而提出銹蝕鋼材材料退化模型，采用Opensees有限元計算分析軟件平臺，對各種截面形式下的多齡期銹蝕鋼結構框架柱進行了數(shù)值模擬，提出了模擬多齡期銹蝕鋼結構框架柱的有限元數(shù)值模型，基于本文的研究，可得以下結論：

1）多齡期銹蝕鋼材的力學性能指標，如屈服強度，抗拉強度和伸長率等，均隨著齡期的增大而下降，基本呈線性關系。

2）多齡期銹蝕鋼柱的承載力和剛度性能指標均隨著齡期的增大而下降，也基本呈線性關系。

3）截面形式對多齡期銹蝕鋼柱性能變化有一定的影響，相對于其他截面形式而言，方鋼管鋼柱性能隨著齡期的增大，承載力和位移下降比其他截面形式的鋼柱小，表明這種截面形式可以有效的防止齡期對鋼構件性能的影響。