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        多齡期銹蝕鋼結(jié)構(gòu)框架柱力學(xué)性能研究

        2021-07-18 14:22:54王明飛
        中國測試 2021年6期
        關(guān)鍵詞:鋼材齡期型鋼

        王 婷,王明飛

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

        0 引 言

        鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的性能影響。對于既有鋼結(jié)構(gòu)建筑,隨著其在酸性大氣環(huán)境下服役時間的增加,將導(dǎo)致其銹蝕程度增大,進(jìn)而使得結(jié)構(gòu)承重試件截面削弱及鋼材強度和延性的降低,引起結(jié)構(gòu)性能發(fā)生變化,如在水平地震作用下的層間位移增大,結(jié)構(gòu)安全將受到嚴(yán)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(zhì)不能提供強度,導(dǎo)致構(gòu)件有效截面減損,不均勻腐蝕形成腐蝕坑,引起應(yīng)力集中[1-2]。

        對既有鋼結(jié)構(gòu)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(jìn)行評估顯得尤為重要,且目前國內(nèi)外基于結(jié)構(gòu)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(xué)性能進(jìn)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(jié)論。鄭山鎖等[4]對處于酸性大氣環(huán)境下的鋼材力學(xué)性能進(jìn)行了一系列的試驗,研究表明鋼材力學(xué)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(xiàn)[5]通過對我國不同地區(qū)和不同齡期的工業(yè)鋼結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)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(xué)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(jìn)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(jìn)行了試驗研究,研究表明鋼材的力學(xué)性能指標(biāo)與失重率基本呈線性關(guān)系。從構(gòu)件或者結(jié)構(gòu)角度,史煒洲[3]對銹蝕鋼梁的力學(xué)性能進(jìn)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(jié)構(gòu)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(gòu)件和結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)柱構(gòu)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(jié)構(gòu)構(gòu)件性能的研究。因此,本文主要通過建立銹蝕鋼材力學(xué)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(jié)構(gòu)柱的性能進(jìn)行了初步研究,為我國的多齡期鋼結(jié)構(gòu)地震性能提供了基礎(chǔ)。

        1 銹蝕鋼材力學(xué)性能模型

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

        鋼材銹蝕會引起其截面的削弱及力學(xué)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(zhì)量減去鋼材銹蝕并除銹后的質(zhì)量與鋼材原質(zhì)量的比值,D越大就表示該試件的銹蝕程度越嚴(yán)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(zhì)量,單位為g,其中t為結(jié)構(gòu)的銹蝕齡期,單位為年。例如鋼構(gòu)件截面采用H型鋼,失重率D可表達(dá)成以下形式:

        式中:l——H型鋼構(gòu)件的長度;

        ρ——鋼材的密度;

        bw和b′w——結(jié)構(gòu)銹蝕齡期分別為0年和t年時試件翼緣寬度;

        tw和t′w——結(jié)構(gòu)銹蝕齡期分別為0年和t年時試件翼緣厚度;

        hf和h′f——結(jié)構(gòu)銹蝕齡期分別為0年和t年時試件腹板高度;

        tf和t′f——結(jié)構(gòu)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(xué)性能退化模型,需收集鋼材在腐蝕環(huán)境下的力學(xué)性能試驗,建立銹蝕鋼筋力學(xué)性能數(shù)據(jù)庫,收集的銹蝕鋼材力學(xué)性能試驗需符合以下準(zhǔn)則:

        1)鋼材的材料等級為Q235B,為大部分鋼結(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)中收集的銹蝕鋼材力學(xué)性能試驗數(shù)據(jù)和擬合結(jié)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(xué)性能與失重率的關(guān)系

        銹蝕鋼材的力學(xué)性能指標(biāo)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(xiàn)[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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能,以H型鋼柱為例進(jìn)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(jìn)行 pushover分析,建模過程中需要定義各齡期結(jié)構(gòu)鋼材的力學(xué)性能。通過銹蝕后鋼材材性試驗,得到銹蝕后鋼材的力學(xué)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(jié)構(gòu)的鋼材力學(xué)性能指標(biāo)。截面采用纖維截面模型,構(gòu)件采用基于位移法的非線性梁柱單元,并考慮P-Delta效應(yīng)。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(dá)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(yīng)變進(jìn)行截斷,即鋼柱在實際受力過程中,當(dāng)鋼材應(yīng)變達(dá)到或大于極限拉應(yīng)變時,鋼材的所承擔(dān)的應(yīng)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(jìn)一步看到,其曲線后半段結(jié)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(dá)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(jié)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(fù)試驗?zāi)M

        為了研究多齡期銹蝕鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的地震性能,將以H型鋼在低周期反復(fù)為例進(jìn)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。基于Opensees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(fù)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(fù)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(jìn)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(fù)荷載位移曲線

        2.3 不同截面形式對多齡期鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)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(jìn)一步將其再推廣到其他型鋼柱構(gòu)件。因此,為了研究不同截面形式對多齡期銹蝕鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能的影響,基于Opensees有限元計算分析軟件,本文進(jìn)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(jié)構(gòu)柱的數(shù)值模擬研究,結(jié)合式(3)、式(4)、式(5)和式(6)得到不同銹蝕齡期t下鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的鋼材力學(xué)性能。本文采用的鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(xué)性能退化指標(biāo)與失重率之間的關(guān)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(jié)構(gòu)構(gòu)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(jié)構(gòu)構(gòu)件性能退化模型

        為了研究多齡期鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)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(jié)構(gòu)構(gòu)件性能退化模型,如圖5所示。多齡期鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能退化模型如下式所示:

        式中:P和P'——多齡期銹蝕鋼結(jié)構(gòu)框架柱銹蝕前后的峰值承載力;

        Δ和Δ'——多齡期銹蝕鋼結(jié)構(gòu)框架柱銹蝕前后的峰值承載力對應(yīng)的位移。

        從(7)和式(8)可看到多齡期鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能退化模型與失重率是呈負(fù)線性關(guān)系,即多齡期鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)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(jié)構(gòu)構(gòu)件性能退化模型需要進(jìn)一步的試驗研究進(jìn)行驗證,也為多齡期鋼結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)性能研究提供了基礎(chǔ)。

        3 結(jié)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(jìn)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(jié)構(gòu)框架柱進(jìn)行了數(shù)值模擬,提出了模擬多齡期銹蝕鋼結(jié)構(gòu)框架柱的有限元數(shù)值模型,基于本文的研究,可得以下結(jié)論:

        1)多齡期銹蝕鋼材的力學(xué)性能指標(biāo),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(guān)系。

        2)多齡期銹蝕鋼柱的承載力和剛度性能指標(biāo)均隨著齡期的增大而下降,也基本呈線性關(guān)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(gòu)件性能的影響。

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