考虑锈蚀损伤的钢框架节点恢复力模型研究

曹 琛，郑山锁，胡卫兵，贺金川，张晓辉，刘 毅

考虑锈蚀损伤的钢框架节点恢复力模型研究

曹 琛1,2，郑山锁1,2，胡卫兵1,2，贺金川3，张晓辉1,2，刘 毅1,2

(1. 西安建筑科技大学土木工程学院，西安 710055；2. 西安建筑科技大学结构工程与抗震教育部重点实验室，西安 710055；3.西安建筑科技大学建筑设计研究院，西安 710055)

钢框架节点；酸性大气环境；锈蚀；低周往复加载试验；恢复力模型

众所周知，易锈蚀是钢结构最主要的缺点之一.钢材遭受锈蚀后，构件有效截面面积减小，强度和刚度均会产生劣化，导致钢结构耐久性和抗震性能不断退化[1]．郑山锁等[2]对经受不同酸性盐雾锈蚀程度的钢框架柱的抗震性能进行了试验研究，结果表明锈蚀程度越重，钢框架柱承载力、刚度、延性及耗能能力降低越明显；文献[3]对4榀不同锈蚀程度的平面钢框架结构进行了拟静力试验，研究发现锈蚀程度的加剧导致平面钢框架的破坏形式由延性破坏转为脆性破坏．文献[4]试验研究了不同锈蚀率和加载制度下的钢框架节点试件的抗震性能，结果表明锈蚀对钢框架节点的破坏形态、承载力、刚度及耗能能力均有较大的影响．上述文献虽采用抗震性能试验研究了锈蚀对钢框架结构力学与抗震性能的影响，但均未涉及钢框架结构构件的恢复力模型理论研究．

近年来，各国学者对钢结构或构件的恢复力模型研究逐渐增多，针对钢结构中不同形式的节点端板连接，Bernuzzi等[5]提出了双线性退化模型；Moncarz等[6]提出了5参数三线性退化模型；施刚等[7]则采用4参数随动强化模型．上述恢复力模型均是基于未锈蚀钢结构节点连接而得到的，鲜有考虑锈蚀损伤对钢结构构件恢复力模型的影响．由于锈蚀对钢材力学性能产生较大的劣化作用，因此，锈蚀构件与未锈蚀构件间的抗震性能亦存在较大差异．为了真实地反映锈蚀钢框架结构的抗震性能，故建立锈蚀钢结构构件的恢复力模型显得非常有必要．

1 试验概况

1.1 试件设计

参考国家现行规范与规程[9-10]，按“强柱弱梁”原则设计了6榀1∶2缩尺比例的钢框架边节点试件．试件均采用热轧H型钢制作，材质为Q235B，各试件框架梁、柱截面规格均相同，分别为HN300×150×6.5×9、HW250×250×9×14．梁柱刚度比、板件宽厚比满足《钢结构设计规范》[9]要求；构件间均采用焊接连接．试件几何尺寸见图1，试件设计参数见表1．

表1 试件设计参数

Tab.1 Design parameters of specimens

1.2 酸性大气环境加速腐蚀试验

本文利用人工气候环境试验技术模拟酸性大气环境作用，试验采用西安建筑科技大学ZHT/W2300气候模拟实验系统进行，依据《金属和合金的腐蚀酸性盐雾、“干燥”和“湿润”条件下的循环加速试验》(GB/T 24195—2009)规定的酸性盐雾试验条件，对该系统进行参数设定以进行酸性大气环境加速腐蚀试验．具体参数设置如表2所示．

表2 酸性大气环境模拟试验参数

Tab.2 Test parameters of acidic atmospheric environ-ment simulation

1.3 加载装置及加载制度

钢框架节点拟静力试验在西安建筑科技大学结构抗震试验室进行．水平低周往复荷载通过1台30t MTS液压伺服作动器施加在框架节点试件梁端，节点柱端设置1台100t液压千斤顶以施加恒定轴向荷载．通过压梁与地脚螺栓将试件固定于试验室地面，压梁、柱面和地面间均垫有滚板以确保柱在轴向力作用下能够自由变形．此外，在试件两侧设置水平滑动支撑，确保试验过程中试件平面外稳定．试验加载装置如图2所示．

图2 试验加载装置示意

水平往复荷载采用位移控制进行加载，加载方案按表3列出的位移幅值和循环次数依次进行往复加载，直到荷载下降至峰值荷载的85%后或试件出现明显破坏时，加载结束．

表3 加载制度

Tab.3 Loading procedure

1.4 测试内容

测试内容包含：①位移测量，分别在节点试件梁端和柱端各设置一个位移计以测量其位移；在节点核心区设置两个交叉电子百分表，用于测量节点核心区的剪切变形；②应变测量，在靠近节点区梁端截面翼缘和腹板等位置黏贴电阻应变片用以测量关键截面应变发展规律．位移及应变测点布置见图3．

图3 测点布置

1.5 滞回性能分析

锈蚀钢框架梁柱节点试件荷载-位移滞回曲线如图4所示．从图4可以看出，①各试件滞回曲线均呈饱满的纺锤形，无明显捏拢现象，且滞回环面积较大，表明锈蚀钢框架节点仍具有较好的耗能能力.②屈服前，试件处于弹性阶段，滞回曲线基本呈线性变化；屈服后，试件有明显塑性变形，滞回曲线逐渐呈弯曲形状，滞回环面积逐渐增大，水平荷载因钢材应变硬化仍不断增大．峰值荷载后，裂缝产生并快速发展，试件强度和刚度退化显著．③随着锈蚀程度的增加，试件承载力、刚度及耗能能力不断降低，与试件J-1相比，试件J-2～J-6的峰值荷载依次下降5.67%、7.29%、13.21%、19.76%、23.74%，表明锈蚀对钢框架节点有较明显的劣化作用．

图4 试件滞回曲线

2 恢复力模型的建立

2.1 骨架曲线

试件骨架曲线如图5所示，从图5可以看出，①在低周往复荷载作用下，各试件均经历了弹性、弹塑性发展及塑性破坏3个阶段．弹性阶段，骨架曲线皆呈线性变化．随着位移幅值的增大，骨架曲线出现转折，试件抗侧刚度逐步降低，试件屈服进入弹塑性阶段．随位移幅值继续增大，试件抗侧刚度不断退化，水平荷载达到最大值后，曲线开始下降，出现负刚度，直至试件破坏．②随着锈蚀程度的增加，试件屈服荷载、峰值荷载和软化刚度逐渐降低，表明钢框架节点的承载力随着锈蚀程度的增加而降低．

骨架曲线形状的确定是研究构件恢复力模型最主要的内容之一．对图5中各试件的骨架曲线数据和形状进行分析，发现锈蚀试件和未锈蚀试件的骨架曲线形状较相似，但前者存在锈蚀损伤，故其在反复荷载的作用下各项力学性能指标(强度、刚度、延性等)退化程度均要大于后者，且试件锈蚀程度越重，退化则越明显．因此本文假设二者的恢复力模型形状相似，但骨架曲线各特征点参数却有差异．

图5 试件骨架曲线

图6 钢框架梁柱节点骨架曲线简化模型

2.2 骨架曲线参数确定

2.2.1 未锈试件骨架曲线参数

1)弹性阶段

2)塑性阶段

3）强化阶段

2.2.2 锈蚀试件骨架曲线参数

节点核心区的剪切变形可由核心区放置的两个交叉百分表量测的变形计算得到，计算原理见图7．

图7 节点核心区剪切变形计算示意

节点核心区剪切变形为

根据试验测得的节点核心区变形可计算出各试件在不同状态下的核心区抗弯承载力和剪切变形，对其进行拟合分析，得到锈蚀试件恢复力模型各特征参数随钢材锈蚀率变化的退化规律．

考虑锈蚀损伤影响的试件骨架曲线各物征参数表达式为

2.2.3 骨架曲线对比

根据未锈蚀试件的各特征点值计算式(1)～(8)及锈蚀试件的各特征点的拟合公式(10)～(16)，可得到不同锈蚀程度下试件的各特征点值．将理论计算的骨架曲线与试验数据进行对比，结果如图8所示，可发现两者吻合情况较好，表明本文采用的计算钢框架节点试件骨架曲线各特征点值的方法有较好的适用性．同时，将骨架曲线特征点理论计算值与试验值进行对比，结果见表4和表5．可以看出：承载力的误差最大为29.48%，刚度的误差最大为-13.38%，误差总体较小，进一步说明本文提出的滞回模型较为 合理．

图8 试件试验与计算骨架曲线对比

表4 承载力的试验值与计算值对比

Tab.4 Comparison of experimental and calculated bearing capacity values

表5 刚度的试验值与计算值对比

Tab.5 Comparison of experimental and calculated stiffness values

2.3 滞回规则

2.3.1 循环退化指数

往复循环荷载作用下节点试件抗震性能发生退化，且试件的滞回耗能能力是其强度、刚度退化的客观反映，故本文采用文献[13]提出的循环退化指数来描述试件各项力学性能指标的循环退化效应，该退化指数是根据试件的能量耗散行为建立的，其表达式为

2.3.2 强度退化规则

节点强度退化规则如图9所示．试件屈服后，随着荷载循环次数的增加，每次反向加载和再加载时，构件的屈服弯矩和峰值弯矩均小于上一循环的屈服弯矩和峰值弯矩，如图9中的点7和点10对应的屈服弯矩均小于点1和点4对应的屈服弯矩，点8和点11对应的峰值弯矩均小于点2和点5对应的峰值弯矩．屈服弯矩和峰值弯矩的退化规律表达式分别为

图9 强度退化规则示意

2.3.3 刚度退化规则

图10 刚度退化规则示意

2.4 恢复力模型的建立

锈蚀钢框架节点恢复力模型如图11所示．建立的具体步骤如下．

(1) 按式(10)～(16)计算锈蚀钢框架节点试件骨架曲线各特征点，并绘制出骨架曲线．

(2) 沿骨架曲线进行第1次正向加载(0～1段)，此阶段属于弹性段，加、卸载路径重合．1点之后，试件进入塑性工作阶段，到达2点之后卸载，卸载刚度同初始弹性转动刚度，按式(14)计算；继续反向加载至4点，按式(20)和式(23)分别计算屈服弯矩和再加载转动刚度．继续反向加载至5点后开始卸载，卸载转动刚度按式(22)计算；最后卸载至6点，第1圈加载结束．

图11 锈蚀钢框架节点恢复力模型示意

(3) 重复第1圈加、卸载过程，但其承载力和刚度不断退化，按照式(20)～(23)进行计算．

(4) 峰值荷载之后，骨架曲线进入强化段，强化段刚度退化按照式(24)计算，在试件锈蚀较严重时，如试件J-4，J-5，滞回曲线强化段已变为“软化段”，转动刚度取负值．

3 恢复力模型的验证

根据锈蚀钢框架节点骨架曲线和滞回规则，画出锈蚀钢框架节点核心区弯矩-剪切转角的滞回曲线，并将其与试验滞回曲线进行对比，如图12所示．从图12中可看出，两者吻合度较高，表明本文所提出的恢复力模型能较好地反映锈蚀钢框架节点的滞回性能，验证了该恢复力模型具有较好的适用性．

图12 滞回曲线对比

4 结 论

(1) 锈蚀对钢框架梁柱节点的力学与抗震性能有较显著的劣化影响．随着钢材锈蚀率的增大，试件强度、刚度、延性及滞回耗能等力学指标不断降低．

(2) 在既有钢框架节点恢复力模型的基础上，考虑循环往复加载和锈蚀损伤共同引起的强度和刚度的循环退化，提出了能够较为准确地反映此循环退化效应的滞回规则，建立了考虑锈蚀劣化作用的钢框架节点核心区恢复力模型．

(3) 锈蚀钢框架节点恢复力模型理论计算与试验吻合度较高，表明所建立的恢复力模型较好地反映了酸性大气环境下钢框架节点的滞回性能，可为酸性大气环境下钢框架结构的抗震性能评估及地震反应分析提供理论参考．

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Restoring Force Model for Steel Frame Joints Considering Corrosion Damage

Cao Chen1, 2，Zheng Shansuo1, 2，Hu Weibing1, 2，He Jinchuan3，Zhang Xiaohui1, 2，Liu Yi1, 2

(1. School of Civil Engineering，Xi’an University of Architecture and Technology，Xi’an 710055，China；2.Key Lab of Structural Engineering and Earthquake Resistance，Ministry of Education(XAUAT)，Xi’an 710055，China；3.Architectural Design and Research Institute of Xi’an University of Architecture and Technology，Xi’an 710055，China)

steel frame joint；acidic atmospheric environment；corrosion；low cyclic loading test；restoring force model

TU391；TU317

A

0493-2137(2020)07-0695-09

10.11784/tdxbz201906010

2019-06-06；

2019-07-26.

曹 琛（1986—  ），女，博士研究生，caochenlxx@163.com.

胡卫兵，wbh8008@sohu.com.

国家科技支撑计划资助项目(2013BAJ08B03)；国家自然科学基金资助项目(51678475)；陕西省重点研发计划资助项目2017ZDXM-SF-093)；陕西省教育厅产业化项目(18JC020).

Supported by the National Science and Technology Support Program(No.2013BAJ08B03)，the National Natural Science Foundation of China(No.51678475)，the Key Research and Development Programs in Shaanxi，China(No.2017ZDXM-SF-093)，the Industrialization Project of Shaanxi Provincial Education Department(No.18JC020).

(责任编辑：樊素英)