局部腐蚀损伤下钢结构整体抗震性能研究

杨明飞，沙志平，陈宜网，王 辛，王 磊

（1.安徽理工大学 土木建筑学院，安徽 淮南232001；2.安徽圣沃建设集团有限公司，安徽 合肥230000；3.悉地国际设计顾问（深圳）有限公司，上海200438）

钢材具有强度高、延展性和抗震性能好的优点，因此作为建筑材料在工程界被广泛采用。常见于国内外单层或多层厂房、大跨度、高层及超高层结构等场所，鉴于近年来钢结构工程的重要程度不断提升，钢结构的力学性能越来越被研究人员关注，尤其是动力性能分析方面。文献[1]研究了钢梁柱节点用钢绞线连接后的抗震性能，发现在梁柱节点处施加预应力可以适当地提高节点的抗震性能；文献[2-4]研究了钢框架梁柱节点处的抗震能力，表明在梁柱节点处使用高强度钢能增加节点耗能能力；文献[4]研究了框架—钢板剪力墙结构的抗震机理，发现钢板剪力墙与框架结构形成两道抗侧力体系，极大地提高了钢框架结构的抗震能力。随着研究的逐步展开，钢结构腐蚀的问题正逐渐被纳入其中。文献[5]研究了存在不规则腐蚀的角钢梁、无加筋板、加筋板等钢构件，其承载极限强度明显降低；文献[6]研究了作用在型钢腹板上的腐蚀对构件力学性能的影响，发现腐蚀的存在降低构件的抗压强度，并提出腐蚀度与抗压强度之间的数学关系；文献[7-9]研究了偏心受压柱在腐蚀状态下的承载性能，将腐蚀构件加到框架结构中，进行低周往复加载试验，发现腐蚀损伤能显著降低钢框架柱的极限承载力和耗能能力；文献[10-12]也对均匀锈蚀下的钢结构抗震能力进行了深入研究，但作者在进行钢结构工程检测鉴定过程中，发现钢结构构件腐蚀基本都发生在柱脚处，而并非钢结构整体发生严重锈蚀。

基于此，本文在现有研究的基础上，通过ANSYS 软件对带有局部腐蚀的钢框架结构进行了静、动力分析，得到了在局部腐蚀作用下钢框架结构整体抗震性能，为钢结构的工程应用提供参考。

1 层钢框架案例

1.1 工程概况

某实际工程为带斜撑的6 层钢框架结构，框架梁、柱采用H 型钢，牌号Q235，根据不同的使用部位，H 型钢的截面尺寸分别为：1-6 层主梁HN250×125×6/9，1 层中柱 HM340×250×9/14，1 层边柱HW250×250×9/14，2-6层中柱HW250×250×9/14，2-6层边柱HW175×175×7.5/11，1层支撑HM194×150×6/9，2-6 层支撑 HW125×125×6.5/9，次梁 HN248×124×5/8，所有长度以mm为单位。工程所在地区抗震设防烈度为7度，按Ⅱ类场地考虑，结构布置如图1所示。

图1 结构布置图

1.2 模型加载

按照现行荷载规范要求，此钢框架结构仅考虑每层楼面恒荷载和活荷载，不计入楼层内轻质隔墙重量，计算楼层最外围墙体重量。由于房屋高度较低，结构是以竖向荷载为主要控制指标，不考虑风荷载的影响，主要荷载统计结果见表1。

表1 主要荷载统计表

1.3 局部腐蚀模型

根据钢框架结构布置，利用有限元软件ANSYS分别建立无腐蚀钢框架模型和局部腐蚀钢框架模型。对腐蚀损伤模型做损伤简化处理，通过失重率来描述钢材平均截面面积的减小、不均匀锈蚀造成构件应力集中的现象和钢材材性的退化。

模型中钢材采用理想弹塑性模型，构件采用实体单元模拟，其点腐蚀体现为对屈服强度、弹性模量和构件截面面积的折减，并考虑到工程中较为常见的锈蚀情况，将点腐蚀布置在底层柱脚双侧翼缘和腹板上。其中，屈服强度、弹性模量和构件截面尺寸折减公式分别为[13]：

式中：fy、f′y分别为腐蚀损伤前后钢材的屈服强度，Dw为失重率，E′表面含锈蚀损伤的构件等效弹性模量，△t为钢材厚度损失，t0为原始钢材厚度，W0为原始钢材重量，W1为腐蚀后剩余重量。

根据现场检测结果，将局部腐蚀损伤构件布置在1 层结构外围，内部构件仍使用原始截面。为研究局部腐蚀对钢结构抗震性能的影响规律，文中设置失重率分别为0、5%、10%、15%、20%，1层外围构件折减后的材料属性见表2。

表2 等效点蚀构件参数

钢框架结构数值模型如图2所示。

图2 6层钢框架数值模型

2 钢框架结构力学分析

对无局部腐蚀损伤钢框架和局部不同程度腐蚀的钢框架分别进行线弹性计算分析，得到5 组不同静力工况下的受力情况。同时，为得到腐蚀前后钢框架结构的整体刚度变化趋势，对上述5 组不同工况的钢框架结构进行了模态分析，对比了结构受损情况，接着对受损结构进行动力时程分析，进而得出腐蚀前后结构在地震激励下的动力响应。

2.1 静力分析

利用ANSYS 软件对无腐蚀钢框架结构和不同失重率的局部腐蚀钢框架结构分别进行静力分析，分别得到无腐蚀和失重率20%钢框架结构应力、位移分布。其中，无腐蚀钢框架结构最大应力为116MPa，最大位移为7.526mm。结构最大应力发生在2 层的②轴-Ⓒ轴相交的梁柱节点处，同时各层最大竖向位移均发生在楼、屋面中心，方向竖直向下。失重率20%的局部腐蚀结构最大应力为117MPa，最大位移为7.575mm。最大应力位置和最大位移方向均同无腐蚀结构。对比发现，20%的失重率对钢框架结构最大应力的影响不大，并且对最大位移的影响也基本可以忽略。

通过对应力云图进行观察，发现1 层外围构件中①轴-Ⓑ轴、①轴-Ⓒ轴、④轴-Ⓑ轴和④轴-Ⓒ轴交点，损伤柱柱底应力明显增大，说明腐蚀损伤对结构局部位置受力有一定的影响，尤其是与带有局部腐蚀损伤构件连接的节点处。以①轴和Ⓑ轴相交柱为例，失重率20%的腐蚀结构柱底损伤处最大应力为67.5MPa，而无腐蚀结构对应位置的最大应力为55.5MPa，应力增加21.6%，说明受腐蚀构件承载能力被削弱幅度较为明显。

2.2 模态分析

为分析局部腐蚀损伤对钢框架结构整体动力特性的影响，对无腐蚀钢框架结构和不同失重率下的局部腐蚀钢框架结构分别进行模态分析，表3 给出了无腐蚀损伤和失重率为20%的钢框架结构前10阶模态。

表3 无腐蚀、失重率20%钢结构前10阶模态

通过对表3 的分析可以发现：因一层外围构件柱脚腐蚀后，结构的频率有所降低，失重率最大的结构降低程度最大，以1 阶频率为例，无腐蚀结构1阶频率为1.1974，失重率20%腐蚀损伤结构1 阶频率为1.1844，相对于无腐蚀结构降低1.09%，但整体降低程度较小。

2.3 动力时程分析

选用失重率为20%的局部腐蚀损伤钢框架结构，按照规范选取3 组地震波（2 组实际地震记录和1组人工地震波）进行激励，地震波时长20s，峰值加速度为35cm/s2，文中以Taft波为例进行说明。

利用激励结果绘制的钢框架结构层间位移角如图3，图4所示。

图3 无腐蚀结构层间位移角

图4 失重率20%腐蚀结构层间位移角

通过分析发现，无局部腐蚀钢框架结构在13.72s，13.74s，13.78s，13.8s时出现最不利的层间位移角，如图3 所示。其中在13.72s 时发生在第五层，层间位移角最大，其值为1/1210，满足规范限值1/250 要求。此时无局部腐蚀结构上最大应力为46.9MPa，小于钢材的屈服强度,最大应力产生在③轴-Ⓓ轴交点2 层楼面梁柱交接处,最大位移为0.0121m。失重率为20%的钢框架结构在13.74s，13.76s，13.8s，13.82s时出现最不利的层间位移角，如图4所示。其中，在13.74s时发生在第五层，层间位移角最大，其值是1/1040，与无局部腐蚀结构相比增加15.7%，发生位置与无腐蚀结构相同，但均满足规范限值1/250要求。此时最大应力为57.3MPa，相较无腐蚀结构增加了22.2%，小于钢材的屈服强度，结构偏安全。最大应力发生在②轴-Ⓓ轴交点2层楼面梁柱交接处,最大位移为0.0127m。通过层间位移角对比可见，有局部腐蚀损伤的钢框架结构的整体刚度与无局部腐蚀的钢框架结构有明显的下降。

3 结 论

1.静力分析结果表明，就整体而言，钢框架结构腐蚀前后最大应力值和位置并未发生明显变化，但有局部腐蚀损伤的钢结构中，与带有局部腐蚀损伤构件连接的节点处，应力增加明显，达到了21.6%，有局部腐蚀的钢柱承载能力明显被削弱。结构腐蚀损伤前后，结构的最大位移基本相同，结构整体变形形式相似，并未发生明显改变。

2.对有无局部腐蚀的钢框架结构进行了模态分析，结果说明随失重率的增加，有局部腐蚀损伤钢框架结构的频率相比无腐蚀结构的频率逐渐降低，表明结构发生腐蚀后整体刚度出现降低。

3.通过对无局部腐蚀损伤钢框架结构与失重率20%的局部腐蚀结构进行动力时程分析，结果显示，最大层间位移角发生位置基本不变，但其值比无腐蚀损伤结构增加15.7%，同时整体最大应力比无腐蚀损伤结构增加22.2%，有局部腐蚀损伤的钢框架结构刚度下降明显。