灾难地震下锈蚀网架工作性能评定

吴 静

(太原学院，山西 太原 030024)

0 引言

随着重大体育赛事的举办和全民文体活动的兴起，网格结构因其抗震性能较好、布局灵活而被广泛应用于以体育场馆为典型代表的公共建筑中。在灾难性地震中，钢网格结构具有良好的抗震性能，如九洲体育馆等，在灾后成为避难场所和救灾据点，其在人员安置、信息交流等方面发挥出重要作用[1-2](见图1)。因此，钢网格结构在灾难地震中的抗震性能成为研究热点[3-5]。建筑建设年代的不同，使用维护条件不等，在体育馆、游泳馆、工业厂房等使用的钢网格结构已出现不同程度的锈蚀[6-7](见图2)，这将导致已建钢网格结构抗震性能的降低，难以发挥灾难地震下避难场所的功能，不利于抗震救灾工作的顺利开展。

图1 地震避难场所

图2 钢网格结构锈蚀情况

对于在役钢网格结构的性能，殷志祥等[8]基于考虑环向不同腐蚀深度和面积时钢管极限承载力的近似公式，计算锈蚀对某网架工程实例稳定性的影响；肖南[9]等对锈蚀后的网架进行基于症状的可靠度分析，并预测结构的剩余寿命；王小盾等[10]通过实地检测，基于锈蚀厚度参数研究不同工况下结构的主要力学指标；李欣栾等[11]对均匀锈蚀和非均匀锈蚀两种情况下的正放四角锥网架的受力性能和稳定性能进行分析，研究不同初始缺陷对网架的极限承载力和变形的影响。在这些研究中，诸多学者一致指出，锈蚀将使钢网格结构的力学性能劣化。目前的研究多集中在锈蚀钢网格结构静力学性能、稳定性及可靠度方面，对灾难地震下锈蚀钢网格结构抗震性能的关注较少。因此，该文针对某一正方四角锥网架算例，对其在灾难地震下的抗震性能进行评定。

1 网架算例设计

在此参考文献[11]，通过减小杆件壁厚来模拟不同的锈蚀程度，对钢网格结构的抗震性能进行分析。

1.1 网架参数

该正方四角锥网架平面尺寸为30 m×30 m，网架高度为2.7 m, 设周边支承，支座为固接，材料采用Q235B，弹性模量为206 (kN·mm-2)，屈服强度取235 MPa。根据文献[3-5]的建议，采用SAP2000进行地震响应分析(见图3)。

图3 钢网架结构有限元模型

1.2 分析参数

根据《建筑结构荷载规范》(GB50009-2012)[12],恒载为0.5 (kN·m-2),活载为0.35 (kN·m-2), 将面荷载传递到上弦节点进行网架的受力分析。抗震类别为乙类，设防烈度为8度(0.24，第一组)，场地类别为Ⅱ类,特征周期值为0.35 s (罕遇地震设计时加0.05 s)，阻尼比弹性时取0.02，塑性时取0.03。具体杆件尺寸如表1所示。

表1 杆件尺寸

2 灾难地震下结构性能评定

2.1 结构性能评定流程

参考文献[5]提出，灾难地震下平板网架结构性能评定方法为：对结构进行动力弹塑性时程分析，再基于地震波的IDA分析，判定结构的失效临界状态，得到地震波下的结构失效承载力，且该承载力不应小于设防灾难地震的加速度峰值。其中，设防灾难地震加速度峰值由李海旺等[13]基于1902年以来我国的强震记录统计分析得出(见表2)。

表2 避难与救灾据点地震设防加速度取值

2.2 塑性铰参数

参考文献[14]，采用轴力铰定义杆件的弹塑性，其广义力—广义位移曲线如图4所示，其参数取值如表3所示。依据FAMA-356，图4中屈服强度和极限强度即B和C点之间被划分为3段[4,14-15]。其中，B-IO、 IO-LS、LS-CP分别表示杆件的不同受损情况，越往后情况越严重，代表杆件的不同性能水平。

图4 轴力铰示意图

表3 塑性铰参数表

2.3 灾难地震下算例弹塑性性能评定

参考文献[4,15]，研究时基于Budiansky-Roth准则[15-16]，判断结构的动力弹塑性性能。采用IDA方法绘制出动荷载和结构位移响应关系曲线，并据此判定结构失效时刻及失效类型。参考文献[17]，采用典型强震记录Taft波进行三向地震响应分析，可得到Taft波作用下未锈蚀网架(编号为30 m-0)及锈蚀网架(编号为30 m-1/30 m-2)的失效临界加速度峰值、最大节点位移、塑性铰状态及分布特征(Z列内数值为竖向最大位移同网架跨度的比值)，具体数值如第43页表4、图5所示。

图5 网架在Taft波作用下的动力响应

表4 网架在Taft波作用下的动力响应

由分析结果可知，Taft波下该三类结构的失效模式，均表现为网架周边形成塑性带状区域，结构呈凹陷状失稳模态，周边带状区域内大量腹杆进入失效点E之后，结构整体刚度丧失。在失效状态时，未锈蚀网架塑性铰数量最多(261)，占杆件总数的32.6%；严重锈蚀的网架数量最少(188)，占杆件总数的23.5%。可见该算例在失效时，结构塑性发展充分，失效位移为结构跨度的1/68，为典型的延性强度失效破坏[4,15]。

此外，由前述评定流程可知，严重腐蚀的网架30 m-2的失效加速度峰值为390 Gal，远低于足8.5度设防区950 Gal的灾难地震设防要求。未锈蚀前的网架的安全储备则较充足，可见锈蚀将严重影响钢网格结构的安全储备，导致不能实现灾难地震下基本运行的设防目标。

3 结论和讨论

基于某锈蚀网架的弹塑性时程算例分析，可得出以下结论：

(1) 在Taft波作用下，该锈蚀网架同未锈蚀网架的失效模式一致，均为延性强度失效，网架周边带状区域内的腹杆为结构的薄弱环节。

(2) 锈蚀会严重影响钢网格结构灾难地震下的工作性能，有必要对在役钢网格结构的腐蚀情况进一步分析，排查隐患，满足灾难地震下避难场所的需求。

(3) 基于典型的强震记录Taft波进行地震性能评估，可进一步基于结构和场地特征，进行多条地震波下的研究分析。