氯鹽銹蝕鋼框架柱抗震性能試驗(yàn)及恢復(fù)力模型研究

董晉琦 ，鄭山鎖 ，張曉輝，尚志剛，劉 毅，王 斌

(1. 西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，西安 710055；2. 西安建筑科技大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與抗震教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710055；3. 西安工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，西安710021)

由于環(huán)境因素的影響，鋼結(jié)構(gòu)的服役環(huán)境不斷惡化，造成鋼結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能受到極大影響，尤其是在地震作用下，鋼結(jié)構(gòu)因銹蝕影響導(dǎo)致的破壞更為嚴(yán)重．而現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的計(jì)算模型并沒(méi)有考慮受銹蝕影響鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能，且鋼結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)難以進(jìn)行防銹蝕維護(hù)[1]．

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)銹蝕鋼結(jié)構(gòu)的材料層面進(jìn)行了大量研究，銹蝕可導(dǎo)致鋼材截面減小、力學(xué)性能下降，且銹蝕產(chǎn)生的腐蝕坑會(huì)造成應(yīng)力集中現(xiàn)象[2-4]．但關(guān)于銹蝕對(duì)鋼結(jié)構(gòu)影響的研究不能僅停留在材料層面，更需要深入研究銹蝕對(duì)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的承載力與抗震性能的影響[5]．恢復(fù)力模型是結(jié)構(gòu)彈塑性反應(yīng)分析的基礎(chǔ)，Ibarra和Krawinkler提出了考慮了構(gòu)件強(qiáng)度、剛度退化對(duì)構(gòu)件影響的Ibarra-Krawinkler(I-K)本構(gòu)關(guān)系模型[6]；郭子雄等[7]研究了不同軸壓比對(duì)框架柱滯回特性的影響．恢復(fù)力模型的選取對(duì)結(jié)構(gòu)彈塑性分析的結(jié)果具有重要影響[8-10]．

鑒于此，本文利用人工氣候環(huán)境法對(duì)48件鋼材試件及4榀鋼框架柱試件進(jìn)行人工加速銹蝕，并進(jìn)行了材性拉伸試驗(yàn)及鋼框架柱低周往復(fù)加載試驗(yàn)，研究了氯鹽銹蝕對(duì)鋼結(jié)構(gòu)力學(xué)性能與抗震性能的影響．在此基礎(chǔ)上，建立了考慮氯鹽銹蝕影響的鋼框架柱恢復(fù)力模型，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證．研究成果為銹蝕鋼框架結(jié)構(gòu)抗震性能評(píng)估提供了依據(jù)．

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)試件按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50017—2017)、《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)等現(xiàn)行規(guī)范和規(guī)程進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用1∶2縮尺比例設(shè)計(jì)4榀鋼框架柱試件．試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿′摽蚣芙Y(jié)構(gòu)在水平荷載作用下，節(jié)點(diǎn)到上、下柱反彎點(diǎn)的典型單元為研究對(duì)象．各試件材料選材均為Q235鋼，熱軋H型鋼，型鋼截面為HW250mm×250mm×9mm×14mm．試件尺寸見(jiàn)圖1，軸壓比為0.3．采用人工氣候環(huán)境法對(duì)試驗(yàn)鋼框架柱進(jìn)行加速銹蝕并進(jìn)行低周往復(fù)加載試驗(yàn)．

1.2 銹蝕環(huán)境模擬

在役鋼結(jié)構(gòu)受氯離子侵蝕是自然環(huán)境中鋼結(jié)構(gòu)銹蝕的主要原因[11]．氯離子侵蝕環(huán)境模擬裝置采用ZHT/W2300氣候模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，如圖2所示．具體參數(shù)依據(jù)《人造氣氛腐蝕試驗(yàn)——鹽霧試驗(yàn)》(GB/T 10125—2012)[12]相關(guān)規(guī)定進(jìn)行設(shè)定.氯離子侵蝕環(huán)境采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的氯化鈉溶液模擬，腐蝕箱內(nèi)溫度設(shè)置為35℃，濕度控制為95%以上，pH值設(shè)置為6.5～7.5，噴淋每次間隔10min，單次噴淋時(shí)間5min，鹽霧沉降量為1～2mL/(80cm2·h)．

鋼結(jié)構(gòu)在氯離子侵蝕作用下，侵蝕時(shí)間的長(zhǎng)短會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同的銹蝕程度．為此，試驗(yàn)設(shè)置4種不同銹蝕程度的試件，試件編號(hào)為KZ-1～KZ-4，銹蝕時(shí)間分別為0h、960h、1920h和2880h，并引用失重率參數(shù)對(duì)銹蝕程度進(jìn)行量化，分別為0、3.06%、5.33%和8.02%．失重率DW為銹蝕前、后鋼框架柱質(zhì)量的差值與銹蝕前質(zhì)量的比值．

1.3 加載制度及加載裝置

圖3 試驗(yàn)加載裝置Fig.3 Test loading device

低周往復(fù)加載試驗(yàn)加載裝置如圖3所示．試驗(yàn)采用液壓千斤頂在柱頂施加豎向荷載至設(shè)計(jì)軸壓比后保持不變，由30t的MTS電液伺服作動(dòng)器提供施加在框架柱頂端的水平低周往復(fù)荷載．結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)抗震規(guī)范[13]，加載制度采用位移進(jìn)行控制，按照層間位移角為0.375%、0.500%、0.750%、1.000%、1.500%、2.000%進(jìn)行遞增，此后層間位移角增量均為1.000%，每級(jí)循環(huán)加載均為2次，當(dāng)加載進(jìn)行到承載力下降至最大荷載值的85%則停止加載．具體試驗(yàn)加載流程如圖4所示．試驗(yàn)加載端位移計(jì)和荷載數(shù)據(jù)信息均由MTS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動(dòng)采集．

圖4 試驗(yàn)加載流程Fig.4 Test loading process

1.4 材性試驗(yàn)

為得到鋼材受銹蝕影響力學(xué)性能的退化規(guī)律，根據(jù)《鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試驗(yàn)取樣位置及試樣制備》(GB/T 2975—2018)要求，本文對(duì)6.5mm、9.0mm及14.0mm 3種厚度共48件的標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行了加速銹蝕及材性試驗(yàn)．試件材料選取Q235B鋼材，加速銹蝕試驗(yàn)與4榀鋼框架柱所處環(huán)境相同．48件試件銹蝕時(shí)間均為0h、240h、480h、960h、1440h、1920h、2400h、2880h．不同厚度鋼材隨銹蝕時(shí)間與失重率之間的關(guān)系如圖5所示，可以看出：厚度越小的鋼材在相同銹蝕時(shí)間下，失重率越高.

力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示．由表1可知，隨著失重率的逐漸增大，鋼材試件的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均有所下降，屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、延伸率、彈性模量最大下降幅度分別為12.78%、12.78%、21.13%、13.28%，且相同銹蝕時(shí)間下，厚度越小的試件，力學(xué)性能劣化程度越明顯．

引用失重率參數(shù)對(duì)銹蝕程度進(jìn)行量化，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到不同銹蝕程度鋼材的屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、延伸率和彈性模量與失重率之間的關(guān)系，如圖6所示．

表1 鋼材的力學(xué)性能Tab.1 Mechanical properties of steel

由圖6可以看出，鋼材各力學(xué)性能指標(biāo)與失重率近似呈線(xiàn)性關(guān)系，各力學(xué)性能指標(biāo)隨著失重率的增加均呈現(xiàn)出不同程度的退化規(guī)律．回歸曲線(xiàn)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

圖6 鋼材力學(xué)性能指標(biāo)與失重率之間的關(guān)系Fig.6 Relationship between the mechanical properties of steel and weight loss rate

2 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

2.1 滯回曲線(xiàn)

滯回曲線(xiàn)可以綜合反映構(gòu)件在受力過(guò)程中的變形性能和抗震性能的變化規(guī)律[14-15]．試件滯回曲線(xiàn)如圖7所示．

圖7 試件滯回曲線(xiàn)Fig.7 Hysteretic curves of specimens

根據(jù)圖7，可以得出如下結(jié)論．

(1) 4榀鋼框架柱試件的滯回性能基本相似．在加載初期階段，各試件基本處于彈性狀態(tài)，加卸載時(shí)的滯回曲線(xiàn)近似呈直線(xiàn)；隨著加載的進(jìn)行，滯回環(huán)面積開(kāi)始增大，表明試件開(kāi)始發(fā)生塑性變形，滯回曲線(xiàn)的斜率開(kāi)始減小，試件承載力仍呈增大趨勢(shì)；加載達(dá)到峰值荷載后，滯回曲線(xiàn)的斜率隨加載控制位移的增大而減小，滯回環(huán)面積逐漸減小，這表明試件的塑性變形充分發(fā)展，各項(xiàng)性能指標(biāo)隨層間位移角和循環(huán)加載次數(shù)的增加退化明顯；當(dāng)試件加載至破壞階段時(shí)，試件的承載力迅速降低，試驗(yàn)加載隨之結(jié)束．

(2) 4榀鋼框架柱試件的滯回曲線(xiàn)均為梭形，曲線(xiàn)所圍成的面積較大，且當(dāng)加載至峰值荷載時(shí)，滯回曲線(xiàn)并無(wú)捏攏收縮現(xiàn)象，表明銹蝕鋼框架柱試件的抗震能力及延性較好．但隨著構(gòu)件銹蝕程度的增加，試件的承載力不斷降低，強(qiáng)度、剛度退化現(xiàn)象明顯，且滯回環(huán)面積逐漸縮小，表明試件的抗震性能在逐漸減弱．

2.2 骨架曲線(xiàn)

骨架曲線(xiàn)是結(jié)構(gòu)彈塑性分析的重要依據(jù)[14]．通過(guò)對(duì)比圖8各試件的骨架曲線(xiàn)，可以看出各試件骨架曲線(xiàn)的總體形狀相似：在加載初期時(shí)，各試件的骨架曲線(xiàn)基本重合；當(dāng)加載至彈塑性階段，各試件隨銹蝕程度的增加曲線(xiàn)的斜率逐漸減小，骨架曲線(xiàn)承載力峰值也在逐漸降低，且隨銹蝕程度的加劇，降低程度愈明顯．

圖8 試件骨架曲線(xiàn)Fig.8 Skeleton curves of specimens

2.3 承載力和延性系數(shù)

試件實(shí)測(cè)特征值及位移延性系數(shù)如表2所示．從表2中可以看出，各試件的承載力及延性系數(shù)隨試件失重率的增加而降低，銹蝕程度越嚴(yán)重，承載力及延性系數(shù)的下降速率越大．當(dāng)失重率從0增加到8.02%時(shí)，峰值彎矩、極限轉(zhuǎn)角和延性系數(shù)分別降低了17.34%、24.21%和12.32%．

對(duì)表2中以不同失重率為設(shè)計(jì)變量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到銹蝕鋼框架柱抗震性能特征參數(shù)的退化規(guī)律，如圖9所示．

相應(yīng)的回歸公式為

表2 試件實(shí)測(cè)特征值和延性系數(shù)Tab.2 Experimental characteristic values and ductility coefficients of the specimen

圖9 試件抗震性能特征參數(shù)退化規(guī)律Fig.9 Degradation law of the characteristic parameters of seismic performance of specimens

2.4 強(qiáng)度衰減與剛度退化

試件強(qiáng)度衰減曲線(xiàn)可反映試件承受往復(fù)荷載的能力[16]．圖10為試件強(qiáng)度衰減曲線(xiàn)．通過(guò)對(duì)比分析可知：各試件的強(qiáng)度衰減規(guī)律總體一致，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，承載力逐漸提高，然后趨于平緩，最后產(chǎn)生強(qiáng)度衰減現(xiàn)象，當(dāng)失重率增加時(shí)，試件強(qiáng)度衰減現(xiàn)象更加明顯．

圖10 試件強(qiáng)度衰減曲線(xiàn)Fig.10 Strength degradation curves of specimens

圖11為試件等效剛度退化曲線(xiàn)，各試件剛度總體退化趨勢(shì)基本一致．隨著位移加載的進(jìn)行，剛度退化速率由較快趨于緩慢，失重率越大的試件剛度退化速率越快．

圖11 試件等效剛度退化曲線(xiàn)Fig.11 Stiffness degradation curves of specimens

2.5 耗能能力

結(jié)構(gòu)的抗震性能也可以通過(guò)耗能能力進(jìn)行評(píng)價(jià)．圖12為試件的累積耗能曲線(xiàn)．由圖可知，各試件累積耗能變化趨勢(shì)總體保持一致，隨著加載的進(jìn)行，累積耗能增加逐漸變快．但銹蝕會(huì)影響各試件的耗能能力，當(dāng)完好試件的失重率變?yōu)?.06%、5.33%和8.02%時(shí)，累積耗能分別降低了3.07%、14.01%、18.64%．

圖12 試件累積耗能曲線(xiàn)Fig.12 Cumulative energy dissipation curves of specimens

3 恢復(fù)力模型

恢復(fù)力模型是一種經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化的數(shù)學(xué)模型，主要包括骨架曲線(xiàn)和滯回規(guī)則兩部分內(nèi)容，是結(jié)構(gòu)彈塑性分析的基礎(chǔ)[17]．本文基于Lignos等[6]和Ibarra等[18]提出的修正Ibarra-Krawinkler(I-K)模型來(lái)建立銹蝕鋼框架柱構(gòu)件的彎矩-轉(zhuǎn)角恢復(fù)力模型．

3.1 鋼框架柱骨架曲線(xiàn)參數(shù)的確定

修正I-K模型的骨架曲線(xiàn)的上升段(彈性變形階段)由屈服彎矩My和初始剛度Ke確定；強(qiáng)化階段根據(jù)Ks＝αsKe來(lái)確定該階段的剛度，用峰值前塑性轉(zhuǎn)角θp表示相應(yīng)的變形能力；軟化階段通過(guò)軟化段剛度Kc＝αcKe以及峰值后塑性轉(zhuǎn)角θpc共同確定．圖13為修正I-K模型的骨架曲線(xiàn)．Ke為初始剛度，My為屈服彎矩，Mmax為峰值點(diǎn)彎矩，θp為峰值前塑形，θpc為峰值后轉(zhuǎn)角，λres為殘余強(qiáng)度比．

圖13 修正I-K模型的骨架曲線(xiàn)Fig.13 Skeleton curve of the modified I-K model

鋼框架柱試件的彎矩-轉(zhuǎn)角恢復(fù)力模型骨架曲線(xiàn)上屈服點(diǎn)、峰值點(diǎn)和極限點(diǎn)參數(shù)的計(jì)算如下．

1) 屈服點(diǎn)

參考ASCE/SEI 41-06，鋼框架柱的屈服彎矩My和屈服轉(zhuǎn)角θy分別為

式中：Mp為全截面屈服彎矩；N為柱軸壓力；An為凈截面面積；fy為鋼材屈服強(qiáng)度；Wp為塑性截面模量；E為鋼材彈性模量；I為截面慣性矩；L為柱計(jì)算高度．

Lignos和Krawinkler根據(jù)試驗(yàn)，指出鋼柱的屈服彎矩My可取值為1.17Mp．此外，由于在試驗(yàn)過(guò)程中鋼柱與底端的底梁無(wú)法形成完全剛結(jié)，達(dá)不到理想約束條件，導(dǎo)致試驗(yàn)所得剛度偏低．綜上，結(jié)合本文試驗(yàn)結(jié)果，屈服彎矩和屈服轉(zhuǎn)角分別為

2) 峰值點(diǎn)

本文結(jié)合Lignos和Krawinkler提出的鋼柱峰值彎矩和試驗(yàn)結(jié)果，建議峰值彎矩取值為

同時(shí)，Lignos和Krawinkler提出鋼梁峰值前塑性轉(zhuǎn)角θp的經(jīng)驗(yàn)公式為

式中：h/tw為腹板高厚比；bf/(2tf)為翼緣寬厚比；d為截面高度；L/d為試件跨高比．

在較小軸壓比的情況下，可采用式(8)近似估算鋼框架柱的峰值前塑性轉(zhuǎn)角θp．

3) 極限點(diǎn)

極限彎矩Mu可取值為峰值彎矩Mmax的85%，即

同時(shí)，Lignos和Krawinkler提出鋼梁的峰值后塑性轉(zhuǎn)角θpc的經(jīng)驗(yàn)公式為

在較小軸壓比的情況下，可采用式(10)近似估算鋼框架柱的峰值后塑性轉(zhuǎn)角θpc．

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)回歸得到鋼框架柱抗震性能特征參數(shù)(屈服彎矩、屈服轉(zhuǎn)角、峰值彎矩、峰值轉(zhuǎn)角和極限轉(zhuǎn)角)隨銹蝕程度變化的退化規(guī)律，見(jiàn)表3．

表3 銹蝕試件骨架曲線(xiàn)特征點(diǎn)的擬合公式Tab.3 Fitting formula for characteristic points of the skeleton curve of corroded specimens

3.2 鋼框架柱滯回規(guī)則

由試驗(yàn)結(jié)果可知，銹蝕構(gòu)件與完好構(gòu)件恢復(fù)力模型形狀相似．本文基于修正I-K滯回模型來(lái)考慮不同銹蝕程度構(gòu)件恢復(fù)力模型的滯回規(guī)則，其循環(huán)退化規(guī)則如圖14所示．

1) 循環(huán)退化指數(shù)

通過(guò)引入Rahnama-Hazaveh等[19]提出的循環(huán)退化指數(shù)來(lái)體現(xiàn)構(gòu)件各項(xiàng)性能的退化，即

式中：c表示循環(huán)退化速率，取c＝1.0；Ei表示構(gòu)件在第i次循環(huán)加載時(shí)的滯回耗能表示構(gòu)件在第i次及第i次之前所有循環(huán)下的累積耗能；Et為構(gòu)件本身的滯回耗能能力，其可表示為屈服強(qiáng)度My與累積轉(zhuǎn)動(dòng)能力Λ的乘積，其計(jì)算式為

式中：h/tw為腹板寬厚比；bf/tf為翼緣寬厚比為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)，單位采用mm和MPa時(shí)，取值為1．

隨著失重率的增加，試件的承載力有所下降，循環(huán)退化效應(yīng)呈增大趨勢(shì)，但并不顯著．因此，對(duì)于銹蝕鋼框架柱恢復(fù)力模型的循環(huán)退化速率與未銹蝕構(gòu)件保持一致，取c＝1.0；累積轉(zhuǎn)動(dòng)能力Λ仍可按式(13)計(jì)算確定．

2) 基本強(qiáng)度退化規(guī)則

構(gòu)件的基本強(qiáng)度退化規(guī)則如圖14(a)所示．屈服強(qiáng)度和強(qiáng)化段剛度的退化規(guī)則計(jì)算公式為

3) 峰值后強(qiáng)度退化規(guī)則

圖14(b)為構(gòu)件的峰值后強(qiáng)度退化規(guī)則．峰值后強(qiáng)度的退化規(guī)則計(jì)算式為

4) 卸載剛度退化規(guī)則

構(gòu)件在進(jìn)入屈服階段后，卸載剛度也出現(xiàn)退化現(xiàn)象，退化規(guī)則如圖14(c)所示，計(jì)算式為

式中Kui和Ku(i-1)分別表示構(gòu)件第i次和第i－1次加載時(shí)的卸載剛度．

3.3 鋼框架柱恢復(fù)力模型的驗(yàn)證

通過(guò)OpenSEES軟件建立銹蝕鋼框架柱的集中塑性鉸模型，如圖15所示．將鋼框架柱簡(jiǎn)化為彈性桿單元和位于柱底部的非線(xiàn)性轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧單元串聯(lián)模型．彈性桿單元采用OpenSEES軟件中彈性梁柱單元(elasticBeamColumn)模擬；非線(xiàn)性轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧單元由零長(zhǎng)度單元(zeroLength)模擬，并通過(guò)上文所確定的骨架曲線(xiàn)特征點(diǎn)和滯回規(guī)則來(lái)計(jì)算Bilin Material的參數(shù)，用以標(biāo)定零長(zhǎng)度單元．相關(guān)參數(shù)計(jì)算結(jié)果如表4所示．

圖15 鋼框架柱集中塑性鉸模型Fig.15 Concentrated plastic hinge model for a steel frame column

表4 銹蝕鋼框架柱恢復(fù)力模型相關(guān)參數(shù)Tab.4 Related parameters of the restoring force model of the corroded steel frame column

將上述模型模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，兩者基本吻合，如圖16和圖17所示．

圖16 計(jì)算滯回曲線(xiàn)與試驗(yàn)滯回曲線(xiàn)對(duì)比Fig.16 Comparisons of calculated and experimental hysteretic curves

圖17 計(jì)算累積耗能與試驗(yàn)累積耗能對(duì)比Fig.17 Comparisons of calculated and experimental cumulative energy consumptions

4 結(jié) 論

(1) 從試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，銹蝕對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的力學(xué)及抗震性能具有較大影響，具體表現(xiàn)如下：隨著銹蝕程度的增加，鋼材的力學(xué)性能(屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、延伸率和彈性模量)退化明顯，且鋼材厚度越小，性能退化越顯著；鋼框架柱的強(qiáng)度、剛度、延性及耗能等隨著銹蝕程度的增加逐漸降低，如當(dāng)失重率為8.02%時(shí)，峰值彎矩、極限轉(zhuǎn)角、延性系數(shù)和累積耗能能力分別降低了17.34%、24.21%、12.32%和18.64%．

(2) 基于試驗(yàn)結(jié)果，以失重率為參數(shù)對(duì)鋼框架柱骨架曲線(xiàn)各特征點(diǎn)彎矩、轉(zhuǎn)角及延性系數(shù)擬合，得到了考慮銹蝕影響的鋼框架柱骨架曲線(xiàn)特征參數(shù)修正函數(shù)．

(3) 基于修正I-K模型，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立可表征基本強(qiáng)度退化、峰值后強(qiáng)度退化、卸載剛度退化等滯回規(guī)則的銹蝕鋼框架柱恢復(fù)力模型，通過(guò)與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證本文所建立恢復(fù)力模型的有效性．研究成果可為銹蝕鋼框架結(jié)構(gòu)的非線(xiàn)性地震反應(yīng)分析提供理論依據(jù)．