大跨度建筑鋼結構節(jié)點可靠性評估研究

林俊羽

（澳門大學科技學院，中國 澳門 999078）

0 引言

在經(jīng)濟發(fā)展背景下，我國的建筑技術不斷升級，建筑工程的數(shù)量也在飛速增長，為了提升建筑結構的穩(wěn)定性，各個工程開始使用鋼結構完成建筑構件的拼接。建筑鋼結構指的是由鋼材料組成的建筑結構[1-2]，包括建筑搭設鋼板，建筑支撐鋼梁，建筑組合桁架等，建筑鋼結構的性能良好[3]，可靠性較高，為了增加其使用年限，在安裝建筑鋼結構時往往對其進行防銹處理，包括鍍鋅、水洗烘干等工藝。受鋼結構的特殊性能影響，其各個節(jié)點主要使用螺栓、焊縫等進行連接，這些特殊的連接方式易受連接年限、鋼結構環(huán)境等影響，導致鋼結構的節(jié)點可靠性降低，影響建筑結構的穩(wěn)定性。因此，需要對建筑鋼結構節(jié)點的可靠性進行有效分析。

當前針對鋼結構節(jié)點可靠性的研究已經(jīng)取得了一定的進展，例如文獻[4]提出了基于節(jié)點耦合技術的可靠性評估方法。根據(jù)節(jié)點耦合技術模擬接觸行為建立其有限元模型并進行強度分析。根據(jù)應力－強度干涉理論建立極限狀態(tài)函數(shù)，采用拉丁超立方抽樣方法對節(jié)點進行可靠性評估。如文獻[5]提出了基于極限承載力的可靠性評估方法。通過調節(jié)耳板組件的前后位移調整建筑空間結構表面的平整度，復雜建筑空間結構節(jié)點連接抗力與極限承載力對于節(jié)點可靠性進行了評估，得到相關的評估結果。文獻[6]提出了基于BIN 技術的可靠性評估方法。

運用BIM 技術建立合理的建筑鋼結構的功能函數(shù)用于描述極限狀態(tài)，以極限狀態(tài)方程為約束條件構建大型鋼結構建筑節(jié)點可靠性分析約束優(yōu)化模型，使用模擬退火算法對該模型進行求解，得到相關的可靠性評估結果。

大跨度建筑指的是跨度超過30m 的建筑，為了滿足建筑的跨度要求大部分大跨度建筑都使用了建筑鋼結構代替原本的混凝土結構。隨著時間的增長，很多建筑逐漸老化，損壞嚴重，不僅導致其建筑結構無法正常使用，還存在嚴重的安全隱患。事實上，在建筑鋼結構設計過程中，往往會統(tǒng)一計算鋼結構荷載，設置荷載條件，隨著時間的推移，現(xiàn)有的建筑整體與當初設置的荷載條件難以匹配，從而導致了建筑可靠性低下。為了解決建筑鋼結構衰減問題，有效地制定建筑鋼結構修復方案，本文根據(jù)動態(tài)檢測原則，對大跨度建筑鋼結構節(jié)點的可靠性進行了有效評估。

1 概況及準備

本文選取X 大跨度建筑工程，對其內(nèi)部的鋼結構節(jié)點進行可靠性評估。X 大跨度建筑工程位于某市區(qū)的中心，總建筑面積為215 000m2，建筑高度為215.5m。X 大跨度建筑屬于高層綠色節(jié)能建筑，主樓層共46 層，地下共3 層，主要由鋼結構和混凝土組成，耐火等級較高。X 大跨度建筑的鋼結構用鋼總量為25 000t，搭設的鋼結構為對稱型均勻鋼結構。X 建筑鋼結構主要由鋼骨柱組成，共包含23 根鋼骨柱，規(guī)格為H1 000mm×450mm×40mm×30mm：在特殊的組裝區(qū)域，其使用十字型節(jié)點完成連接，規(guī)格為：500mm×250mm×40mm×30mm。建筑外側鋼結構由圓柱形箱柱鋼結構組成，由建筑頂端逐步延伸，形成雙向傾斜結構。

在進行建筑鋼結構節(jié)點可靠性評估前，需要建立符合評估需求的可靠性鋼結構評估模型，其流程如下：（1）進行鋼結構深化，將建筑內(nèi)部的鋼結構進行分段處理，記錄建筑鋼結構連接節(jié)點，形成單獨的鋼結構構件，設計評估模型設計圖；（2）根據(jù)評估設計圖初步建立評估模型，布設鋼結構軸網(wǎng)，依次設計模型的規(guī)格參數(shù)，便于識別各個評估節(jié)點；（3）檢查評估模型，針對上一步驟構建的模型進行二次檢查，規(guī)劃模型的基本關系；（4）考慮評估要求精確建立整體模型。

由整體模型可知，對建筑內(nèi)的全部鋼結構節(jié)點進行可靠性評估的難度較高，因此，本研究主要選取屋頂部分的鋼結構節(jié)點進行評估。

2 大跨度建筑鋼結構節(jié)點可靠性評估過程

結合上述的大跨度建筑鋼結構節(jié)點的可靠性評估概況及準備，可以規(guī)劃可靠性評估過程：首先使用自然因素分析法評估了大跨度建筑鋼結構節(jié)點的腐蝕可靠性；其次使用不確定因素分析法，分析了大跨度建筑鋼結構節(jié)點的時變可靠性；最后使用力學性能指標選取法評估了大跨度建筑鋼結構節(jié)點綜合可靠性指標。

第一階段：研究大跨度建筑鋼結構節(jié)點的腐蝕可靠性，建筑鋼結構節(jié)點的腐蝕可靠性主要與鋼結構節(jié)點的局部腐蝕相關，常見的腐蝕形式包括點蝕、電偶腐蝕、晶間腐蝕、應力腐蝕、腐蝕疲勞，以及縫隙腐蝕，本文使用自然因素分析法，首先根據(jù)研究區(qū)域的日照時間、氣溫等自然環(huán)境因素整理了研究區(qū)域建筑鋼結構在春夏秋冬不同時間段的環(huán)境因素參數(shù)。

分析相關調查結果可知，研究區(qū)域的年平均氣溫較高，日照時間較長，且整體濕度較高。此時可以得到建筑鋼結構節(jié)點的陰極、陽極反應式，如式（1）（2）所示。

式中，M代表鋼結構反應金屬，Mn+代表n 價金屬離子，xH2O代表金屬離子化合物，ne代表反應電離子，此時的建筑鋼結構節(jié)點的腐蝕速率D如式（3）所示。

式中，A代表常數(shù)，tn代表腐蝕暴露時長，此時，可以按照研究區(qū)域的氣候條件特征對其進行腐蝕分類，使用CMA 腐蝕深度測試儀測試鋼結構節(jié)點的腐蝕深度，得出后續(xù)的建筑鋼結構節(jié)點腐蝕可靠性評估結果。

第二階段：研究大跨度建筑鋼結構節(jié)點的時變可靠性，大跨度建筑鋼結構的節(jié)點連接形式多種多樣，研究建筑的鋼結構主要呈格構式和實腹式，因此其時變抗力與鋼結構的荷載及自然環(huán)境有重要影響。建筑鋼結構節(jié)點隨著時間的增長強度會逐漸下降，內(nèi)部的組成結構也會不斷發(fā)生反應，因此，在研究過程中，首先需要計算鋼結構節(jié)點的時變性能指標KM，如式（4）所示。

式中，k代表隨機變量，K0代表鋼結構節(jié)點性能差異系數(shù)，Kf代表幾何性能常數(shù)，此時建筑鋼結構節(jié)點的性能差異與鋼結構節(jié)點的材料性能值相關，可以根據(jù)建筑鋼結構節(jié)點的荷載組成關系計算性能變異系數(shù)?，如式（5）所示。

式中，σ代表鋼結構受力平均值，結合上述的變異系數(shù)可以計算理想狀態(tài)下的時變可靠性差異，使后續(xù)的鋼結構節(jié)點時變可靠性分析結果更滿足實際分析標準。即使用不確定因素分析法分析鋼結構節(jié)點的損傷狀態(tài)，生成時變抗力模型 ()R t，如式（6）所示。

式中，KP代表計算不確定性變量，R P(t)代表鋼結構節(jié)點計算抗力。在常規(guī)環(huán)境下，鋼結構節(jié)點存在一定的抗彎承載力，需要結合承載力的基礎規(guī)律進行荷載彈性假設：

其一，假設鋼結構出現(xiàn)時變變形后，原有的橫截面層處于平面，與基礎軸線存在相交關系；其二，H 型鋼結構與B 型鋼結構的時變狀態(tài)相同；其三僅考慮鋼結構節(jié)點厚度方向的時變，不考慮殘余應力變化，此時可以計算鋼結構節(jié)點的彎曲正應力σmax，如式（7）所示。

式中，My代表彎曲正應力，IZ代表彎曲半徑。在鋼結構節(jié)點承載變化過程中，其屈服點也在發(fā)生改變，本文根據(jù)鋼結構節(jié)點的彎曲關系計算了彎曲切應力，記錄其在不同抗壓力下的時變衰減率變化，已知時變衰減率越高，鋼結構節(jié)點的可靠性越低。

第三階段，大跨度建筑鋼結構節(jié)點的綜合可靠性指標，首先可以根據(jù)上述得到的建筑鋼結構節(jié)點的可靠性關系選取指定的鋼結構截面，對不同尺寸的鋼結構節(jié)點進行編號，設置綜合計算參數(shù)，如表1 所示。

表1 鋼結構節(jié)點尺寸編號

由表1 可知，待編號完畢后，即選取建筑鋼結構綜合可靠性變量，設計綜合可靠性指標計算式Z，如式（8）所示。

式中，RS代表可靠荷載參數(shù)，SX代表鋼結構節(jié)點抗力，可靠性綜合指標越高證明大跨度建筑鋼結構節(jié)點的可靠性越高，反之證明大跨度建筑鋼結構節(jié)點的可靠性較低。

3 評估結果

結合上述的大跨度建筑鋼結構節(jié)點可靠性評估過程可以得到最終的評估結果，首先是腐蝕可靠性評估結果，如表2 所示。

表2 大跨度建筑鋼結構節(jié)點腐蝕可靠性評估結果

由表2 可知，在氣溫不發(fā)生改變的情況下，隨著建筑鋼結構節(jié)點所處環(huán)境相對濕度的增加，各個節(jié)點的腐蝕速率和腐蝕深度逐漸增加，鋼結構節(jié)點的腐蝕可靠性逐漸降低，證明鋼結構節(jié)點的腐蝕可靠性與鋼結構節(jié)點所處環(huán)境濕度呈反向相關。

保持大跨度建筑鋼結構節(jié)點所處的環(huán)境一致，此時向其附加變化的抗壓力，不同編號鋼結構節(jié)點的時變可靠性結果如表3 所示。

表3 大跨度建筑鋼結構節(jié)點時變可靠性評估結果

由表3 可知，在大跨度建筑鋼結構節(jié)點所處的環(huán)境一致的情況下，隨著鋼結構節(jié)點的抗壓力增加，其時變衰減率越來越低，大跨度建筑鋼結構節(jié)點的時變可靠性也越來越低，證明大跨度建筑鋼結構節(jié)點的時變可靠性與其承載抗壓力呈反向相關。

將基礎變量調整一致，使用上述選取的鋼結構節(jié)點，此時可以使用公式（1）計算其綜合可靠性指標，綜合可靠性結果如表4 所示。

表4 大跨度建筑鋼結構節(jié)點綜合可靠性評估結果

由表4 可知，在基礎變量一致的情況下，鋼結構節(jié)點的截面尺寸越大其綜合可靠性指標越高，證明鋼結構截面尺寸與鋼結構節(jié)點的綜合可靠性呈正相關。

4 結論

本文選取X 大跨度建筑工程，對其內(nèi)部的鋼結構節(jié)點進行可靠性評估。主要從大跨度建筑鋼結構節(jié)點的腐蝕可靠性、時變抗力可靠性、綜合可靠性等三個方面出發(fā)得到大跨度建筑鋼結構節(jié)點可靠性評估結果。實驗從腐蝕、時變抗力、綜合可靠性等三個方面驗證了該方法的有效性。評估結果表明，該方法的鋼結構節(jié)點的腐蝕可靠性與鋼結構節(jié)點所處環(huán)境濕度呈反向相關，時變可靠性與其承載抗壓力呈反向相關，綜合可靠性與鋼結構截面尺寸呈正相關。通過該方法的研究能夠精準地評估節(jié)點的承載能力，及時發(fā)現(xiàn)結構缺陷，預防事故的發(fā)生。