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多龄期钢框架结构地震损伤模型研究

更新时间:2016-07-05

0 引言

钢结构质轻高强且适合工业化生产,与传统混凝土结构相比,钢结构更加符合可持续发展战略。在目前国家大力扶持发展钢结构的政策背景下,钢结构的耐久性问题也逐渐受到设计单位、用户以及科研人员的广泛关注。由于在设计使用年限内,即使对钢结构进行防腐涂装维护,也很难避免其受到外界腐蚀性介质的侵蚀,这使得腐蚀对钢结构设计使用年限内性能的影响成为了亟待解决的问题。

随着物质产品需求的不断增加,目前市场上的消费者也有了更多的选择。企业在发展的过程中,不仅要加强创新,也要注意创造出更加有鲜明特色的品牌产品,从而吸引消费者的注意。随着市场竞争的不断变化,企业必须要重视人的需求。企业采用柔性管理的模式,可以提高企业的竞争力,同时也可以结合市场的实际需求,确定合理的订单数量,减少企业的库存,柔性管理更适合在多品种和小批量上应用。柔性管理的模式符合企业更新换代的需求,可以获得更多消费者的信赖和支持。

由于大气环境中的腐蚀对钢材造成了巨大的损失,世界各国投入了大量的人力物力研究建筑钢结构耐腐蚀问题,但所取得的成果主要集中在钢材耐腐蚀性能、机理、内外界影响因素及防腐措施有效性和寿命等方面,即大多仅停留在材料的范畴,较少涉及构件和结构层面,即使涉及也集中于钢结构桥梁、海洋平台等方向,鲜有研究涉及民用钢结构建筑[1-6]

基于材料层面,钢材腐蚀后其强度和延性下降;腐蚀生成的物质不能提供强度,导致构件有效截面缩小[1-2]。本文针对腐蚀对钢材各项性能的影响,采用控制变量法分别研究钢材各项性能(包括屈服强度、极限强度、屈服应变、极限应变、弹性模量、构件有效截面等)的退化对多龄期钢结构地震整体损伤的影响程度,确定影响多龄期结构地震损伤的主控因素,并建立主控因素影响下的多龄期结构的地震损伤模型,为地震灾害损失评估提供有利工具。

1 腐蚀后钢材材料力学性能退化规律

国内外研究表明,一般大气环境下钢材的腐蚀大部分为均匀腐蚀,所以本文忽略坑蚀对钢材性能的影响,假定钢材发生均匀腐蚀;钢材腐蚀后屈服强度、极限强度等力学性能指标随失重率变化的公式多采用线性方程。文献[7]基于受腐蚀钢材力学性能试验结果,探索用失重率Dw这一指标来衡量腐蚀后钢材力学性能劣化的程度,并运用最小二乘法线性回归,得到受腐蚀后Q235B钢材屈服强度和抗拉强度与其失重率的关系式分别为:

(1)

(2)

对于腐蚀前的钢材,弹性模量ES取2.06×105 MPa;对于腐蚀后的钢材,参照Lee H S等[8]提出的钢筋的弹性模量随失重率下降公式进行取值。

(3)

式中:分别为钢材锈蚀前后的屈服强度;分别为钢材锈蚀前后的极限强度;W0W1分别为腐蚀前与腐蚀后钢材试件的质量。

Dw=(W0-W1)/W0

文献[9]总结了钢材腐蚀试验数据,得出钢材腐蚀后屈服应变εy和极限应变εu的退化规律。

本文基于各学者[7-9]对腐蚀后钢材材料性能退化的研究成果,总结钢结构腐蚀现状,分别计算了失重率Dw为0%、5%、12%和20%时的材料性能参数(表1)。

1 不同龄期/失重率的钢材材料性能参数 Table 1 Performance parameters of steel materials with different ages and weight loss rates

龄期/Dwσy/MPaσu/MPaεyεuE/MPaDA/%龄期一/0%2353750.0011750.0246752.06×1050龄期二/5%2233570.0011650.0192151.98×1055龄期三/12%2073310.0011600.0133021.87×10512龄期四/20%1893010.0011550.0132041.75×10520

注:DA为有效截面收缩率,根据失重率Dw推算。

2 钢结构层损伤模型研究

(1)二元金属体系.在零价铁的表面镀上适当比例的其他还原电位较高的金属用以增加铁表面的活性吸附点,形成Fe0核-贵金属壳的结构,具有稳定的热力学性质,防止了零价铁的氧化.常见的金属有镍、铜、钯等.目前该技术多用于脱氯反应,研究表明[63],改变Ni/Fe二元体系中Fe与Ni的配合比,腐蚀速率或反应寿命会随之产生变化,同时脱氯反应速率仍能保持较高的数值.

随着人们认识的加深,研究损伤指标的角度也在不断发展,从材料层次到构件层次,再到结构整体层次,从单参数模型到多参数模型。地震作用下结构的破坏不仅与最大变形有关,还与结构的低周疲劳效应所造成的累积损伤有关。因此,目前研究者们更倾向于研究能考虑变形与低周疲劳效应共同作用的损伤模型,即更多地考虑多参数的损伤模型。

2.1 构件损伤模型

目前可应用于钢结构的损伤指数模型有以下3种:

(1) 欧进萍等[10]首次提出的针对钢结构的损伤模型。该模型的非线性组合系数β对于一般结构取2.0,对于重要结构取1.0。

过程写作法为应用型本科院校英语写作提供了一些启示。教师要多引导学生在英语写作中培养自己的读者意识,可以对自己的作品进行修改和完善;还应在英语写作过程中积极与同学、老师讨论各自见解,在此基础上获得自己作品修改的灵感,由线性反馈转化成发散性反馈,使英语写作更加完美。

(2) 牛荻涛等[11]通过试验研究和理论分析提出的一种最大变形和滞回耗能非线性组合的双参数地震损伤模型。该模型中αβ是组合系数,对于钢筋混凝土结构已采用统计回归方法得出相应数值,但是对于钢结构,其值还没有给出。

(3) 王光远等[12]提出的规格化最大位移和规格化滞回耗能的非线性组合双参数损伤模型,可以近似考虑加载路径对结构损伤的影响,但该模型没有给出线性组合系数的取值。

不同损伤模型在不同损伤程度下的震害指数范围详见表2所列。

2 不同损伤程度下的震害指数范围 Table 2 Damage index range under different damage degrees

损伤程度基本完好轻微破坏中等破坏严重破坏倒塌牛荻涛0.00~0.200.20~0.400.40~0.650.65~0.90>0.90欧进萍0.00~0.100.11~0.250.26~0.450.46~0.650.90刘伯权0.00~0.100.11~0.300.31~0.600.61~0.850.86~1.00Park&Ang⁃0.00~0.40⁃0.40~1.00≥1.00

2.2 楼层损伤模型的选择

本文的结构层损伤模型采用欧进萍等[10]提出的钢结构在地震作用下的地震损伤模型:

(4)

式中:Xm为层结构在地震作用下的最大层间位移,Eh为层结构在地震作用下的最大滞回耗能,这两个参数可通过ABAQUS软件对结构的弹塑性时程分析得到;Xu为层结构的极限位移,Eu为层结构的极限滞回耗能;β为非线性组合系数,一般性结构取β=2.0,重要结构取β=1.0,本文中β取2.0。

2.3 极限变形Xu参数的求解

极限变形Xu的求解可通过层结构恢复力模型求得。由于假定梁的刚度无穷大,结构的第2刚度系数较大,得出的极限变形较小,与ABAQUS结果及实际情况存在差别。

本文采用柱的双线性恢复力模型得出其参数(第2刚度系数取0.02)。层结构的屈服变形Xy和极限变形Xu采用同一层各柱中屈服变形Xyi和极限变形Xui的最小值:

Xy=min(Xyi);Xu=min(Xui)

(5)

层结构的屈服剪力fy和极限剪力fu为同一层各柱屈服剪力fyi和极限剪力fui的叠加:

(6)

2.4 极限滞回耗能Eu

利用钢结构低周疲劳试验结果导出的公式,求解极限滞回耗能Eu

再次,不同城市在不同类别的公共服务上各有特点。例如,在教育这一类公共服务上,排名较前的均为江苏的地级市,但这些城市在其他类型的服务上排名较后。这说明,不同城市基本公共服务的供给结构受到自身历史、禀赋、文化、习惯等特殊因素的影响。所以,各地应根据各自的发展状态提出适合自身的针对性措施,推动各项基本公共服务水平的协调发展。

Eu=2(1-α)E[μ]FyXy(2Nf)

(7)

(8)

(9)

(10)

式中:E[μ]为层结构塑性延性系数均值;2Nf为半个滞回圈数目;μu为层结构极限塑性延性系数。

3 钢结构整体损伤模型

本文采用Park等[13]建立的整体结构损伤模型,对层结构损伤分析方法进行计算和评价,然后按一定权重系数将求得的各个层结构损伤指数进行加权组合得到整体结构的损伤指数。具体表达式为:

D=∑(WiDi)/∑Wi

(11)

式中:Wi为第i层结构的损伤加权值,加权值代表了第i层对整个结构的损伤所做的贡献大小,Park等通过把加权值Wi 取为Wi=Di来表示损伤程度越严重的构件或楼层对整体结构损伤贡献越大。

首次登记时,应严格按照规划审批图件准确客观的划分被登记建筑的基本单元情况,不仅无需仅依靠第三方测绘成果,反而可以发现其不当之处,有效杜绝一些测绘问题,例如重庆市于2010年就要求开发建设项目竣工后测绘的,必须结合规划审批图纸和房屋现场进行测量,房屋测绘结果应还原到规划审批的设计内容中去[8]。

4 钢材性能退化对结构整体损伤的影响

钢结构在大气腐蚀影响下,不同的龄期对应不同的腐蚀程度。然而,全国各地的钢结构因其所处外界环境的不同,其腐蚀速率也大不相同(表3)。本文并非针对某一特定环境下腐蚀速率变化的影响研究,而是针对不同腐蚀程度对结构的影响展开的研究。针对某种特定环境,可以通过实地考察得出某地在大气腐蚀下的腐蚀速率,进而计算某龄期对应的腐蚀失重率Dw,再通过本文结论预测评估该地钢结构不同龄期下的地震损伤程度,为震害评估提供基础数据。

本文假定龄期一(未锈蚀)、龄期二、龄期三、龄期四所对应的钢材失重率Dw分别为0%、5%、12%、20%。大气腐蚀对钢结构材料性能的主要影响为钢材屈服强度与极限强度降低、屈服应变与极限应变减小、弹性模量降低和有效截面收缩。采用单一控制变量法,分别研究不同腐蚀程度下各性能。

3 Q235钢材在大气环境下的腐蚀速率 Table 3 The corrosion rates of Q235 steel in atmospheric environment

大气腐蚀速率成都广州武汉北京包头上海鞍山南京ISOC2ISOC3K/(μm·a-1)27.536.414.211.76.717.819.54.01.3~25.025.0~50.0

退化因素对结构损伤的影响,并比较其影响程度,指出大气腐蚀对结构损伤影响的主控因素有效截面缩小率DA根据失重率推算,本文失重率Dw分别取0%、5%、12%、20%。

(12)

本文主要分析了不同龄期钢材材料性能退化对多龄期结构地震损伤值的影响,指出了影响多龄期结构地震损伤值的主控因素与次要因素,通过一系列数值模拟分析得出以下结论:

4.1 算例原始模型

按照我国现行《建筑抗震设计规范》[14]和《钢结构设计规范》[15]的相关规定,利用PKPM的STS软件设计了一榀九层平面抗弯钢框架,跨度为6 m,层高均为3.6 m。平面布置如图1,结构立面如图2。

楼屋面恒(活)载为4.5(2.0) kN/m2,不上人屋面活载为0.7 kN/m2,基本风压为0.3 kN/m2,雪载为0.4 kN/m2,结构阻尼比为0.02,抗震设防烈度为Ⅷ度(0.3g),地面粗糙度为B类,场地类别为Ⅱ类,设计地震分组为第三组。钢材为Q235B,屈服强度fy为235 MPa,极限强度fu为390 MPa。框架柱采用箱形截面,框架梁采用焊接H型钢截面,结构的宽厚比满足规范的要求,且柱的轴压比均小于0.4,满足强柱弱梁的要求。算例均属于规则建筑,不考虑结构的平面扭转。由于对称性,取一榀框架为研究对象,结构的地震作用由各榀框架平均承担,取④轴框架为计算单元,立面见图2,截面尺寸见表4。

本文分别研究了0.3MPa、0.4MPa和0.5MPa下,突出物的间距Δx为nd,n取1/20,1/4,1/2,1,2,3,…,9,10。

图 1 结构平面布置图(单位:m) Fig.1 Structural plan layout (Unit:m)

图 2 结构立面图(单位:m) Fig.2 Structural elevation (Unit:m)

4 结构截面尺寸 Table 4 Structural section size

层数柱截面/mm×mm×mm中柱边柱梁截面/mm×mm×mm1~3□400×400×18□360×360×16H450×180×9×144~6□370×370×14□350×350×14H440×180×9×147~9□340×340×12□310×310×12H390×170×9×14

4.2 地震波的选取

根据相关文献[16]的研究,在增量动力时程分析中采用3条远场地震动记录对结构进行动力时程分析(表5),以研究不同地震波对多龄期结构损伤的影响。

4.3 单独考虑多龄期材料属性的退化对结构损伤的影响

采用文献[17,18]中的动力时程分析方法对多龄期钢框架结构进行损伤分析。腐蚀后只考虑屈服强度的变化,不考虑极限强度、屈服应变、极限应变、弹性模量和有效截面的变化。根据不同龄期对结构腐蚀程度的不同和前文给出的不同龄期/失重率对应的钢材材料性能参数,在ABAQUS建模中选用双折线钢材本构关系,只需调整材料本构模型参数即可。经计算,结果如图3(a)所示。

同理,根据以上程序,可分别计算得出多龄期其他材料属性的退化对结构损伤的影响,结果如图3。在计算有效截面缩小对结构的损伤影响时,在ABAQUS数值模拟建模过程中只考虑方形钢柱外表面的截面损失,以便更好地模拟实际的腐蚀情形。

由图3可知,三条不同的输入地震波在其强度相同的情况下对结构造成的损伤差别很大,但总体趋势上,结构损伤都是随着地震波强度的增大而增大。三条不同的地震波输入下,随着龄期的增长,结构的损伤值呈增大趋势,这符合客观规律,进一步说明了数值模拟的合理性。相对于极限强度、有效截面退化对结构损伤的影响,屈服强度、屈服应变、极限应变和弹性模量的退化导致的结构损伤值随着龄期的变化范围较小,因此腐蚀造成的材料屈服强度、屈服应变、极限应变和弹性模量的性能退化是影响多龄期结构损伤的次要因素,而极限强度与有效截面的退化是影响多龄期结构损伤的主控因素。

5 ATC-63建议的地震动输入 Table 5 Ground motion input recommended by ATC-63

编号震级发生年份名称地震台分量峰值加速度PGA/g16.51979ImperialValley,USAELCentroArray#11NGA174⁃IMPVALL⁃H⁃E112300.3826.51987SuperstitionHills,USAELCentroImp.Co.NGA721⁃SUPERST⁃B⁃ICC0000.3636.91989LomaPrieta,USAGilroyArray#3NGA767⁃LOMAP⁃G030000.56

图 3 地震作用下不同龄期结构的整体损伤 Fig.3 Global damage of structures at different ages under earthquake

According to the RS diffraction theory28–30, the field at an arbitrary observation plane at a distance z can be written as:

4.4 主控因素对整体结构损伤的影响

4.4.1 有效截面缩小的影响规律

LDC1000 的电感检测原理是使用电磁感应原理[7]。向PCB 线圈或自制线圈添加交流电,线圈周围产生交变电磁场,此时,如果金属物体进入电磁场,则在金属物体表面上产生涡流(感应电流)。涡流电流与线圈电流的方向相反,并且由涡电流产生的反向磁场耦合到线圈上以形成变压器。由于变压器的互感,可以在初级线圈中检测次级线圈的参数(金属物体的涡流效应)。检测等效并联电阻以确定金属物体是否接近或远离线圈,因此当金属物体接近时,传感器的值改变,判断这一变化告诉我们小车是否在正确的轨道上。

为了更深入地了解主控因素对多龄期结构损伤的影响规律,本文定义广义的腐蚀损伤为腐蚀所导致结构在地震动作用下的损伤增加值,即多龄期结构在地震作用下的结构损伤值与未锈蚀原型结构地震损伤值的差值。以未被腐蚀的原型结构损伤量D0%为横坐标,广义腐蚀损伤Dcorrosion为纵坐标,绘出各龄期主控因素影响下腐蚀损伤随地震动强度的变化规律(图4)。

图 4 不同地震波作用下Dcorrosion与D0%的关系(有效截面缩小影响) Fig.4 The relationship between Dcorrosion and D0% under the input of different seismic waves(Effected by the reduction of effective cross section)

由图4可知,三条不同的地震波输入下,腐蚀给结构带来的损伤随着原型结构变形累积损伤的增大而增大,且DcorrosionD0%大致呈抛物线关系。

经拟合回归分析,得到DcorrosionD0%的关系均能较好地符合下式:

(13)

4.4.2 极限强度退化的影响规律

以龄期一的结构在地震作用下的损伤值D0%为横坐标,只考虑极限强度退化的龄期二、三、四的结构在地震作用下的损伤值D'为纵坐标,绘出多龄期结构损伤值与原型结构损伤值的关系(图5)。

图 5 不同地震波作用下多龄期结构损伤D′与D0%的关系(极限强度退化影响) Fig.5 The relationship between D′ and D0% under the input of different seismic waves(Effected by the degradation of ultimate strength)

由图5可知,三条不同的地震波输入下,腐蚀给结构带来的损伤随原型结构变形累积损伤的增大而增大,D5%D12%D20%D0%呈线性关系,且符合以下关系式:

(14)

根据广义腐蚀损伤定义,得到钢材极限强度退化造成的腐蚀损伤为:

(15)

4.5 基于未锈蚀原型结构地震损伤值的多龄期结构地震损伤模型

经过大量数值模拟发现多龄期结构在地震作用下的损伤值D'与原型结构/龄期一的损伤值D0%有一定关系。本文仅考虑主控因素,忽略次要因素对多龄期结构损伤的影响,认为多龄期结构在地震作用下的腐蚀损伤是由钢材极限强度和有效截面的退化引起的,则多龄期结构在地震作用下的损伤值可用龄期一的损伤值D0%和腐蚀损伤Dcorrosion表示,见式(16),且本文所提出的多龄期结构地震损伤模型是基于欧进萍等[10]的地震损伤模型,所以不用重新定义不同损伤程度下的震害指数范围。

D′=D0%+Dcorrosion,A+Dcorrosion,fu=D0%+

(16)

以腐蚀失重率Dw为8%、15%的结构验证所提模型的合理性及实用性。由本文提出的多龄期结构损伤模型计算的结构损伤值与实际损伤值的比较如图6所示(本文所提模型是基于未锈蚀原型结构的地震损伤值D0%计算的,实际损伤值为在建模过程中完全考虑了材料的各项性能劣化得到的地震损伤值)。

由图6可以验证本文提出的多龄期结构在地震作用下的损伤模型能够较好地预测多龄期结构的地震损伤值,这将大大节省多龄期结构在震害损失评估过程中的计算工作量。

随着社会经济的飞速发展,单一使用功能的房建已经不能满足人们的需求。在这种社会背景下,提高房建工程与工程管理质量十分重要。有目的性、有重点的提高质量管控,才能保证工程中每一个环节的到位,才能让房建施工单位共同进步,促进房屋建筑施工技术与管理的不断进步。

图 6 不同地震波作用下多龄期结构本文损伤模型计算值与实际损伤值比较 Fig.6 Comparison between the calculated value and actual value of the multi-age structure under the input of different earthquake waves

5 结论

式中:AA′分别为腐蚀前后构件的横截面面积;ρ为钢材密度;l为构件长度;WW′分别为腐蚀前后构件的质量。

(1) 基于欧进萍等[10]的地震损伤模型,经过数值模拟分析,指出影响多龄期结构地震损伤的主控因素为构件有效截面的收缩与钢材极限强度的退化。

(2) 定义了广义的腐蚀损伤,通过研究分析得出在主控因素影响下所产生的腐蚀损伤与未锈蚀原型结构地震损伤值的关系,建立了基于未锈蚀原型结构地震损伤的多龄期结构地震损伤模型,并通过其计算值与实际值的比较,验证了所提出损伤模型的合理性与实用性。该模型的应用将大大节省多龄期结构在震害损失评估过程中的计算工作量。

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Lakoff&Johnson认为,隐喻往往是用具体概念去理解抽象概念。人们也习惯用身边简单具体的概念去认知和体验复杂抽象的概念,从而使不同概念之间建立起联系。人体词隐喻化的基础,是人类对自身感受的基本体验。许慎在其《说文解字》中就提到过“近取诸身,远取诸物”。人体隐喻,即人体部位作为始源域,将其特征或功能映射到目标域。

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实施安全监督检查,是现阶段企业安全管理的主要手段,通过组织有效的监督检查工作,可以第一时间发现问题和隐患并组织整改,以降低事故事件出现的概率,同时,通过分析发现企业存在的普遍性问题进行集中整改,可以提高企业的整体安全性。

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目前对钢结构的损伤尚无标准的定义,损伤力学从宏观和微观的角度对损伤是这样描述的:在加工、运输、安装及使用过程中,钢结构构件不可避免地会在内部或表面产生微小的裂纹或空洞等,在荷载、温度变化以及腐蚀介质等一定的外部因素作用下,这些缺陷会不断扩展、融合形成宏观裂纹,裂纹如果继续扩展将会导致构件或结构的脆性断裂破坏。这些缺陷的存在也会导致强度、刚度、塑性下降或使用寿命降低,使材料和结构力学性能发生劣化的这些微观变化就成为损伤。

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《地震工程学报》 2018年第02期
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