鄭山鎖 劉曉航 張曉輝 賀金川 劉毅

摘? ?要：為研究不同銹蝕程度下Q235鋼框架梁的力學(xué)性能，基于Q235鋼框架梁抗震性能試驗(yàn)，通過對6根銹蝕程度不同鋼框架梁試件的低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到其滯回曲線、骨架曲線及剛度退化規(guī)律，分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到不同銹蝕程度對鋼框架梁抗震性能的影響.引入循環(huán)退化指數(shù) ，擬合了具有累計(jì)損傷效應(yīng)的特征點(diǎn)（屈服點(diǎn)、極限點(diǎn)、破壞點(diǎn)）公式，提出了適用于銹蝕鋼框架梁的滯回規(guī)則，進(jìn)而建立了考慮銹蝕作用的鋼框架恢復(fù)力模型. 其中3根試件進(jìn)行模擬曲線與試驗(yàn)曲線的對比，另3根試件進(jìn)行模擬曲線與有限元分析的對比，對比結(jié)果表明恢復(fù)力模型有較高的精度，吻合情況良好，所建恢復(fù)力模型可為不同銹蝕程度的鋼框架梁分析提供理論依據(jù)，為鋼框架梁在不同銹蝕程度下的彈塑性分析奠定了基礎(chǔ).

關(guān)鍵詞：低周反復(fù)加載;鋼框架梁;銹蝕;重復(fù)荷載;循環(huán)退化;恢復(fù)力模型

中圖分類號(hào)：TU391;TU317.1? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674—2974（2019）09—0044—10

Abstract： To study the mechanical properties of Q235 steel frame girder in different corrosion degrees， low frequency cyclic loading test on steel frame girders of six trusses in different corrosion degrees was carried out on the basis of seismic performance test of steel frame girders. The hysteresis curve， skeleton curve and rigidity degeneration rule were obtained based on the text results. The effect of different corrosion degrees on seismic performance of steel frame beams was acquired by analyzing text data. The cyclic degradation index was introduced， and the characteristic point （yield point， limit point and breaking-down point） formula with cumulative damage effect was fitted. The hysteretic rule applied to rusted steel frame girders was put forward，and then the restoring force model of steel frame with the consideration of corrosive action was established. The comparison between the simulation curve and text curve for the samples of three trusses was performed， and the comparison between the simulation curve and finite element analysis for other samples of three trusses was implemented. The comparison results show that the restoring force model has high precision and better tally， the established restoring force model can provide theoretical basis for the analysis on steel frame girders in different degree of corrosion and lay a foundation for elastic-plastic analysis steel frame girder in different degree of corrosion

Key words： low cyclic loading;steel frame girder;corrosion;cyclic loading;cyclic degradation;restoring force model

鋼結(jié)構(gòu)在地震作用下發(fā)生一系列非線性反應(yīng)，如鋼材的屈服、結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化以及結(jié)構(gòu)的變形等. 為了更充分地研究地震過程中結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的變化過程，必須構(gòu)建在反復(fù)荷載作用下截面或材料性能變化的準(zhǔn)確本構(gòu)關(guān)系，即恢復(fù)力模型[1]. 恢復(fù)力模型是在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件彈塑性反應(yīng)分析時(shí)，為能更準(zhǔn)確地反映結(jié)構(gòu)的宏觀動(dòng)力特性，而基于大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論分析結(jié)果建立的分析模型[2]. 恢復(fù)力模型是結(jié)構(gòu)在地震反復(fù)荷載作用下展現(xiàn)的定量數(shù)學(xué)關(guān)系，可以是彎矩和曲率的關(guān)系，也可以是荷載和位移的關(guān)系.恢復(fù)力模型能夠直觀地反映結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的某些關(guān)鍵性能，如強(qiáng)度的退化和剛度的衰減，結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在耗能和延性方面的變化等[3].

目前，對完好結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的恢復(fù)力已進(jìn)行了大量的試驗(yàn)及研究，建立了相應(yīng)的恢復(fù)力模型[4-6]. 由于實(shí)際鋼結(jié)構(gòu)或構(gòu)件普遍存在不同程度的侵蝕情況，導(dǎo)致與完好結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的變化規(guī)律有所區(qū)別，不同銹蝕程度結(jié)構(gòu)或試件的滯回曲線存在明顯的差異.目前的研究成果未考慮到鋼框架梁銹蝕后結(jié)構(gòu)不同銹蝕程度的影響和結(jié)構(gòu)銹蝕后鋼框架梁剛度退化的影響.基于此，本研究對不同銹蝕程度下Q235鋼框架梁試件進(jìn)行試驗(yàn)和分析建模，建立考慮銹蝕影響的鋼框架梁的恢復(fù)力模型，準(zhǔn)確地描述銹蝕鋼框架梁各項(xiàng)性能的退化情況，為研究不同銹蝕程度下鋼框架梁的剛度變化及滯回性能提供理論依據(jù).

1? ?試驗(yàn)概況

1.1? ?試件設(shè)計(jì)與制作

本試驗(yàn)參考《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50011—2010，采用1 ∶ 2的縮尺比例設(shè)計(jì)了6根鋼框架梁試件，銹蝕程度分為6個(gè)級(jí)別. 試件均采用熱軋H型鋼制作，材料為Q235B，鋼框架梁規(guī)格為300 mm ×150 mm×6.5 mm×9 mm，并在鋼梁底端安置相對剛度較大的底梁，起到固定支座的作用，試件詳細(xì)尺寸如圖1所示. 選擇鋼材銹蝕時(shí)間作為控制變量，以失重率作為量化指標(biāo)，試件具體設(shè)計(jì)參數(shù)見表1.

1.2? ?試驗(yàn)裝置及加載制度

試驗(yàn)在本校的結(jié)構(gòu)工程與抗震教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，采用懸臂梁式加載方案，30 t電液伺服作動(dòng)器在梁端施加水平往復(fù)荷載.在試驗(yàn)開始前用壓梁固定底梁的梁端限制其平面內(nèi)自由度，同時(shí)在底梁兩端分別安設(shè)頂梁及千斤頂，這樣可以有效地避免因滑移造成的側(cè)向失穩(wěn)，在試件兩側(cè)設(shè)置側(cè)向支撐用以防止試件發(fā)生平面外失穩(wěn).鋼框架梁的荷載-位移試驗(yàn)數(shù)據(jù)由MTS系統(tǒng)自動(dòng)采集，在試件主要控制截面的翼緣及腹板上布置電阻應(yīng)變片以考察整個(gè)受力過程中應(yīng)變的發(fā)展規(guī)律. 試驗(yàn)加載裝置如圖2所示.

考慮到數(shù)據(jù)采集和后期處理的工作量，為了更準(zhǔn)確地獲得試件的屈服點(diǎn)、峰值點(diǎn)和破壞點(diǎn)及其各自對應(yīng)的荷載和位移等信息，綜合考慮到每種加載方法的優(yōu)劣性，最終采取基于位移的加載制度，如圖3所示. 在試件正式加載前，應(yīng)先將試件進(jìn)行預(yù)加載，目的是減少試件內(nèi)部的不均勻性，使荷載與變形關(guān)系趨于穩(wěn)定，同時(shí)檢查試驗(yàn)裝置及儀器儀表工作是否正常.加載過程中每級(jí)位移5 min內(nèi)循環(huán)加載2次，預(yù)加反復(fù)荷載值不應(yīng)超過試件屈服點(diǎn)理論計(jì)算值的30%[7].

1.3? ?現(xiàn)象及破壞模式

在低周往復(fù)荷載作用下，不同銹蝕時(shí)間的試件均經(jīng)歷了彈性階段、彈塑性階段和破壞階段. 前三級(jí)位移，試件均處于彈性階段. 位移級(jí)別加載到15 mm左右時(shí)試件進(jìn)入彈塑性階段;位移級(jí)別加載到60 mm時(shí)，試件B-1～B-5達(dá)到最大承載力，試件B6相對于B-1～B-5的最大承載力位移點(diǎn)下降25.18%，為44.89 mm;當(dāng)位移級(jí)別加載到90 mm正向第一圈時(shí)試件發(fā)生破壞.在彈塑性階段試件均為左右翼緣屈曲后發(fā)生腹板屈曲，梁底部形成塑性鉸，承載力開始下降.隨后出現(xiàn)不同程度的構(gòu)件裂縫、鐵銹層脫落直至試件破壞，試件發(fā)生破壞過程較為緩慢且耗能性較好，屬于延性破壞，如圖4所示.

此外，由于銹蝕程度不同，各試件加載破壞過程又有所差異，具體表現(xiàn)為：隨銹蝕程度增大，處于彈性階段的加載位移下降，試件最大承載力及其位移下降.發(fā)生翼緣屈曲時(shí)，屈曲位置與梁底距離增大，試件破壞程度隨銹蝕程度的增大逐漸增高.

1.4? ?滯回曲線

滯回曲線能夠充分反映試件加載過程中結(jié)構(gòu)承載力和各個(gè)特征點(diǎn)的變化情況;同時(shí)滯回曲線的飽滿度可以反映結(jié)構(gòu)的耗能能力，從而反映其抗震性能的優(yōu)劣性，總的來說滯回曲線越飽滿，結(jié)構(gòu)的耗能性與抗震能力越好[8-9].

圖5給出了各試件荷載-位移滯回曲線，可知：

1）位移級(jí)別在15 mm內(nèi)時(shí)試件處于彈性階段，加載過程中試件沒有明顯變化，卸載后基本沒有殘余變形.

2）在加載中期，隨著位移級(jí)別和循環(huán)次數(shù)的增加，翼緣、腹板等部位逐漸屈服且塑性變形逐漸增大，試件剛度發(fā)生不同程度的退化，荷載卸為零時(shí)，試件呈現(xiàn)殘余變形.反映在荷載-位移滯回曲線上則是曲線包圍面積逐漸增大.

3）試件B-1～B-6的荷載-位移曲線均較為飽滿，

未出現(xiàn)捏縮現(xiàn)象，呈明顯的紡錘形，且滯回曲線包圍的面積較大，由此可以看出，鋼梁擁有較好的延性與耗能能力.同時(shí)隨著銹蝕程度的增大，試件的峰值荷載及其曲線飽滿度有所下降.

1.5? ?骨架曲線

骨架曲線在彈塑性分析中占據(jù)非常重要的地位，能夠集中反映試件的屈服位移、屈服荷載、峰值位移、峰值荷載、極限位移和極限承載力的變化. 對比不同銹蝕程度骨架曲線可得出一般性規(guī)律[10]，不同銹蝕程度鋼框架梁的骨架曲線見圖6.

試件的屈服荷載、屈服位移、極限荷載和極限位移等性能指標(biāo)可以從試件的骨架曲線上獲取，采用通用屈服彎矩方法的原理確定屈服點(diǎn)，如圖7所示 [11].

由圖7可以得到以下結(jié)論：

1）在低周往復(fù)荷載作用下，鋼框架梁基本經(jīng)歷了三個(gè)階段，分別為彈性階段、彈塑性階段和破壞階段.試件在加載初期處于彈性階段時(shí)，骨架曲線符合線性發(fā)展. 隨著加載位移級(jí)別的增大，骨架曲線呈現(xiàn)非線性發(fā)展趨勢，達(dá)到屈服點(diǎn)且出現(xiàn)了拐點(diǎn)，試件的抗側(cè)移剛度降低，進(jìn)入彈塑性階段.當(dāng)加載位移級(jí)別進(jìn)一步增大時(shí)，加載荷載達(dá)到峰值，隨后曲線開始出現(xiàn)下降段，繼續(xù)加載至試件發(fā)生破壞.

2）不同銹蝕程度的試件，骨架曲線在加載初期基本重合，因?yàn)榧虞d初期試件處于彈性階段.但隨著加載位移的增大，試件出現(xiàn)了不同程度的剛度退化，骨架曲線開始出現(xiàn)了差異，且銹蝕程度越大差異越明顯，試件的屈服荷載、峰值荷載、極限承載力均有所下降.

對比表2中的6個(gè)試件可以看出，不同銹蝕程度試件的承載力均發(fā)生了變化.銹蝕程度越大，耗能能力下降越大，同時(shí)下降速率增大.銹蝕對試件剛度也產(chǎn)生了影響，銹蝕程度越大，試件的屈服點(diǎn)、峰值點(diǎn)、極限點(diǎn)的位移和荷載，以及延性系數(shù)越小，試件抗變形能力減弱，延性變差.

1.6? ?剛度退化

位移級(jí)別和循環(huán)次數(shù)的增加也會(huì)造成試件的剛度退化，剛度退化和強(qiáng)度退化都是衡量與評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件抗震性能的指標(biāo)[12]. 根據(jù)《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》（JGJ 101—96）[13]中所述方法，定義試件滯回曲線中原點(diǎn)和某次循環(huán)中峰值荷載點(diǎn)連線的斜率來表征試件的退化.分析圖8所示的剛度退化曲線，可以得到如下結(jié)論：

由圖14和圖15可以看出，通過計(jì)算所得的滯回曲線和試驗(yàn)結(jié)果、有限元分析有較高吻合度，可以近似反映出不同銹蝕程度試件的抗震性能.但是通過計(jì)算得到的滯回曲線正、反方向的偏差不大，與實(shí)際試驗(yàn)不符，這是因?yàn)樵诮⒈疚牡幕謴?fù)力模型中沒有考慮正、反方向骨架曲線不對稱而導(dǎo)致的.

3? ?結(jié)? ?論

本文以6根不同銹蝕程度的Q235鋼框架梁作為研究對象，采用現(xiàn)有骨架曲線特征點(diǎn)計(jì)算方法擬合了不同銹蝕程度試件的計(jì)算特征點(diǎn)公式.在Ibarra-Krawinkler（IK）滯回模型基礎(chǔ)上建立了考慮銹蝕因素的恢復(fù)力模型，并進(jìn)行驗(yàn)證. 結(jié)果表明該恢復(fù)力模型可以描述試件在低周反復(fù)荷載下的材料的非線性特性，為此種試件不同銹蝕程度的彈塑性分析奠定了基礎(chǔ).基于以上研究得到以下結(jié)論：

1）將完好的鋼框架梁試件的骨架曲線簡化為考慮下降段的三折線模型，結(jié)合該模型給出了試件三個(gè)特征點(diǎn)的理論推導(dǎo)公式.

2）恢復(fù)力模型的特征點(diǎn)計(jì)算值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)及其有限元分析吻合較好，故而該恢復(fù)力模型可以用來模擬此類試件.

3）基于Ibarra-Krawinkler（IK）模型并考慮不同銹蝕程度的恢復(fù)力模型既能較為準(zhǔn)確地描述由于循環(huán)加載引起的強(qiáng)度、剛度的循環(huán)退化，又能考慮由于銹蝕損傷引起的退化速率的變化.

4）引入循環(huán)退化指數(shù)，建立了能夠考慮循環(huán)退化效應(yīng)的銹蝕鋼框架梁恢復(fù)力模型.計(jì)算滯回曲線與試驗(yàn)滯回曲線吻合較好，能夠真實(shí)反映銹蝕鋼框架梁的滯回性能，在一定程度上驗(yàn)證了該恢復(fù)力模型的適用性.研究成果為在役鋼框架結(jié)構(gòu)非線性地震反應(yīng)分析提供了理論依據(jù).

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