摘要
为研究大气环境长期作用下钢框架结构的抗连续性倒塌性能,建立钢结构时变腐蚀模型预测构件截面面积和力学性能随服役时间的退化情况,并以一栋处于Ⅲ级大气腐蚀环境中的多层钢框架建筑为研究对象,在服役期内的不同阶段对其进行Pushdown分析。将塑性荷载系数、极限荷载系数和最大竖向位移作为结构抗倒塌能力的评价指标,通过灵敏度分析得到不同材料参数对各指标的影响情况,并基于回归分析拟合评价指标随体积损失率的退化规律。结果表明:腐蚀会导致钢框架的承载力和延性发生退化,其中延性的劣化更加明显;承载力指标的退化主要归因于材料强度的降低和构件截面面积的减少,延性指标的退化主要与材料断裂应变的减小有关;评价指标与结构体积损失率之间有较强的线性关系,可基于此对其退化情况进行定性预测。
在过去的几十年里,世界范围内发生了一些标志性的倒塌事件,如1968年伦敦Ronan Point公寓楼发生天然气爆炸、1995年Murrah联邦政府大楼和2001年世贸大厦遭受恐怖袭击,这些事件均导致建筑物发生严重的连续性倒塌。此类事故往往会造成巨大的生命财产损失及严重的社会影响,是工程界的重要研究课题之一。
数值模拟是研究建筑结构连续性倒塌最常用的一种方
笔者从结构全寿命角度出发,研究腐蚀作用对钢框架连续性倒塌行为的影响,以期减少因结构耐久性不足导致的安全事故和经济浪费。为此,构建钢结构时变腐蚀模型模拟使用过程中的大气腐蚀作用,并通过Pushdown分析考察结构的抗连续性倒塌能力。以某多层钢框架建筑作为研究对象,获得其在不同使用时间的Pushdown曲线,并对结构性能指标的退化情况进行分析和预测。
腐蚀是钢材与环境相互作用的产物,这种相互作用会导致构件截面面积的损失和力学性能的退化。根据钢材暴露环境的不同,可分为微生物和细菌腐蚀、气体腐蚀、海洋腐蚀、地下腐蚀及大气腐蚀等。由于民用建筑结构主要受大气腐蚀的影响,故不考虑其他类型腐蚀对结构的作用。
钢结构的腐蚀等级由其所处的大气环境、年平均环境相对湿度和大气环境气体类型共同决定。《建筑钢结构防腐技术规程》(JGJ/T 251—2011
构件 | 截面尺寸 | 材料 |
---|---|---|
柱 | H400 mm×300 mm×12 mm×14 mm | Q345 |
梁 | H300 mm×250 mm×10 mm×12 mm | Q345 |
使用时间/a | 柱构件 | 梁构件 | ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
fy/% | fu/% | eu/% | E/% | A/% | fy/% | fu/% | eu/% | E/% | A/% | |
10 | 0.10 | 0.07 | 0.18 | 0.08 | 0.08 | 0.11 | 0.09 | 0.21 | 0.09 | 0.09 |
20 | 1.59 | 1.22 | 2.94 | 1.25 | 1.25 | 1.87 | 1.43 | 3.45 | 1.47 | 1.46 |
30 | 4.48 | 3.45 | 8.29 | 3.52 | 3.51 | 5.26 | 4.04 | 9.72 | 4.13 | 4.12 |
40 | 7.38 | 5.67 | 13.64 | 5.80 | 5.78 | 8.65 | 6.65 | 15.99 | 6.80 | 6.78 |
50 | 10.27 | 7.89 | 18.99 | 8.07 | 8.05 | 12.04 | 9.25 | 22.26 | 9.46 | 9.43 |
60 | 13.16 | 10.12 | 24.34 | 10.34 | 10.31 | 15.43 | 11.86 | 28.54 | 12.13 | 12.09 |
70 | 16.05 | 12.34 | 29.69 | 12.62 | 12.58 | 18.82 | 14.47 | 34.81 | 14.79 | 14.75 |
使用时间/a | 拆除1号柱 | 拆除2号柱 | 拆除3号柱 | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
αp | αu | Δc/mm | αp | αu | Δc/mm | αp | αu | Δc/mm | |
0 | 1.56 | 2.02 | 1 983 | 1.98 | 2.62 | 1 820 | 1.99 | 2.82 | 1 962 |
20 | 1.53 | 1.98 | 1 926 | 1.93 | 2.56 | 1 815 | 1.94 | 2.75 | 1 922 |
30 | 1.48 | 1.90 | 1 821 | 1.84 | 2.46 | 1 748 | 1.86 | 2.62 | 1 822 |
40 | 1.43 | 1.82 | 1 715 | 1.76 | 2.35 | 1 643 | 1.78 | 2.49 | 1 684 |
50 | 1.38 | 1.74 | 1 608 | 1.68 | 2.25 | 1 528 | 1.70 | 2.37 | 1 565 |
60 | 1.34 | 1.67 | 1 500 | 1.60 | 2.15 | 1 415 | 1.62 | 2.25 | 1 444 |
70 | 1.31 | 1.61 | 1 393 | 1.53 | 2.04 | 1 297 | 1.54 | 2.13 | 1 268 |
腐蚀损失自钢结构建筑暴露在大气环境中的那一刻便开始了,而实际工程中通常会采取相关措施来防止结构发生腐蚀。参考《规程》中与防腐蚀保护层相关的规定,假设结构在寿命周期内的前15 a不发生腐蚀,此后保护层完全失效且不再进行防腐涂装,构件的大气腐蚀等级依据其所处环境进行选取。
大气腐蚀不仅会造成钢材的厚度损失,还会导致其力学性能发生退化。文献[
(1) |
(2) |
(3) |
(4) |
式中:ρw为质量损失率,以腐蚀损失质量和完好构件质量的比值来表示;fy、fu、eu和E分别为腐蚀钢材的屈服强度、极限强度、断裂应变和弹性模量;fy0、fu0、eu0和E0为未腐蚀钢材的相关参数。基于式(1)~
Li

图1 一层平面图
Fig. 1 Plain view of the first floor
通过SAP2000软件建立有限元模型,对钢框架进行非线性静力Pushdown分析。建模时所有构件均采用梁单元,使用纤维铰模拟构件在非线性阶段的性能,铰长度取构件长度的1/10,在每根构件的两端各布置一个纤维铰。

图2 Pushdown曲线结果对比
Fig. 2 Comparison of Pushdown curves
Sheng

(a) B2-0钢梁荷载-跨中挠度曲线

(b) B6-0钢梁荷载-跨中挠度曲线
图3 钢梁荷载-跨中挠度曲线对比
Fig. 3 Comparison of load-deflection curve of steel beam
以某多层钢框架为对象,研究结构在寿命周期内抗连续性倒塌能力的变化情况。该建筑总共5层,首层高度为6 m,其他层高度为4 m。结构的三维及平面布置如

图4 结构三维及平面布置图
Fig. 4 Three-dimensional model and structural plan of the steel frame
该典型三维框架结构曾被多次用于分析连续性倒塌问
该框架位于城市大气环境中,气体类型为A,年平均环境相对湿度60%,根据《规程》可知其腐蚀等级为Ⅲ级。结构的使用年限为70 a,在寿命周期内的前15 a,腐蚀速率取0.001 mm/a;之后取0.03 mm/a。如

图5 结构构件腐蚀面
Fig. 5 Corroded surface of structural elements
GS
设置3种初始损伤工况,分别拆除位于首层1、2、3号轴线处的柱子,在寿命期内以10 a为间隔对其进行Pushdown分析,评估腐蚀作用对钢框架抗连续性倒塌能力的影响。将施加于受损跨内的荷载记作α·(1.2D+0.5L),其中α为载荷系数,表示竖向载荷的放大程度,加载过程采用位移控制。

(a) 拆除1号柱

(b) 拆除2号柱

(c) 拆除3号柱
图6 考虑腐蚀效应的Pushdown曲线
Fig. 6 Pushdown curves with corrosion effect
结构的抗倒塌性能用曲线上的3个关键指标点表示,分别为塑性荷载系数αp、极限荷载系数αu和最大竖向位移Δc。其中αp为受损跨内梁端塑性铰形成时的荷载系数,此后结构将进入悬链线作用阶段;αu为结构的最大承载能力;Δc为结构的极限变形能力,选取峰后荷载系数降低20%时失效柱顶点的竖向位移和结构破坏时节点竖向位移中的较小值作为Δc。
由
分别计算构件截面面积A、屈服强度fy、极限抗拉强度fu、弹性模量E和断裂应变eu单独变化时结构指标的退化程度,以研究不同材料参数变化对抗连续性倒塌性能指标的影响情况。

(a) 塑性荷载系数退化程度

(b) 极限荷载系数退化程度

(c) 最大竖向位移退化程度
图7 各参数对性能指标的影响程度
Fig. 7 Influence degree of each parameter on performance index
塑性铰的形成与构件的屈服有关,由
在悬链线作用阶段,结构的承载能力取决于构件提供的拉力。由
由
在实际结构中,内部框架受腐蚀作用较小,会对结构的抗倒塌能力产生一定的正向影响。为分析内部框架对结构抗倒塌能力的影响,以三维钢框架为研究对象,分析其在工况1下抗倒塌性能指标随使用时间的退化情况,并与二维框架的计算结果进行对比。
仅考虑三维框架外部梁柱的腐蚀退化,内部构件的截面面积和力学性能取初始设计值。在不同服役时间结构性能指标的退化情况对比如

(a) 塑性荷载系数

(b) 极限荷载系数

(c) 极限竖向位移
图8 结构性能指标退化情况对比
Fig. 8 Comparison of structural performance index degradation
由
通过建立抗倒塌性能指标与腐蚀程度间的关系函数,来评估和预测腐蚀钢框架在移除单根柱子情况下的抗连续性倒塌能力。以体积损失率表示建筑结构的腐蚀程度,其计算式为
(5) |
式中:为新建结构的总体积;为使用t年后结构的总体积。
对计算结果进行曲线拟合,得到该多层钢框架在体积损失率为(0,0.15]时结构的抗连续性倒塌指标退化规律,结果如

(a) 塑性荷载系数

(b) 极限荷载系数

(c) 极限竖向位移
图9 结构性能指标退化规律
Fig.9 Degradation law of structural performance index
由
(6) |
(7) |
(8) |
式中:αp、αu和Δc分别为腐蚀结构的塑性荷载系数、极限荷载系数和最大竖向位移;αp0、αu0和Δc0分别为新建结构的塑性荷载系数、极限荷载系数和最大竖向位移。
研究了寿命周期内腐蚀作用对钢框架结构抗连续性倒塌能力的影响,通过数值模拟和理论分析得出以下结论:
1)腐蚀效应对钢框架结构的抗连续性倒塌能力有显著影响,随着使用时间的增加,结构的承载力和延性均有明显退化。其中,塑性荷载系数αp的退化主要受构件截面面积和钢材屈服强度的影响,极限荷载系数αu的退化主要受构件截面面积和钢材极限抗拉强度的影响,最大竖向位移Δc的退化主要受断裂应变的影响。
2)在设计阶段应充分考虑腐蚀作用对钢框架抗连续性倒塌性能的影响,以保证其寿命周期内的结构安全。在使用70 a后研究对象的αu十分接近新建结构的αp,表明即便最初设计的结构有足够的安全裕度来承受柱子失效带来的影响,但随着使用时间的增加,其倒塌风险也会逐渐变大。
3)结构抗倒塌性能指标的退化程度与腐蚀造成的体积损失率之间有较强的线性关系,基于此,提出一种性能指标退化程度预测方法,并对其合理性进行验证。但并未考虑框架整体尺寸和截面尺寸对结构抗连续性倒塌性能的影响,今后应对相关参数造成的影响进行分析和研究。
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