近海大气环境下钢框架梁及结构的地震损伤研究

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钢结构是我国乃至世界建筑结构的一种主要结构类型之一,因其优良的延性、刚度、强度等力学性能而被广泛应用于厂房、场馆与住宅等领域。但是钢材抗锈蚀性能较差,特别是在湿度和氯离子浓度较高的近海大气环境下更容易发生锈蚀退化,导致结构的安全性、耐久性及抗震性能随服役时间增长而逐渐降低。针对上述问题,从损伤的角度研究锈蚀钢结构在地震作用下的性能退化是探究锈蚀与地震共同作用对结构造成损伤的可行方法。因此,本文结合试验、理论和数值建模分析,从材性、构件与结构三个层次对锈蚀钢结构的地震损伤演化规律进行了系统研究。主要工作与结论如下:(1)通过室内加速腐蚀的方法模拟近海大气环境,对24个钢材试件进行加速锈蚀,并对不同锈蚀程度试件进行材性试验。锈蚀钢材以失重率为指标表示锈蚀严重程度,通过材性试验得出钢材的力学性能随失重率增加的变化规律,主要测定的指标为试件的屈服应力、极限应力、弹性模量和伸长率,并拟合试验数据得到各指标与失重率间的数学关系。(2)通过室内加速腐蚀的方法模拟近海大气环境,对4个钢框架梁试件进行加速锈蚀,并对不同锈蚀程度和板件宽厚比的9个钢框架梁构件进行拟静力试验,结合试验结果与损伤理论研究锈蚀程度与板件宽厚比对试件的强度、抵抗变形和能量耗散等损伤指标的影响。结果表明,由于锈蚀的影响导致锈蚀试件的初始刚度和强度均产生折减,其抗震能力相对较差,且强度与刚度折减均随失重率增加而递增,损伤积累也更迅速。随板件宽厚比的增大,试件的最大承载力明显增大,但试件发生屈服的概率和屈曲波及的范围变大,所以试件损伤积累速度加快。损伤的发展具有加速递增的特性,且各试件的损伤曲线的图像及特征与幂函数相似。(3)基于钢框架梁拟静力试验的研究结果,并结合己有的地震损伤模型,提出了可以较全面地反映钢框架梁在地震作用下损伤发展规律的双参数模型。根据试验结果与理论分析,给出损伤模型中的各个参数的确定方法,并将模型计算结果与试验结果对比,检验了模型的合理性。最后确定了构件损伤指数与破坏等级的对应关系,为锈蚀钢框架梁的地震破坏等级评定提供依据。根据试验滞回曲线,并结合本文提出的地震损伤模型,建立了钢框架梁基于损伤的恢复力模型。(4)根据钢框架梁损伤模型与课题组前期试验研究建立的钢框架柱损伤模型,建立了钢框架结构整体损伤模型。使用ABAQUS对课题组已完成钢框架结构试验进行数值模拟分析,获得各个试件的损伤曲线。根据试件破坏过程与损伤曲线,建立结构破坏等级与损伤指数的关系,为锈蚀钢框架结构的地震破坏等级评定提供依据。
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