災(zāi)難地震下銹蝕網(wǎng)架工作性能評定

吳 靜

(太原學(xué)院，山西 太原 030024)

0 引言

隨著重大體育賽事的舉辦和全民文體活動的興起，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)因其抗震性能較好、布局靈活而被廣泛應(yīng)用于以體育場館為典型代表的公共建筑中。在災(zāi)難性地震中，鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，如九洲體育館等，在災(zāi)后成為避難場所和救災(zāi)據(jù)點，其在人員安置、信息交流等方面發(fā)揮出重要作用[1-2](見圖1)。因此，鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)在災(zāi)難地震中的抗震性能成為研究熱點[3-5]。建筑建設(shè)年代的不同，使用維護(hù)條件不等，在體育館、游泳館、工業(yè)廠房等使用的鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)已出現(xiàn)不同程度的銹蝕[6-7](見圖2)，這將導(dǎo)致已建鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)抗震性能的降低，難以發(fā)揮災(zāi)難地震下避難場所的功能，不利于抗震救災(zāi)工作的順利開展。

圖1 地震避難場所

圖2 鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)銹蝕情況

對于在役鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的性能，殷志祥等[8]基于考慮環(huán)向不同腐蝕深度和面積時鋼管極限承載力的近似公式，計算銹蝕對某網(wǎng)架工程實例穩(wěn)定性的影響；肖南[9]等對銹蝕后的網(wǎng)架進(jìn)行基于癥狀的可靠度分析，并預(yù)測結(jié)構(gòu)的剩余壽命；王小盾等[10]通過實地檢測，基于銹蝕厚度參數(shù)研究不同工況下結(jié)構(gòu)的主要力學(xué)指標(biāo)；李欣欒等[11]對均勻銹蝕和非均勻銹蝕兩種情況下的正放四角錐網(wǎng)架的受力性能和穩(wěn)定性能進(jìn)行分析，研究不同初始缺陷對網(wǎng)架的極限承載力和變形的影響。在這些研究中，諸多學(xué)者一致指出，銹蝕將使鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能劣化。目前的研究多集中在銹蝕鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)靜力學(xué)性能、穩(wěn)定性及可靠度方面，對災(zāi)難地震下銹蝕鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)抗震性能的關(guān)注較少。因此，該文針對某一正方四角錐網(wǎng)架算例，對其在災(zāi)難地震下的抗震性能進(jìn)行評定。

1 網(wǎng)架算例設(shè)計

在此參考文獻(xiàn)[11]，通過減小桿件壁厚來模擬不同的銹蝕程度，對鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行分析。

1.1 網(wǎng)架參數(shù)

該正方四角錐網(wǎng)架平面尺寸為30 m×30 m，網(wǎng)架高度為2.7 m, 設(shè)周邊支承，支座為固接，材料采用Q235B，彈性模量為206 (kN·mm-2)，屈服強(qiáng)度取235 MPa。根據(jù)文獻(xiàn)[3-5]的建議，采用SAP2000進(jìn)行地震響應(yīng)分析(見圖3)。

圖3 鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)有限元模型

1.2 分析參數(shù)

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009-2012)[12],恒載為0.5 (kN·m-2),活載為0.35 (kN·m-2), 將面荷載傳遞到上弦節(jié)點進(jìn)行網(wǎng)架的受力分析。抗震類別為乙類，設(shè)防烈度為8度(0.24，第一組)，場地類別為Ⅱ類,特征周期值為0.35 s (罕遇地震設(shè)計時加0.05 s)，阻尼比彈性時取0.02，塑性時取0.03。具體桿件尺寸如表1所示。

表1 桿件尺寸

2 災(zāi)難地震下結(jié)構(gòu)性能評定

2.1 結(jié)構(gòu)性能評定流程

參考文獻(xiàn)[5]提出，災(zāi)難地震下平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)性能評定方法為：對結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力彈塑性時程分析，再基于地震波的IDA分析，判定結(jié)構(gòu)的失效臨界狀態(tài)，得到地震波下的結(jié)構(gòu)失效承載力，且該承載力不應(yīng)小于設(shè)防災(zāi)難地震的加速度峰值。其中，設(shè)防災(zāi)難地震加速度峰值由李海旺等[13]基于1902年以來我國的強(qiáng)震記錄統(tǒng)計分析得出(見表2)。

表2 避難與救災(zāi)據(jù)點地震設(shè)防加速度取值

2.2 塑性鉸參數(shù)

參考文獻(xiàn)[14]，采用軸力鉸定義桿件的彈塑性，其廣義力—廣義位移曲線如圖4所示，其參數(shù)取值如表3所示。依據(jù)FAMA-356，圖4中屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度即B和C點之間被劃分為3段[4,14-15]。其中，B-IO、 IO-LS、LS-CP分別表示桿件的不同受損情況，越往后情況越嚴(yán)重，代表桿件的不同性能水平。

圖4 軸力鉸示意圖

表3 塑性鉸參數(shù)表

2.3 災(zāi)難地震下算例彈塑性性能評定

參考文獻(xiàn)[4,15]，研究時基于Budiansky-Roth準(zhǔn)則[15-16]，判斷結(jié)構(gòu)的動力彈塑性性能。采用IDA方法繪制出動荷載和結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)關(guān)系曲線，并據(jù)此判定結(jié)構(gòu)失效時刻及失效類型。參考文獻(xiàn)[17]，采用典型強(qiáng)震記錄Taft波進(jìn)行三向地震響應(yīng)分析，可得到Taft波作用下未銹蝕網(wǎng)架(編號為30 m-0)及銹蝕網(wǎng)架(編號為30 m-1/30 m-2)的失效臨界加速度峰值、最大節(jié)點位移、塑性鉸狀態(tài)及分布特征(Z列內(nèi)數(shù)值為豎向最大位移同網(wǎng)架跨度的比值)，具體數(shù)值如第43頁表4、圖5所示。

圖5 網(wǎng)架在Taft波作用下的動力響應(yīng)

表4 網(wǎng)架在Taft波作用下的動力響應(yīng)

由分析結(jié)果可知，Taft波下該三類結(jié)構(gòu)的失效模式，均表現(xiàn)為網(wǎng)架周邊形成塑性帶狀區(qū)域，結(jié)構(gòu)呈凹陷狀失穩(wěn)模態(tài)，周邊帶狀區(qū)域內(nèi)大量腹桿進(jìn)入失效點E之后，結(jié)構(gòu)整體剛度喪失。在失效狀態(tài)時，未銹蝕網(wǎng)架塑性鉸數(shù)量最多(261)，占桿件總數(shù)的32.6%；嚴(yán)重銹蝕的網(wǎng)架數(shù)量最少(188)，占桿件總數(shù)的23.5%。可見該算例在失效時，結(jié)構(gòu)塑性發(fā)展充分，失效位移為結(jié)構(gòu)跨度的1/68，為典型的延性強(qiáng)度失效破壞[4,15]。

此外，由前述評定流程可知，嚴(yán)重腐蝕的網(wǎng)架30 m-2的失效加速度峰值為390 Gal，遠(yuǎn)低于足8.5度設(shè)防區(qū)950 Gal的災(zāi)難地震設(shè)防要求。未銹蝕前的網(wǎng)架的安全儲備則較充足，可見銹蝕將嚴(yán)重影響鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的安全儲備，導(dǎo)致不能實現(xiàn)災(zāi)難地震下基本運(yùn)行的設(shè)防目標(biāo)。

3 結(jié)論和討論

基于某銹蝕網(wǎng)架的彈塑性時程算例分析，可得出以下結(jié)論：

(1) 在Taft波作用下，該銹蝕網(wǎng)架同未銹蝕網(wǎng)架的失效模式一致，均為延性強(qiáng)度失效，網(wǎng)架周邊帶狀區(qū)域內(nèi)的腹桿為結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。

(2) 銹蝕會嚴(yán)重影響鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)災(zāi)難地震下的工作性能，有必要對在役鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的腐蝕情況進(jìn)一步分析，排查隱患，滿足災(zāi)難地震下避難場所的需求。

(3) 基于典型的強(qiáng)震記錄Taft波進(jìn)行地震性能評估，可進(jìn)一步基于結(jié)構(gòu)和場地特征，進(jìn)行多條地震波下的研究分析。