災難地震下銹蝕網架工作性能評定

吳 靜

(太原學院，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，網格結構因其抗震性能較好、布局靈活而被廣泛應用于以體育場館為典型代表的公共建筑中。在災難性地震中，鋼網格結構具有良好的抗震性能，如九洲體育館等，在災后成為避難場所和救災據點，其在人員安置、信息交流等方面發揮出重要作用[1-2](見圖1)。因此，鋼網格結構在災難地震中的抗震性能成為研究熱點[3-5]。建筑建設年代的不同，使用維護條件不等，在體育館、游泳館、工業廠房等使用的鋼網格結構已出現不同程度的銹蝕[6-7](見圖2)，這將導致已建鋼網格結構抗震性能的降低，難以發揮災難地震下避難場所的功能，不利于抗震救災工作的順利開展。

圖1 地震避難場所

圖2 鋼網格結構銹蝕情況

對于在役鋼網格結構的性能，殷志祥等[8]基于考慮環向不同腐蝕深度和面積時鋼管極限承載力的近似公式，計算銹蝕對某網架工程實例穩定性的影響；肖南[9]等對銹蝕后的網架進行基于癥狀的可靠度分析，并預測結構的剩余壽命；王小盾等[10]通過實地檢測，基于銹蝕厚度參數研究不同工況下結構的主要力學指標；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架的受力性能和穩定性能進行分析，研究不同初始缺陷對網架的極限承載力和變形的影響。在這些研究中，諸多學者一致指出，銹蝕將使鋼網格結構的力學性能劣化。目前的研究多集中在銹蝕鋼網格結構靜力學性能、穩定性及可靠度方面，對災難地震下銹蝕鋼網格結構抗震性能的關注較少。因此，該文針對某一正方四角錐網架算例，對其在災難地震下的抗震性能進行評定。

1 網架算例設計

在此參考文獻[11]，通過減小桿件壁厚來模擬不同的銹蝕程度，對鋼網格結構的抗震性能進行分析。

1.1 網架參數

該正方四角錐網架平面尺寸為30 m×30 m，網架高度為2.7 m, 設周邊支承，支座為固接，材料采用Q235B，彈性模量為206 (kN·mm-2)，屈服強度取235 MPa。根據文獻[3-5]的建議，采用SAP2000進行地震響應分析(見圖3)。

圖3 鋼網架結構有限元模型

1.2 分析參數

根據《建筑結構荷載規范》(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點進行網架的受力分析。抗震類別為乙類，設防烈度為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 災難地震下結構性能評定

2.1 結構性能評定流程

參考文獻[5]提出，災難地震下平板網架結構性能評定方法為：對結構進行動力彈塑性時程分析，再基于地震波的IDA分析，判定結構的失效臨界狀態，得到地震波下的結構失效承載力，且該承載力不應小于設防災難地震的加速度峰值。其中，設防災難地震加速度峰值由李海旺等[13]基于1902年以來我國的強震記錄統計分析得出(見表2)。

表2 避難與救災據點地震設防加速度取值

2.2 塑性鉸參數

參考文獻[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，其參數取值如表3所示。依據FAMA-356，圖4中屈服強度和極限強度即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 塑性鉸參數表

2.3 災難地震下算例彈塑性性能評定

參考文獻[4,15]，研究時基于Budiansky-Roth準則[15-16]，判斷結構的動力彈塑性性能。采用IDA方法繪制出動荷載和結構位移響應關系曲線，并據此判定結構失效時刻及失效類型。參考文獻[17]，采用典型強震記錄Taft波進行三向地震響應分析，可得到Taft波作用下未銹蝕網架(編號為30 m-0)及銹蝕網架(編號為30 m-1/30 m-2)的失效臨界加速度峰值、最大節點位移、塑性鉸狀態及分布特征(Z列內數值為豎向最大位移同網架跨度的比值)，具體數值如第43頁表4、圖5所示。

圖5 網架在Taft波作用下的動力響應

表4 網架在Taft波作用下的動力響應

由分析結果可知，Taft波下該三類結構的失效模式，均表現為網架周邊形成塑性帶狀區域，結構呈凹陷狀失穩模態，周邊帶狀區域內大量腹桿進入失效點E之后，結構整體剛度喪失。在失效狀態時，未銹蝕網架塑性鉸數量最多(261)，占桿件總數的32.6%；嚴重銹蝕的網架數量最少(188)，占桿件總數的23.5%。可見該算例在失效時，結構塑性發展充分，失效位移為結構跨度的1/68，為典型的延性強度失效破壞[4,15]。

此外，由前述評定流程可知，嚴重腐蝕的網架30 m-2的失效加速度峰值為390 Gal，遠低于足8.5度設防區950 Gal的災難地震設防要求。未銹蝕前的網架的安全儲備則較充足，可見銹蝕將嚴重影響鋼網格結構的安全儲備，導致不能實現災難地震下基本運行的設防目標。

3 結論和討論

基于某銹蝕網架的彈塑性時程算例分析，可得出以下結論：

(1) 在Taft波作用下，該銹蝕網架同未銹蝕網架的失效模式一致，均為延性強度失效，網架周邊帶狀區域內的腹桿為結構的薄弱環節。

(2) 銹蝕會嚴重影響鋼網格結構災難地震下的工作性能，有必要對在役鋼網格結構的腐蝕情況進一步分析，排查隱患，滿足災難地震下避難場所的需求。

(3) 基于典型的強震記錄Taft波進行地震性能評估，可進一步基于結構和場地特征，進行多條地震波下的研究分析。