钢材在所处环境中易由于介质存在发生电化学反应而锈蚀，钢材锈蚀必导致结构抗震性能衰退^[1-2]. 这不仅是体现在锈蚀导致构件截面削弱，亦体现在锈蚀致使构件的刚度、耗能能力与变形能力均发生不同程度的劣化. 已有研究表明：环境因素对结构抗震性能影响多集中在锈蚀对钢材材性力学性能与构件承载力的劣化作用^[3-7]，而材性试验结果不能反映锈蚀对构件抗震性能的劣化作用. 史炜洲等^[8]通过6 400 h的室内加速锈蚀试验研究锈蚀对钢材与钢梁力学性能的劣化作用，潘典书等^[9-10]研究锈蚀对H型钢的偏心受压与抗弯等性能的劣化作用，以上研究均未考虑锈蚀对结构抗震性能的影响. 郑山锁等^[11-13]采用室内加速锈蚀试验研究了不同锈蚀程度下钢框架柱抗震性能的劣化，但未给出钢构件抗震性能指标随锈蚀率增加的衰减规律.

钢框架节点梁端是钢结构主要的耗能构件，历次震害均显示钢框架梁端易发生脆性断裂. 为研究环境作用对钢框架节点构件抗震性能的劣化作用，必须依据材性试件的失重率确定构件的锈蚀程度. 本文通过对4个不同锈蚀程度的钢框架节点进行变幅低周往复加载，研究近海大气环境作用下钢框架节点不同抗震性能指标随锈蚀率增长的衰变规律.

锈蚀不仅会削弱钢材截面面积，同时对钢材材性性能指标亦具有劣化作用，对钢结构构件而言，锈蚀必会劣化构件承载力与变形能力，同时亦会劣化构件的耗能能力. 目前关于锈蚀对钢构件抗震性能劣化作用的研究较少. 本文旨在研究锈蚀对钢框架节点的劣化作用：1）分析材性力学性能指标，如屈服强度、弹性模量、伸长率等随材性试件锈蚀程度增加的衰变规律；2）分析构件抗震性能指标，如累积耗能、累积塑性变形、刚度等随构件锈蚀程度增加的衰变规律.

首先设计不同锈蚀程度的钢框架节点，并采用相同厚度、相同环境作用时间的材性试件确定构件的锈蚀率，并分析锈蚀对钢材力学性能指标的劣化作用；其次，采用变幅加载研究锈蚀对钢框架节点抗震性能指标的劣化作用.

本研究采用室内加速锈蚀模拟近海大气环境下的钢框架节点抗震性能劣化. 由于受到试验箱的限制，其内部净尺寸(长×宽×高)为3 m×2.5 m×2 m，钢框架边节点的制作缩尺比例取1∶2，梁柱采用全焊接连接，试件总高度为1.9 m，略低于锈蚀试验箱的内部尺寸. 梁柱均选用热轧H型钢，考虑到在役钢结构钢材型号多为Q235B，本研究亦选用此型号钢材，柱截面为HW250 mm×250 mm×9 mm×14 mm，长度为2.05 m，梁截面为HN300 mm×150 mm×6.5 mm×9 mm，长度为1.65 m，梁柱刚度比、板件宽厚比均满足规范要求^[14]，节点尺寸与构造如图1所示.

图 1

图 1 钢框架节点试件相关尺寸 Fig. 1 Relative dimensions of steel frame joint specimens

近海大气环境作用模拟采用西安建筑科技大学气候模拟试验室ZHT/W2300，依据环境模拟规范设定试验条件^[15]，如表1所示，钢框架节点试件与钢材材性试件在锈蚀试验箱中摆放如图2所示. 对钢框架节点试件进行为期0、960、1 920和2 880 h四个等级的室内环境作用，与之对应的锈蚀程度可分为未锈蚀、轻度锈蚀、中度锈蚀和重度锈蚀.

表 1

表 1 近海大气模拟试验周期参数 Table 1 Parameters of offshore atmospheric simulation test period 项目 试验条件 试验温度 35 °C 试验湿度 ≥95% 氯化钠溶液 5%（质量百分比） pH 6.5~7.5 喷雾方式 喷雾5 min，间隔5 min 盐雾沉降量 l~2 mL/（80 cm2·h）

表 1 近海大气模拟试验周期参数 Table 1 Parameters of offshore atmospheric simulation test period

图 2

图 2 模拟近海大气环境对节点试件与材性试件的锈蚀作用 Fig. 2 Corrosion effect of simulated offshore environment on joints and timber specimens

钢框架节点的破坏集中在节点区梁端，在地震作用下，梁端易发生脆性断裂，节点区框架柱破坏情形较少. 同时，由于框架柱的翼缘与腹板厚度通常大于框架梁，相同锈蚀时间下，框架梁的锈蚀率大于框架柱，锈蚀对框架梁的劣化作用大于框架柱. 因此本研究主要考虑锈蚀对框架梁端的劣化作用，为便于加载，试件安放于加载方式如图3和4所示，梁端水平反复荷载采用250 kN的电液伺服作动器来施加. 为了防止框架梁发生加载平面外失稳，在加载端位置安装侧向支撑. 试件在地震作用下的破坏模式有单调加载破坏与累积损伤破坏，对于钢框架节点构件，通常发生累积损伤破坏. 本次试验采用变幅加载工况，变幅加载制度的加载位移D与循环次数n的关系如图5所示. 钢框架节点试件的基本情况如表2所示，其中，t为锈蚀时间.

图 3

图 3 钢框架节点加载装置图 Fig. 3 Loading device diagram of steel frame joint

图 4

图 4 加载装置照片 Fig. 4 Loading device photo

图 5

图 5 节点试件抗震性能试验加载制度 Fig. 5 Loading test system for seismic behavior of joints specimen

表 2

表 2 变幅加载制度下的节点试件基本参数 Table 2 Design parameters of joint specimen under variable amplitude loading ststem 试件编号 t/h 锈蚀程度 JD-1 0 未锈蚀 JD-2 960 轻度 JD-3 1 920 中度 JD-4 2 880 重度

表 2 变幅加载制度下的节点试件基本参数 Table 2 Design parameters of joint specimen under variable amplitude loading ststem

根据所选用梁柱H型钢腹板与翼缘板材的厚度，材性试验试件的厚度选取6.5、9.0和14.0 mm，具体尺寸见图6. 定义失重率

图 6

图 6 不同厚度节点的钢材材性试验试件尺寸 Fig. 6 Specimen size of steel material test with different thickness nodes

式中： ${m_0}$ 、 ${m_1}$ 分别为锈蚀前、后的试件质量. 锈蚀后的试件在称重之前应进行除锈处理，梁柱翼缘与腹板3种厚度的材性试件的失重率随模拟环境作用时间的关系如表3所示，表中数值均为2个试件的平均值.

表 3

表 3 不同厚度的试件锈蚀率随时间的变化 Table 3 Corrosion rate of specimens with different thicknesses varying with time t/h Rcor/% d=6.5 mm d=9.0 mm d=14.0 mm 0 0 0 0 240 1.32 0.93 0.59 480 2.54 1.81 1.13 960 5.15 3.72 2.39 1 440 6.99 5.02 3.19 1 920 8.99 6.49 4.17 2 400 11.35 8.24 5.26 2 880 13.51 9.76 6.27 注：6.5、9.0与12.0 mm均为节点梁柱的翼缘与腹板厚度

表 3 不同厚度的试件锈蚀率随时间的变化 Table 3 Corrosion rate of specimens with different thicknesses varying with time

采用DH3818静态应变仪对钢材材性试件进行拉伸破坏试验，并对试验结果统计回归，如图7所示. 采用最小二乘法得到钢材屈服强度 ${f_{\rm y}}$ （ $f^\prime _{\rm y} $ 为锈蚀后的屈服强度，其他参数同理）、极限强度 ${f_{\rm u}}$ 、伸长率 $\delta $ 与弹性模量 $E$ 四个材性力学性能指标随失重率的衰变关系：

图 7

图 7 钢材力学性能指标随失重率的退化 Fig. 7 Decrease of mechanical property of steel with mass loss rate

由于构件翼缘与腹板厚度不同，即使相同环境试件作用下，翼缘与腹板的锈蚀程度亦不同，在研究锈蚀对构件力学性能的劣化作用时，若在结构分析时按不同锈蚀率分别考虑翼缘与腹板力学性能劣化，则建模时参数输入过于复杂. 本研究对同一截面的构件，可采用统一的锈蚀率分析其各性能指标随锈蚀的劣化规律，考虑到构件实际锈蚀表面并非平整，以厚度作为评价指标必会带来误差，因此，对构件锈蚀通常选用质量损失表达其锈蚀率，而试件的锈蚀率不容易获得，需要对锈蚀表面进行除锈，而在锈蚀后的构件上整体除锈称重很难实现，梁与柱的翼缘与腹板锈蚀程度均不相同，且在锈蚀后的构件上截取试件会因板材切割施工误差而无法确定原试件重量及切割时造成的质量损失，因此采用相同厚度、相同环境作用时间的材性试件锈蚀率分别计算试件翼缘与腹板的质量损失，除以试件总质量，得到试件的锈蚀率. 定义结构构件的锈蚀率计算方法如下：

式中： ${m_0}$ 、 ${m_1}$ 分别为锈蚀前、后的构件质量； ${A_0}$ 、 ${A_1}$ 分别为锈蚀前、后的构件横截面面积；L为构件长度； $\rho $ 为构件密度.

考虑到翼缘与腹板由于厚度不同导致其锈蚀率不同，需分别计算翼缘与腹板的质量损失，式（2）可改写为

式中： ${A_{{\rm{f}}0}}$ 、 ${A_{{\rm{f}}1}}$ 分别为锈蚀前、后的构件翼缘面积； ${A_{{\rm{w0}}}}$ 、 ${A_{{\rm{w1}}}}$ 分别为锈蚀前、后的构件腹板面积； ${R_{{\rm{f}}}}$ 、 ${R_{{\rm{w}}}}$ 分别为构件翼缘与腹板的质量损失率.

由此得到本研究4个不同锈蚀程度的构件锈蚀率分别为0、4.3%、7.5%和11.3%.

不同锈蚀程度的试件在变幅加载下破坏模式近似，翼缘塑性变形区均集中于梁端距根部5~15 cm处，试件最终破坏模式均为翼缘在焊缝通过孔位置出现裂缝并迅速贯通，最后撕裂腹板，试件典型破坏模态如图8所示. 构件在裂缝出现前承载力并未显著降低，裂缝出现突然且发展迅速，因此试件破坏应属脆性破坏.

图 8

图 8 节点试件梁端脆性断裂破坏形态 Fig. 8 Brittle fracture failure mode for beam end of joint specimen

如图9所示为4个不同锈蚀程度的钢框架节点试件在变幅加载下的滞回曲线，图中，F为加载荷载.

图 9

图 9 节点加载滞回曲线 Fig. 9 Nodal loading hysteretic curve

地震作用对结构影响的实质是能量的输入，结构在遭遇强烈地震作用下，通过各构件的塑性变形耗散地震能量. 框架节点区梁端是结构第一道防线，为保证结构安全，有必要对其耗能能力进行分析. 本文以试件无法继续承受荷载作为试件破坏点，定义 ${\theta _{\rm u}}$ 为试件破坏之前的累积塑性转角， ${E_{\rm u}}$ 为试件破坏之前的累积耗能，依据锈蚀程度各试件耗能能力如表4所示. 可见，锈蚀在降低构件累积耗能能力的同时，亦降低了构件的累积塑性变形能力，构件累积塑性变形与构件耗能能力随锈蚀率的衰变规律如图10与11所示.

表 4

表 4 试件累积能耗与变形能力对比 Table 4 Comparison of specimens’ cumulative energy dissipation and deformation capacity 试件编号 $\left.{\theta _{\rm u}}\,\right/$ rad Eu/J JD-1 0.777 117 469 JD-2 0.765 112 778 JD-3 0.756 108 543 JD-4 0.748 103 965

表 4 试件累积能耗与变形能力对比 Table 4 Comparison of specimens’ cumulative energy dissipation and deformation capacity

图 10

图 10 构件累积塑性变形随锈蚀率的衰变 Fig. 10 Decay of cumulative plastic deformation with corrosion rate

图 11

图 11 构件耗能能力随锈蚀率的衰变 Fig. 11 Decay of energy dissipation capacity of components with corrosion rate

取各循环位移加载峰值点依次相连，得到构件的骨架曲线，本次试验4个不同锈蚀程度的钢框架节点试件在变幅加载下的骨架曲线对比如图12所示. 对比骨架曲线可见，随着锈蚀程度增加，骨架曲线整体降低，极限承载力对应的极限位移逐渐减小，试件的延性降低，脆性增强.

图 12

图 12 节点试件骨架曲线对比 Fig. 12 Comparsion of node test piece skeleton curve

定义构件骨架曲线上各加载点的荷载与位移比值为试件刚度，采用刚度退化系数，即试件在加载状态下的刚度与构件未锈蚀的初始刚度的比值，描述构件刚度退化. 本次试验4个不同锈蚀程度的钢框架节点试件在变幅加载下的刚度退化退化比β与加载位移D的关系曲线对比如图13所示. 可见，所有试件的刚度均未退化到0，说明试验结束时构件仍有一定的残余刚度.

图 13

图 13 节点试件刚度退化曲线对比 Fig. 13 Comparison among stiffness degradation curves of node specimens

由不同锈蚀程度的构件骨架曲线与刚度退化曲线得到构件里性能指标，如表5所示。其中，F_u为钢框架节点所承担的极限荷载；F_y为钢框架节点的屈服荷载；δ_u为极限荷载F_u所对应的加载位移；δ_y为屈服荷载F_y所对应的加载位移；K为钢框架节点的刚度，用F_y/δ_y表示。由于锈蚀使得构件屈服平台越来越不明显，基于本次试验结果，假定锈蚀对构件屈服位移不产生影响。钢框架节点构件各性能指标随锈蚀率的衰变规律如图14所示。由于不考虑锈蚀对构件屈服位移的影响，屈服荷载与初始刚度的衰变规律完全相同。

表 5

表 5 试件承载力与变形 Table 5 Specimen bearing capacity and deformation 试件 Fu /kN Fy/kN δu/mm δy/mm K JD-1 136.67 118.36 75 15.90 7.44 JD-2 128.67 114.21 60 15.90 7.18 JD-3 122.67 106.67 45 15.90 6.71 JD-4 117.33 102.42 45 15.90 6.44

表 5 试件承载力与变形 Table 5 Specimen bearing capacity and deformation

图 14

图 14 节点构件不同性能指标力学性能随锈蚀率的衰变关系 Fig. 14 Decay relation between mechanical properties of different performance indexes of node components and corrosion rate

综上可见，锈蚀对钢框架节点构建的抗震性能指标，如累积耗能、累积变形、刚度等指标，均产生一定的劣化，各性能指标的衰变规律相近，且离散型均较小.

（1）本文对近海大气环境作用下不同锈蚀程度的钢材材性试件统计其失重率，并对材性试件进行拉伸试验，得到了4个钢材材性性能指标随锈蚀率的线性衰变关系.

（2）对4个不同锈蚀程度的钢框架节点构件进行变幅加载，从破坏形态来看，均呈现出脆性破坏特征，破坏过程均为裂缝从出现而后迅速贯通翼缘，同时锈蚀使得构件的延性降低，试件破坏发生的越来越早.

（3）分析了锈蚀对钢框架结构构件抗震性能的影响，并统计回归得到了不同构件抗震性能指标随失重率的线性衰变关系.