受损钢结构力学分析模型研究

受损钢结构力学分析模型研究

摘要：通过对8组不同受损程度的Q235钢材进行力学性能实验研究，分析了不同损伤程度对钢材二次加载和卸载时加载弹性模量和卸载弹性模量的影响，提出了受损钢材的力学模型。基于受损截面的应力-应变关系，通过定义受损受弯构件截面的无损高度比K，推导了不同受损程度下构件截面的平均弹性模量和损伤指标的计算公式。用转动弹簧来模拟受损截面的力学性能，根据受损微段的应力-应变关系，推导了受损截面的弯矩-转角关系和截面转动刚度计算公式，提出了可用于受损钢结构力学分析的计算模型。算例分析表明，截面受损降低了结构的刚度，在实际工程应用时不容忽视。

关键词：钢结构；损伤；实验；力学模型；转动弹簧模型

1 引言

既有钢结构在自然灾害作用或其他因素的影响下，容易造成工程事故[1,2]。2008年，我国南方经历了一场特大冰雪和冻雨天气，导致大量轻型门式刚架结构发生坍塌[3-5]，大量的钢结构房屋受损。受损钢结构房屋能否满足其正常使用要求，一直都是人们关注的焦点。

目前，对此类结构安全可靠性的评估通常是参考《钢结构工程施工质量验收规范》[6]中的相关要求，从构件和节点的层面去评估，结合权重系数等方法来分析结构的整体可靠性[7,8]，而未考虑损伤对截面、构件和结构力学性能的不利影响，难以真实反映结构的实际力学性能。

本文从受损钢材的力学性能实验研究着手，分析损伤对钢材力学性能的影响程度，提出受损钢材、构件截面和结构的力学分析模型，研究损伤对钢结构力学性能的影响。

2 受损钢材力学性能实验

2.1 试件设计

选用Q235钢材为实验研究对象。为了分析Q235钢材在不同损伤程度时的力学性能，采用8组(每组取3个试件)标准板试件进行实验研究，研究试件在不同损伤程度情况下的二次加载和卸载时的力学性能。根据国家标准《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》[9]，板试件的几何尺寸参数如图1所示。

根据对该批试件的实验测试结果，测得试件在屈服阶段结束时的变形约为0.8 mm，强化阶段结束时的变形约为9 mm，如图2所示。为了考虑钢材不同的受损情况，将此8组试件分别在实验机上拉伸，使其初始变形分别达到0 mm,0.8 mm,2 mm,3 mm,4 mm,5 mm,7 mm和9 mm等8个级别，并测得各试件的原始弹性模量E0。初拉伸实验完成后，根据不同分组情况，将各组试件分别进行二次加载和卸载，测得受损试件在二次加载和卸载过程中的加载弹性模量和卸载弹性模量E′。

2.2 实验测试

采用型号为CMT5105的微机控制电子万能试验机，其最大负荷为100 kN，精度为0.5级。采用电子引伸计记录试件在加载和卸载过程中的变形情况，引伸计的标距为50 mm，最大变形量为10 mm。通过对微机控制

万能试验机的程序编制，可很好地控制加载和卸载过程，测试数据精度非常高。实验测试现场和试件照片分别如图3和图4所示。

图1 拉伸试件

Fig.1 Tensile specimens

(注：a为板试件的厚度，L0为原始标距，单位:mm)

图2 未受损试件应力-应变曲线

Fig.2 Stress-stain curve of nondestructive sample

图3 实验测试现场

Fig.3 Universal material testing machine

图4 板试件

Fig.4 Samples of panels 2.3 实验结果