低周反复荷载下锈蚀非对称截面单阶钢柱的性能研究*

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低周反复荷载下锈蚀非对称截面单阶钢柱的性能研究*

吴海英1,2　雷宏刚1　陈幼佳1,3

(1.太原理工大学建筑与土木工程学院， 太原　030024； 2.山西大学土木工程系， 太原　030013；3.美国宾夕法尼亚州立大学土木工程系， 米德尔顿 PA17057)

摘　要：利用ABAQUS有限元分析软件，考虑锈蚀和材性退化影响，分析非对称截面单阶柱承受低周反复荷载的性能，得到往复水平荷载下阶形柱破坏形态和滞回曲线的变化规律。研究表明：无锈蚀和翼缘锈蚀深度D≤6 mm时，阶形柱上柱柱底为抗震薄弱部位，应优化上、下柱连接区域的节点构造，减小刚度突变；有腹板参与的锈蚀形式，阶形柱的屈曲破坏部位随着D的增大由上柱柱底转移至下柱锈蚀区域，构件脆性破坏明显；考虑材性退化的承载力、刚度及耗能能力均较未考虑时降低，对翼缘和腹板同时锈蚀情况降低显著，在分析锈蚀构件的受力性能时应考虑材性退化的影响；因截面不对称、偏心荷载及P-Δ效应，3种锈蚀方式的滞回曲线明显不对称。

关键词：锈蚀； 单阶钢柱； 材性退化； 非对称截面； 滞回曲线

超期服役钢结构工业厂房在我国大量存在，尤其在大型钢铁、煤矿企业里，因结构老化、工业介质污染和使用不当，这些厂房锈蚀明显，严重影响结构的可靠性[1]。锈蚀对结构构件受力性能的影响，目前的研究主要集中在静力方面[2-6]，关于抗震性能方面的研究较少，仅是针对未锈蚀普通钢构件[7-10]和高强钢构件[11-14]，以及酸性大气环境下钢框架柱、节点的试验和分析[15-16]，而对高烈度地震区大型工业厂房锈蚀后结构及构件的性能研究几乎未涉及。

本文结合工程实例，考虑钢构件锈蚀后，锈蚀区域的截面损失和力学性能指标衰减的影响，采用通用有限元分析软件ABAQUS建立锈蚀非对称截面单阶柱的数值模型，对其在常轴力、反复水平荷载作用下的受力性能进行分析，探讨局部锈蚀对超期服役钢结构厂房单阶柱破坏形态、滞回曲线等的影响。可供超期服役钢结构厂房抗震鉴定借鉴，为优化上、下柱连接区域抗震构造设计提供参考。

1　单阶柱内力分析

太原某铸钢厂清铲车间为单层三跨钢排架结构(原设计图纸轴线号为-/⑤),厂房平面布置及剖面分别见图1、图2。该厂房于1958年前后建成投产，至今已使用50多年。为了解材料力学性能现状，在受力较小的基本完好部位对其进行取样试验,见图3。经测定：钢材弹性模量为194×103MPa, 泊松比为0.3，屈服强度为247 MPa，抗拉强度为395 MPa。

采用PKPM-STS(V2010)系列软件，取一榀排架(图1)作为计算单元进行分析，根据计算结果，提取作为分析对象GZ1的柱顶轴压力作为分析轴力。单阶柱GZ1的截面如图4所示。荷载按GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》[17]规定取值, 屋面恒荷载为3.0 kN/m2，活荷载为0.5 kN/m2。

图1　厂房平面布置

图2　厂房剖面

a—加工前钢材样品;b—加工后钢材试件;
c—拉伸试验过程;d—拉伸试验后试件破坏情况。
图3　钢材的试验过程

a—下柱；b—上柱。
图4　单阶柱GZ1截面

经计算：GZ1最不利组合作用时的上柱柱顶轴力为N1=776 kN；下柱柱顶吊车竖向偏心荷载N2=797 kN，偏心距e=750 mm。

2　锈蚀单阶柱有限元分析模型

为了研究压弯排架单阶柱在常轴力、低周反复荷载作用下的受力性能，采用有限元软件ABAQUS对其进行建模分析。

2.1　锈蚀单阶柱锈坑模拟依据

为了解超期服役钢结构厂房钢柱的锈蚀规律，对太原重工股份有限公司、太原选煤厂等大型钢铁、煤矿企业进行调研，发现钢柱柱根部区域锈蚀最为严重。本工程单阶柱锈蚀严重区域为钢柱自室内陆面以上的300～500 mm柱根区域： 其中44%(30根)的单阶柱锈蚀深度达4～6 mm；部分翼缘或腹板锈穿形成孔洞，孔洞直径为20～50 mm的占总数的16.2%。钢柱距根部3 m以上部分，基本完好。锈蚀图片见图5。

a—翼缘锈蚀；b—腹板锈蚀；c—翼缘和腹板锈蚀；d—翼缘锈孔。
图5　现场锈蚀图片

结合现场锈蚀情况和实际测量数据，模拟取值：锈坑的宽度取为自室内陆面以上500 mm范围，锈坑深度分别取0，1，2，3，4，5，6 mm；下柱两分肢锈蚀方式：翼缘单侧锈蚀、腹板两侧锈蚀、翼缘单侧和腹板两侧同时锈蚀，共3种。分析时假定：翼缘和腹板锈蚀速率相同；非锈蚀区域与锈蚀区域光滑过渡。

单阶柱下柱两分肢局部锈蚀区域见图6。

a—翼缘单侧锈蚀；b—腹板两侧锈蚀；c—翼缘和腹板同时锈蚀。
图6　下柱两分肢局部锈蚀区域

2.2　材料参数

根据材性试验，单阶柱钢材的应力-塑性应变关系如图7所示。

图7　应力-塑性应变

钢材锈蚀后其力学性能指标随锈蚀率的增加发生退化[18-19]。参考文献[19]考虑分析对象GZ1锈蚀区域材性的退化，表达式为：

(1a)

(1b)

E′/E=1-0.932Dw

(1c)

其中　Dw=(W0-W1)/W0

式中:、、E′分别为锈蚀后钢材的屈服强度、抗拉强度、弹性模量；Dw为钢材失重率。W0、W1分别为钢材未锈蚀的质量和已锈蚀并除锈之后的质量。

2.3　模型建立

GZ1下柱的两分肢采用S4R单元(4结点四边形线性减缩积分壳单元)，上柱、缀条采用考虑剪切变形的线性梁单元B 31。单元划分见图8。模型采用 von Mises 屈服准则及其相关的流动准则，非线性材料模型采用随动强化模型，加载阶段考虑几何非线性。

根据弹性屈曲分析得到的屈曲模态，将构件施加l/1 000(l为厂房跨度)的初弯曲作为构件的初始几何缺陷。

将研究对象GZ1简化为一端刚接、另一端为可水平移动的铰接悬臂柱，如图8所示。下柱柱脚刚接，上柱柱脚通过设置多点约束MPC-Tie模拟与肩梁刚性连接，上柱柱顶U2=0，UR3=0。下柱缀条和分肢间连接按铰接考虑。

图8　有限元模型

2.4　加载制度

参考文献[20]，采用以位移作为控制值的变幅加载方式。取研究对象固端截面边缘纤维第一次出现屈服单元时，阶形柱上柱柱顶相应的水平位移Δy为水平位移基数，屈服前分2级，第一级位移取0.5Δy，循环1圈；从第二级位移开始荷载分别为 1.0Δy，1.3Δy，1.6Δy，1.9Δy…，每级位移循环3圈，直至构件发生破坏或构件的弹塑性层间位移角达到限值(1/50)，加载制度见图9a。加载时，先施加N1和N2并保持其值不变，后在上柱柱顶施加变幅往复位移Δ。规定水平位移方向以推为负(向右，沿X轴负向)，以拉为正(向左，沿X轴正向)，先推后拉。加载示意见图9b。

a—加载制度;b—加载示意。
图9　位移加载方式

3　计算结果及分析

3.1　破坏形态

3.1.1　翼缘锈蚀的破坏形态

翼缘锈蚀的破坏形态见图10。

a—无锈蚀;b—翼缘锈蚀1 mm;c—翼缘锈蚀2 mm;d—翼缘锈
蚀4 mm;e—翼缘锈蚀3 mm;f—翼缘锈蚀3 mm(未考虑材性
退化); g—翼缘锈蚀5 mm;h—翼缘锈蚀6 mm。
图10　翼缘锈蚀破坏形态　MPa

单阶柱无锈蚀时，在加载初期，水平位移较小，处于弹性变形阶段，上、下柱同步变形。加载至1.6Δy位移级第1圈时，上柱开始进入塑性，随后上柱的变形发展比下柱快。1.9Δy位移级第1圈向右推位移达到最大值-148.2 mm时，水平荷载达到最大值，返回向左卸载至柱顶位移为-14.63 mm时，距肩梁顶板上表面约 589 mm处，上柱左侧翼缘出现屈曲变形，呈半波外扩微扭曲形状，回到初始位置时屈曲变形不消失，即有一定的塑性变形积累；1.9Δy位移级第1圈末由左向右卸载至52 mm时，与左侧屈曲翼缘相应的右侧翼缘和腹板同时鼓曲变形。1.9Δy位移级第2圈开始时，上下柱变形开始不同步，水平荷载开始下降，1.9Δy位移级第2圈沿X轴正向加载时，上柱的变形比下柱更快，而下柱的变形发展减缓，直至不发展(图11a)。在加载至2.2Δy位移级时，上柱翼缘腹板屈曲更加严重，变形均呈一个整波，集中在上柱柱根处距肩梁顶板上表面 910 mm范围内，而距肩梁顶板上表面588.54 mm的外扩侧翼缘及相应部位的腹板屈曲变形最大，此时阶形柱的水平荷载下降至最大荷载的62%，弹塑性层间位移角达到限值(1/50)，而下柱仍处于弹性阶段。最后以上柱的破坏致阶形柱丧失承载力。

图11　翼缘锈蚀阶形柱的水平侧移

阶形柱下柱两分肢翼缘单面锈蚀1～5 mm时，其破坏形态同阶形柱下柱两分肢翼缘无锈蚀；翼缘锈蚀3 mm时，锈蚀区域未考虑材性退化的破坏形态同考虑材性退化。

阶形柱下柱两分肢翼缘单面锈蚀6 mm时，在加载初期，水平位移较小，处于弹性变形阶段，上下柱同步变形。1.6Δy位移级第2圈时上柱开始进入塑性，随之上柱的变形比下柱发展快。1.9Δy位移级第3圈由右往左加载至位移最大148.2 mm时，水平荷载达到最大值。2.2Δy位移级第1圈开始时，距肩梁顶板上表面约268 mm处的上柱右侧翼缘带动相邻腹板同时屈曲，翼缘呈半波内凹微扭曲形状，腹板沿Y轴负向呈半波鼓曲； 2.2Δy位移级第1圈由右往左卸载至-68.64 mm时，与右侧屈曲翼缘对应的左侧翼缘呈半波内凹屈曲，随后上下柱变形开始不同步，水平荷载陡降。2.2Δy位移级第2圈开始时，上柱的变形比下柱发展更快，而下柱的变形发展减缓，直至不发展，且下柱在N2的影响下向右侧偏移(图11b)。2.5Δy位移级时，上柱翼缘腹板屈曲更加严重，变形均呈一个整波，集中在上柱柱根处距肩梁顶板上表面990 mm范围内，而距肩梁顶板上表面588.54 mm的腹板屈曲变形最大，内凹翼缘最大变形处距离肩梁顶板上表面268 mm，此时阶形柱的水平荷载下降至最大荷载的50%，弹塑性层间位移角达到限值(1/50)，而下柱仍处于弹性阶段。最后以上柱的破坏致阶形柱丧失承载力。

3.1.2　腹板锈蚀的破坏形态

腹板锈蚀的破坏形态见图12。

a—腹板锈蚀1 mm;b—腹板锈蚀2 mm;c— 腹板锈蚀3 mm;d—腹板锈蚀3 mm(未考虑材性退化);
e—腹板锈蚀4 mm;f—腹板锈蚀5 mm;g—腹板锈蚀6 mm。
图12　腹板锈蚀破坏形态　MPa

图13　腹板双面锈蚀5 mm阶形柱的水平侧移

阶形柱下柱两分肢腹板双面锈蚀1～4 mm时，其破坏形态同阶形柱下柱两分肢无锈蚀；腹板锈蚀3 mm时，锈蚀区域未考虑材性退化的破坏形态同考虑材性退化。

双面锈蚀5 mm时，左肢腹板锈空，右肢腹板厚度剩余2 mm，由于下柱两分肢腹板的锈蚀部位截面削弱较多，使锈蚀区域相对软弱，且下柱在N2的影响下，从0.5Δy位移级开始，水平位移向右侧偏移(图13)，上、下柱变形不同步。1.9Δy位移级第1圈末时，左肢锈空部位翼缘出现平面外的错动，下柱的水平位移突然向左侧偏移，右侧的水平位移变小。整个加载过程中上柱处于弹性阶段，未出现塑性变形，阶形柱的整体破坏由下柱左肢锈蚀部位的破坏导致。

锈蚀6 mm时，下柱左右肢腹板均锈空，1.0Δy位移级第1圈时，左肢锈空部位翼缘出现明显的平面外的错动，较小荷载时阶形柱即发生破坏。

3.1.3　翼缘单侧和腹板两侧同时锈蚀的破坏形态

翼缘单侧和腹板两侧同时锈蚀的破坏形态见图14。

a—翼缘腹板锈蚀1 mm；b—翼缘腹板锈蚀2 mm；c—翼缘腹板锈蚀3 mm；d—翼缘腹板锈蚀4 mm；
e—翼缘腹板锈蚀3 mm(未考虑材性退化)。
图14　翼缘腹板锈蚀破坏形态　MPa

a—锈蚀2 mm;b—锈蚀4 mm;c—锈蚀
3 mm;d—锈蚀3 mm(未考虑材性退化)。

图15　翼缘单侧和腹板两侧同时锈蚀阶形柱的水平侧移

阶形柱下柱两分肢翼缘单面和腹板双面同时锈蚀1 mm时，其破坏形态同阶形柱下柱两分肢无锈蚀。锈蚀2 mm时，1.6Δy位移级第1圈时阶形柱上柱柱底处腹板开始进入塑性。1.9Δy位移级第1圈由右向左卸载至-7.41 mm时，下柱锈蚀区域左肢腹板微鼓曲，由初始位置加载至7.41 mm时左肢两翼缘同时屈曲，至最大位移134.86 mm时，X正向水平荷载达到最大。由于下柱左肢锈蚀区域屈曲，从1.9Δy第2圈开始，上、下柱变形不同步，下柱的水平位移向左侧偏移(图15)，X正向水平荷载峰值逐圈下降。1.9Δy位移级第3圈由左向右加载至最大位移-148.2 mm时，X负向水平荷载达到最大，第3圈末距肩梁顶板上表面约508 mm处的上柱右侧翼缘带动相邻腹板同时屈曲。2.2Δy位移级第1圈开始时，X负向水平荷载峰值逐圈下降，由于下柱向左侧偏移严重，上柱右侧翼缘和腹板屈曲更加严重，变形均呈一个整波，集中在上柱柱根处距肩梁顶板上表面990 mm范围内，而距肩梁顶板上表面508 mm的翼缘腹板屈曲变形最大，阶形柱发生整体破坏。

当锈蚀区域未考虑材性退化，下柱两分肢翼缘单面和腹板双面同时锈蚀3 mm，1.6Δy位移级第1圈时，阶形柱上柱柱底处腹板开始进入塑性。1.9Δy位移级第1圈由右向左卸载至-7.41 mm时，下柱锈蚀区域左肢腹翼缘同时屈曲，上、下柱变形开始不同步，下柱的水平位移向左侧偏移(图15)，反向加载至最大位移130.416 mm时，X正向水平荷载达到最大；反向由左向右卸载至29.64 mm，距肩梁顶板上表面约508 mm处的上柱右侧翼缘带动相邻腹板同时屈曲。1.9Δy位移级第2圈由左向右加载至-111.15 mm时，X负向水平荷载达到最大，随后水平荷载陡降。2.2Δy位移级第3圈由右向左反向加载至77.22 mm时，上柱柱根处左侧翼缘屈曲，由于下柱向左侧偏移严重，上柱右侧翼缘和腹板屈曲更加严重，变形均呈一个整波，集中在上柱柱根处距肩梁顶板上表面990 mm范围内，而距肩梁顶板上表面508 mm的翼缘腹板屈曲变形最大，阶形柱薄弱部位局部屈曲的同时伴有平面外的整体屈曲，发生整体破坏。

锈蚀3 mm时，1.3Δy位移级第1圈开始进入塑性，1.6Δy位移级第1圈开始时，阶形柱下柱锈蚀区域右肢腹板和翼缘几乎同时屈曲。1.6Δy位移级第1圈由左向右加载至最大位移-101.40 mm时，水平荷载达到最大，随后水平荷载峰值开始逐圈下降，由右向左卸载至-68.64 mm时，阶形柱下柱锈蚀区域左肢腹板翼缘同时屈曲，上、下柱变形同步。1.9Δy位移级第3圈时，水平荷载下降至最大荷载的69%，下柱锈蚀区域的翼缘腹板屈曲更加严重，而上柱仍处于弹性阶段，最后以下柱锈蚀区域屈曲破坏而导致阶形柱整体丧失承载力。

锈蚀4 mm时，0.5Δy位移级第1圈由右向左加载至31.2 mm时，下柱锈蚀区域开始进入塑性。1.0Δy位移级第1圈由右向左卸载至-19.5 mm时，左肢腹板微鼓曲，由初始位置加载至77.22 mm时，水平荷载达到最大。1.0Δy位移级第1圈末，阶形柱下柱锈蚀区域右肢腹板和翼缘同时屈曲。1.0Δy位移级第2圈由右向左卸载至-39 mm时，左肢翼缘屈曲。1.0Δy位移级第3圈时，水平荷载下降幅度陡增，下柱锈蚀区域的翼缘腹板屈曲更加严重，而上柱仍处于弹性阶段。1.3Δy位移级第1圈时，阶形柱破坏。

锈蚀5，6 mm时，下柱左右肢腹板相继锈空，锈蚀部位截面削弱较多，不足以承受柱顶的竖向荷载，构件即破坏。

3.2　滞回曲线

图 16—18 给出了3种不同锈蚀方式的P-Δ滞回曲线，结合破坏形态，可知：

a—无锈蚀;b—翼缘锈蚀1 mm;c—翼缘锈蚀2 mm;d—翼缘锈蚀4 mm;e—翼缘锈蚀3 mm;
f—翼缘锈蚀3 mm(未考虑材料退化);g—翼缘锈蚀5 mm；h—翼缘锈蚀6 mm。
图16　翼缘锈蚀滞回曲线

a—腹板锈蚀1 mm;b—腹板锈蚀2 mm;c—腹板锈蚀3 mm;d—腹板锈蚀3 mm(未考虑材性退化)；e—腹板锈蚀4 mm。
图17　腹板锈蚀滞回曲线

a—翼缘腹板锈蚀1 mm；b—翼缘腹板锈蚀2 mm;c—翼缘腹板锈蚀3 mm;d—腹板锈蚀3 mm(未考虑材性退化)；e—翼缘腹板锈蚀4 mm。
图18　翼缘腹板锈蚀滞回曲线

1)由各滞回曲线的形状知，阶形柱上、下柱协同工作时，滞回环面积较小；上、下柱变形不同步，下柱逐渐退出工作时，阶形柱P-Δ曲线成为上柱的滞回曲线，滞回曲线饱满。说明阶形柱整体工作的耗能能力差。

2)阶形柱下柱两分肢翼缘单面锈蚀1～5 mm、腹板双面锈蚀1～4 mm、翼缘单侧和腹板两侧同时锈蚀1 mm时，其滞回曲线的形状均与无锈蚀一致。当所施加的水平位移较小时，阶形柱的上、下柱变形同步，滞回环面积较小，同一级位移幅值的加载环和卸载环基本处于重合的状态，其滞回曲线大体为一直线，荷载和位移基本呈线性关系，阶形柱基本处于弹性变形状态，同时其抗侧刚度退化和水平极限承载力降低亦不明显。

随着水平位移不断增大，阶形柱的滞回环面积开始不断增大，其滞回曲线开始呈现非线性关系，有较大的残余变形，构件呈现一定塑性。

在水平荷载达到最大值之后，由于上柱柱根处距肩梁顶板上表面约1 000 mm范围内，翼缘腹板的相继屈曲，使上、下柱变形不同步，在同一级位移幅值的不同循环加载中，阶形柱的承载力、刚度陡降，随后承载力和刚度退化均较快。随着位移幅值级数的增加，下柱的变形发展减缓，直至不发展，基本无塑性发展，阶形柱P-Δ曲线成为上柱的滞回曲线，滞回曲线愈加饱满，构件累积损伤不断加大，承载力和刚度退化越明显。由于偏心荷载N2，P-Δ效应及下柱两分肢截面不对称，使滞回曲线呈现明显的不对称性。

3)翼缘单面锈蚀6 mm时，由于下柱两分肢锈蚀部位截面削弱较大，刚度减小较多，使上下柱同步变形能力增强：阶形柱出现最大荷载时的位移级、承载力和刚度陡降的位移级以及达到破坏时的位移级均增大，出现局部屈曲的位移级也推迟，局部屈曲变形的范围增大，耗能能力大。

4)腹板双面锈蚀5 mm时，由于锈蚀部位截面削弱较多使锈蚀区域相对软弱，吊车竖向荷载N2产生的P-Δ效应加剧，在整个加载过程，下柱的水平位移先向右侧偏移，随后向左侧偏移，水平荷载很小，几乎无承载能力，在实际中已不能使用。

5)翼缘单侧和腹板两侧同时锈蚀2 mm时，构件局部屈曲先于最大水平荷载出现。由于下柱左右

肢不对称，左肢先于右肢屈曲，使其下柱向左侧偏移，从而使两侧承载力衰减程度不对称，随着下柱逐渐退出工作，两侧衰减幅度趋于一致，承载力和刚度退化很快。

锈蚀3，4 mm时，随着锈蚀深度的增加，出现局部屈曲的位移级提前，最大荷载出现的位移级、承载力和刚度陡降的位移级以及达到破坏时的位移级越小，循环次数和极限变形减小；水平承载力、刚度、耗能能力显著下降。

6)结合图16e、图16f、图17c、图17d、图18c、图18d和表1可以看出：在相同级别位移处，考虑材性退化单阶柱的承载力、刚度及耗能能力均较未考虑材性退化降低，对下柱两分肢翼缘单面锈蚀3 mm、腹板双面锈蚀3 mm这两种锈蚀方式影响不大，降低幅度小，对于翼缘单侧和腹板两侧同时锈蚀3 mm时影响显著：考虑材性退化出现局部屈曲的位移级提前，出现最大荷载时的位移级、承载力和刚度陡降的位移级以及达到破坏时的位移级均减小，循环次数和极限变形减小；与不考虑材性退化相比，峰值荷载X正、负向分别下降27.7%和37%。

表1　材性退化影响分析(锈蚀深度3 mm)

材性X方向锈蚀部位翼缘腹板翼缘和腹板峰值荷载Pm/kNPm相对值峰值荷载Pm/kNPm相对值峰值荷载Pu/kNPm相对值不考虑材性退化负向137.621.0000139.101.0000136.941.0000正向139.351.0000138.481.0000135.831.0000考虑材性退化负向137.040.9958138.250.993986.340.6305正向139.371.0001138.741.001998.230.7232

4　结　论

通过对不同锈蚀方式、不同锈蚀深度单阶柱低周反复循环加载模拟，得出如下结论:

1)仅翼缘锈蚀时，对单阶柱的破坏形态基本无影响；由于上、下柱连接区域刚度突变，上柱柱根处屈曲时，下柱仍处于弹性阶段，使构件出现不利于抗震的薄弱部位。从构件滞回性能角度考虑，应优化连接区域节点构造，减小刚度突变。

2)腹板及腹板和翼缘同时锈蚀时，随着锈蚀深度的增加，下柱锈蚀区域板件的局部屈曲先于最大水平荷载出现，破坏部位由上柱柱底逐渐转变为下柱锈蚀区域，且使构件破坏呈现明显的脆性性质。

3)考虑材性退化单阶柱的承载力、刚度及耗能能力均较未考虑时降低，对翼缘和腹板同时锈蚀情况降低显著。建议在分析锈蚀构件的受力性能时应考虑材性退化的影响。

4)仅翼缘锈蚀D=6mm时，上、下柱同步变形能力增强，循环次数增加，与未锈蚀相比承载力提高，极限变形增大，耗能能力强。

5)由于材性退化、截面不对称、偏心荷载及P-Δ效应，使滞回曲线明显不对称。

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RESEARCH ON THE PERFORMANCE OF ASYMMETRICAL CROSS-SECTION SINGLE-STEP STEEL COLUMN CONSIDERING CORROSION UNDER LOW CYCLIC LOADING

Wu Haiying1，2　Lei Honggang2　Chen Y.Frank1,3

(1.Architecture and Civil Engineering College， Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024； 2.Civil Engineering Department of Shanxi University， Taiyuan 030013；3.Civil Engineering Department of The Pennsylvania State University, Middleton PA17057, US)

ABSTRACT：Using the finite element analysis software ABAQUS, considering corrosion and material degradation, the performance of asymmetrical cross-section single-step steel column under low cyclic loading was analyzed, and the change rule of hysteresis curve and the failure mode of stepped columns under cyclic horizontal loading were obtained. The results showed that: when there was non corroding and the flange corrosion depthD≤6 mm，the upper column bottom became the seismic weak positions and the connection area should be optimized to reduce the stiffness mutation; the buckling failure parts of stepped column were transferred from the upper column bottom to the lower prop corrosion area with the increase ofD,and brittle failure was obvious; considering the material performance degradation, bearing capacity, stiffness and energy dissipation capacity are relatively lower than those not considering,and there were the significant reduction for flange and web corrosion at the same time,so material properties degradation should be considered when analyzing the stress performance of corroded components; because of section asymmetry, eccentric loading andP-Δeffect, the hysteretic curves of three corrosion methods were obvious asymmetric.

KEY WORDS：corrosion; single-step steel column; material properties degradation; asymmetrical cross-section; hysteretic curve

收稿日期：2016-01-25

DOI:10.13206/j.gjg201606023

*国家自然科学基金资助项目(51578357)。

第一作者：吴海英，女，1980年出生，博士研究生。

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