林俊羽

（澳門(mén)大學(xué)科技學(xué)院，中國(guó) 澳門(mén) 999078）

0 引言

在經(jīng)濟(jì)發(fā)展背景下，我國(guó)的建筑技術(shù)不斷升級(jí)，建筑工程的數(shù)量也在飛速增長(zhǎng)，為了提升建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，各個(gè)工程開(kāi)始使用鋼結(jié)構(gòu)完成建筑構(gòu)件的拼接。建筑鋼結(jié)構(gòu)指的是由鋼材料組成的建筑結(jié)構(gòu)[1-2]，包括建筑搭設(shè)鋼板，建筑支撐鋼梁，建筑組合桁架等，建筑鋼結(jié)構(gòu)的性能良好[3]，可靠性較高，為了增加其使用年限，在安裝建筑鋼結(jié)構(gòu)時(shí)往往對(duì)其進(jìn)行防銹處理，包括鍍鋅、水洗烘干等工藝。受鋼結(jié)構(gòu)的特殊性能影響，其各個(gè)節(jié)點(diǎn)主要使用螺栓、焊縫等進(jìn)行連接，這些特殊的連接方式易受連接年限、鋼結(jié)構(gòu)環(huán)境等影響，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)可靠性降低，影響建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。因此，需要對(duì)建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的可靠性進(jìn)行有效分析。

當(dāng)前針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)可靠性的研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，例如文獻(xiàn)[4]提出了基于節(jié)點(diǎn)耦合技術(shù)的可靠性評(píng)估方法。根據(jù)節(jié)點(diǎn)耦合技術(shù)模擬接觸行為建立其有限元模型并進(jìn)行強(qiáng)度分析。根據(jù)應(yīng)力－強(qiáng)度干涉理論建立極限狀態(tài)函數(shù)，采用拉丁超立方抽樣方法對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行可靠性評(píng)估。如文獻(xiàn)[5]提出了基于極限承載力的可靠性評(píng)估方法。通過(guò)調(diào)節(jié)耳板組件的前后位移調(diào)整建筑空間結(jié)構(gòu)表面的平整度，復(fù)雜建筑空間結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)連接抗力與極限承載力對(duì)于節(jié)點(diǎn)可靠性進(jìn)行了評(píng)估，得到相關(guān)的評(píng)估結(jié)果。文獻(xiàn)[6]提出了基于BIN 技術(shù)的可靠性評(píng)估方法。

運(yùn)用BIM 技術(shù)建立合理的建筑鋼結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)用于描述極限狀態(tài)，以極限狀態(tài)方程為約束條件構(gòu)建大型鋼結(jié)構(gòu)建筑節(jié)點(diǎn)可靠性分析約束優(yōu)化模型，使用模擬退火算法對(duì)該模型進(jìn)行求解，得到相關(guān)的可靠性評(píng)估結(jié)果。

大跨度建筑指的是跨度超過(guò)30m 的建筑，為了滿足建筑的跨度要求大部分大跨度建筑都使用了建筑鋼結(jié)構(gòu)代替原本的混凝土結(jié)構(gòu)。隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，很多建筑逐漸老化，損壞嚴(yán)重，不僅導(dǎo)致其建筑結(jié)構(gòu)無(wú)法正常使用，還存在嚴(yán)重的安全隱患。事實(shí)上，在建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，往往會(huì)統(tǒng)一計(jì)算鋼結(jié)構(gòu)荷載，設(shè)置荷載條件，隨著時(shí)間的推移，現(xiàn)有的建筑整體與當(dāng)初設(shè)置的荷載條件難以匹配，從而導(dǎo)致了建筑可靠性低下。為了解決建筑鋼結(jié)構(gòu)衰減問(wèn)題，有效地制定建筑鋼結(jié)構(gòu)修復(fù)方案，本文根據(jù)動(dòng)態(tài)檢測(cè)原則，對(duì)大跨度建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的可靠性進(jìn)行了有效評(píng)估。

1 概況及準(zhǔn)備

本文選取X 大跨度建筑工程，對(duì)其內(nèi)部的鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行可靠性評(píng)估。X 大跨度建筑工程位于某市區(qū)的中心，總建筑面積為215 000m2，建筑高度為215.5m。X 大跨度建筑屬于高層綠色節(jié)能建筑，主樓層共46 層，地下共3 層，主要由鋼結(jié)構(gòu)和混凝土組成，耐火等級(jí)較高。X 大跨度建筑的鋼結(jié)構(gòu)用鋼總量為25 000t，搭設(shè)的鋼結(jié)構(gòu)為對(duì)稱型均勻鋼結(jié)構(gòu)。X 建筑鋼結(jié)構(gòu)主要由鋼骨柱組成，共包含23 根鋼骨柱，規(guī)格為H1 000mm×450mm×40mm×30mm：在特殊的組裝區(qū)域，其使用十字型節(jié)點(diǎn)完成連接，規(guī)格為：500mm×250mm×40mm×30mm。建筑外側(cè)鋼結(jié)構(gòu)由圓柱形箱柱鋼結(jié)構(gòu)組成，由建筑頂端逐步延伸，形成雙向傾斜結(jié)構(gòu)。

在進(jìn)行建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)可靠性評(píng)估前，需要建立符合評(píng)估需求的可靠性鋼結(jié)構(gòu)評(píng)估模型，其流程如下：（1）進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)深化，將建筑內(nèi)部的鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行分段處理，記錄建筑鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)，形成單獨(dú)的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，設(shè)計(jì)評(píng)估模型設(shè)計(jì)圖；（2）根據(jù)評(píng)估設(shè)計(jì)圖初步建立評(píng)估模型，布設(shè)鋼結(jié)構(gòu)軸網(wǎng)，依次設(shè)計(jì)模型的規(guī)格參數(shù)，便于識(shí)別各個(gè)評(píng)估節(jié)點(diǎn)；（3）檢查評(píng)估模型，針對(duì)上一步驟構(gòu)建的模型進(jìn)行二次檢查，規(guī)劃模型的基本關(guān)系；（4）考慮評(píng)估要求精確建立整體模型。

由整體模型可知，對(duì)建筑內(nèi)的全部鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行可靠性評(píng)估的難度較高，因此，本研究主要選取屋頂部分的鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行評(píng)估。

2 大跨度建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)可靠性評(píng)估過(guò)程

結(jié)合上述的大跨度建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的可靠性評(píng)估概況及準(zhǔn)備，可以規(guī)劃可靠性評(píng)估過(guò)程：首先使用自然因素分析法評(píng)估了大跨度建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的腐蝕可靠性；其次使用不確定因素分析法，分析了大跨度建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的時(shí)變可靠性；最后使用力學(xué)性能指標(biāo)選取法評(píng)估了大跨度建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)綜合可靠性指標(biāo)。

第一階段：研究大跨度建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的腐蝕可靠性，建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的腐蝕可靠性主要與鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的局部腐蝕相關(guān)，常見(jiàn)的腐蝕形式包括點(diǎn)蝕、電偶腐蝕、晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕、腐蝕疲勞，以及縫隙腐蝕，本文使用自然因素分析法，首先根據(jù)研究區(qū)域的日照時(shí)間、氣溫等自然環(huán)境因素整理了研究區(qū)域建筑鋼結(jié)構(gòu)在春夏秋冬不同時(shí)間段的環(huán)境因素參數(shù)。

分析相關(guān)調(diào)查結(jié)果可知，研究區(qū)域的年平均氣溫較高，日照時(shí)間較長(zhǎng)，且整體濕度較高。此時(shí)可以得到建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的陰極、陽(yáng)極反應(yīng)式，如式（1）（2）所示。

式中，M代表鋼結(jié)構(gòu)反應(yīng)金屬，Mn+代表n 價(jià)金屬離子，xH2O代表金屬離子化合物，ne代表反應(yīng)電離子，此時(shí)的建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的腐蝕速率D如式（3）所示。

式中，A代表常數(shù)，tn代表腐蝕暴露時(shí)長(zhǎng)，此時(shí)，可以按照研究區(qū)域的氣候條件特征對(duì)其進(jìn)行腐蝕分類(lèi)，使用CMA 腐蝕深度測(cè)試儀測(cè)試鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的腐蝕深度，得出后續(xù)的建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)腐蝕可靠性評(píng)估結(jié)果。

第二階段：研究大跨度建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的時(shí)變可靠性，大跨度建筑鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)連接形式多種多樣，研究建筑的鋼結(jié)構(gòu)主要呈格構(gòu)式和實(shí)腹式，因此其時(shí)變抗力與鋼結(jié)構(gòu)的荷載及自然環(huán)境有重要影響。建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)隨著時(shí)間的增長(zhǎng)強(qiáng)度會(huì)逐漸下降，內(nèi)部的組成結(jié)構(gòu)也會(huì)不斷發(fā)生反應(yīng)，因此，在研究過(guò)程中，首先需要計(jì)算鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的時(shí)變性能指標(biāo)KM，如式（4）所示。

式中，k代表隨機(jī)變量，K0代表鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)性能差異系數(shù)，Kf代表幾何性能常數(shù)，此時(shí)建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的性能差異與鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的材料性能值相關(guān)，可以根據(jù)建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的荷載組成關(guān)系計(jì)算性能變異系數(shù)?，如式（5）所示。

式中，σ代表鋼結(jié)構(gòu)受力平均值，結(jié)合上述的變異系數(shù)可以計(jì)算理想狀態(tài)下的時(shí)變可靠性差異，使后續(xù)的鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)時(shí)變可靠性分析結(jié)果更滿足實(shí)際分析標(biāo)準(zhǔn)。即使用不確定因素分析法分析鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的損傷狀態(tài)，生成時(shí)變抗力模型 ()R t，如式（6）所示。

式中，KP代表計(jì)算不確定性變量，R P(t)代表鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)計(jì)算抗力。在常規(guī)環(huán)境下，鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)存在一定的抗彎承載力，需要結(jié)合承載力的基礎(chǔ)規(guī)律進(jìn)行荷載彈性假設(shè)：

其一，假設(shè)鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)時(shí)變變形后，原有的橫截面層處于平面，與基礎(chǔ)軸線存在相交關(guān)系；其二，H 型鋼結(jié)構(gòu)與B 型鋼結(jié)構(gòu)的時(shí)變狀態(tài)相同；其三僅考慮鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)厚度方向的時(shí)變，不考慮殘余應(yīng)力變化，此時(shí)可以計(jì)算鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的彎曲正應(yīng)力σmax，如式（7）所示。

式中，My代表彎曲正應(yīng)力，IZ代表彎曲半徑。在鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)承載變化過(guò)程中，其屈服點(diǎn)也在發(fā)生改變，本文根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的彎曲關(guān)系計(jì)算了彎曲切應(yīng)力，記錄其在不同抗壓力下的時(shí)變衰減率變化，已知時(shí)變衰減率越高，鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的可靠性越低。

第三階段，大跨度建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的綜合可靠性指標(biāo)，首先可以根據(jù)上述得到的建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的可靠性關(guān)系選取指定的鋼結(jié)構(gòu)截面，對(duì)不同尺寸的鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)，設(shè)置綜合計(jì)算參數(shù)，如表1 所示。

表1 鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)尺寸編號(hào)

由表1 可知，待編號(hào)完畢后，即選取建筑鋼結(jié)構(gòu)綜合可靠性變量，設(shè)計(jì)綜合可靠性指標(biāo)計(jì)算式Z，如式（8）所示。

式中，RS代表可靠荷載參數(shù)，SX代表鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)抗力，可靠性綜合指標(biāo)越高證明大跨度建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的可靠性越高，反之證明大跨度建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的可靠性較低。

3 評(píng)估結(jié)果

結(jié)合上述的大跨度建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)可靠性評(píng)估過(guò)程可以得到最終的評(píng)估結(jié)果，首先是腐蝕可靠性評(píng)估結(jié)果，如表2 所示。

表2 大跨度建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)腐蝕可靠性評(píng)估結(jié)果

由表2 可知，在氣溫不發(fā)生改變的情況下，隨著建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)所處環(huán)境相對(duì)濕度的增加，各個(gè)節(jié)點(diǎn)的腐蝕速率和腐蝕深度逐漸增加，鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的腐蝕可靠性逐漸降低，證明鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的腐蝕可靠性與鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)所處環(huán)境濕度呈反向相關(guān)。

保持大跨度建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)所處的環(huán)境一致，此時(shí)向其附加變化的抗壓力，不同編號(hào)鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的時(shí)變可靠性結(jié)果如表3 所示。

表3 大跨度建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)時(shí)變可靠性評(píng)估結(jié)果

由表3 可知，在大跨度建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)所處的環(huán)境一致的情況下，隨著鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的抗壓力增加，其時(shí)變衰減率越來(lái)越低，大跨度建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的時(shí)變可靠性也越來(lái)越低，證明大跨度建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的時(shí)變可靠性與其承載抗壓力呈反向相關(guān)。

將基礎(chǔ)變量調(diào)整一致，使用上述選取的鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)，此時(shí)可以使用公式（1）計(jì)算其綜合可靠性指標(biāo)，綜合可靠性結(jié)果如表4 所示。

表4 大跨度建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)綜合可靠性評(píng)估結(jié)果

由表4 可知，在基礎(chǔ)變量一致的情況下，鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的截面尺寸越大其綜合可靠性指標(biāo)越高，證明鋼結(jié)構(gòu)截面尺寸與鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的綜合可靠性呈正相關(guān)。

4 結(jié)論

本文選取X 大跨度建筑工程，對(duì)其內(nèi)部的鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行可靠性評(píng)估。主要從大跨度建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的腐蝕可靠性、時(shí)變抗力可靠性、綜合可靠性等三個(gè)方面出發(fā)得到大跨度建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)可靠性評(píng)估結(jié)果。實(shí)驗(yàn)從腐蝕、時(shí)變抗力、綜合可靠性等三個(gè)方面驗(yàn)證了該方法的有效性。評(píng)估結(jié)果表明，該方法的鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的腐蝕可靠性與鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)所處環(huán)境濕度呈反向相關(guān)，時(shí)變可靠性與其承載抗壓力呈反向相關(guān)，綜合可靠性與鋼結(jié)構(gòu)截面尺寸呈正相關(guān)。通過(guò)該方法的研究能夠精準(zhǔn)地評(píng)估節(jié)點(diǎn)的承載能力，及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)缺陷，預(yù)防事故的發(fā)生。