上篇 多龄期钢结构抗震性能试验研究
　　第1章 多龄期钢结构抗震性能概述
　　1.1 研究背景与研究意义
　　与传统混凝土结构相比，钢结构因其轻质高强、塑性及抗震性能好、建造方便、绿色低碳、艺术表现力丰富等优点越来越受到青睐。近几十年来，国内钢材产量及品种大幅提升，除传统的钢结构厂房外，钢结构也逐渐应用于高层、超高层及大跨度结构，一大批地标性钢结构建筑拔地而起，如深圳地王大厦、北京鸟巢、广州歌剧院等，如图1.1所示。
　　图1.1 钢结构建筑
　　钢结构作为一种以金属材料为主要承重材料的结构，具有耐腐蚀性差的缺点。暴露在大气环境中的钢结构，会在结构材料表面形成一种薄液膜，在干湿交替过程中对结构材料产生腐蚀[1]。随着我国工业化进程的不断加速，环境问题日益突出，研究表明[2]，一般大气环境中的SO2含量、近海大气环境中的Cl–含量及结构暴露在大气环境中的时间(结构的服役龄期)对钢材的腐蚀程度有很大影响。钢结构服役时间越长，所处大气环境中SO2含量或Cl–含量越多，结构腐蚀越严重。腐蚀后构件的有效截面减小，钢材的强度和延性下降；不均匀腐蚀引起的锈坑会导致应力集中，这些现象均不同程度地影响承重钢构件和整体钢结构的力学与抗震性能，并增加结构风险事故发生的概率[1，3]。实际工程中腐蚀引起的灾难性事故屡见不鲜，尤其在地震等动力荷载作用下，腐蚀介质引起钢材脆性断裂并影响疲劳强度，危害更为严重。资料显示[3，4]，近年来美国因腐蚀造成的钢结构不安全事故约占全部不安全事故的31.8%，我国为25%～30%。在役钢结构锈蚀情况如图1.2所示。
　　图1.2 在役钢结构锈蚀情况
　　近年来，我国地震频发，不仅给人民生命财产安全造成了重大损失，也对我国的经济和社会稳定产生了巨大冲击。城市是人类聚居和社会财富聚集的地区，在我国社会经济发展中占据着重要地位。城市区域建筑是维系城市运行的基础设施系统，也是城市遭受地震灾害的主要承灾体，对其进行科学的地震灾害风险评估是减少地震灾害造成人员伤亡、财产损失和文化流失的根本方法。同时，由于建造历史时期及所处侵蚀环境的不同，城市区域建筑结构的抗震性能表现出多龄期性能退化的特性。因此，对于在役钢结构，准确地评估其抗震性能对合理预测与评估地震灾害和灾后损失具有重大意义。
　　1.2 多龄期钢结构性能退化研究现状
　　1.2.1 大气环境下钢材腐蚀机理及影响因素
　　1. 一般大气环境
　　钢材在一般大气环境下腐蚀的实质是钢材处于表面液膜下的电化学腐蚀过程，电化学腐蚀时阴极发生氧化极化反应，阳极发生金属腐蚀。其腐蚀反应过程如下：
　　阴极：
　　阳极：
　　大气环境下钢材腐蚀的主要影响因素如下[3]：
　　(1)相对湿度。一定温度下，当相对湿度超过某一数值时，钢材的锈蚀速率突然开始加快，腐蚀类型由化学腐蚀转变为电化学腐蚀，此时的相对湿度大小被定义为钢材发生锈蚀的临界湿度。
　　(2)温度。大气环境中钢材表面水汽的凝聚程度受周围环境温度变化的影响很大，若温度长时间处于较高状态，则不利于水汽的凝聚，同时温度的变化也会对水膜中腐蚀气体浓度、盐类含量以及水膜的电阻产生较大的影响。
　　(3)空气中的污染源。由于大气中含有硫化物、氮化物、碳化物和尘埃等污染物，当这些具有腐蚀性的粉尘或气体溶解于钢材表面的液膜时，就会形成对钢材具有较强腐蚀性的酸性溶液或盐溶液。
　　2. 近海大气环境
　　钢材在近海大气含Cl–环境下的腐蚀是一个复杂的化学及电化学反应过程。在近海大气环境下，钢材发生锈蚀除了受环境湿度和温度的影响外，海浪或潮汐对海水的雾化作用所形成的海盐气溶胶(主要为NaCl)也是影响其腐蚀的重要因素。钢材通过电化学反应在钢材表面生成水合Fe(OH)2钝化膜使钢材进入钝化状态，而大气中Cl–的存在改变了钢材表面钝化膜的结构，提高了钢材表面Fe(OH)2钝化膜的溶解速率，加快了钢材的腐蚀。当Cl–浓度达到0.2mol/L以上时，Fe(OH)2钝化膜的溶解速率与其生成速率相当，此时钢材表面无法生成连续的钝化膜，钝化现象消失，使得钢材腐蚀更为严重[5]。
　　1.2.2 钢材大气腐蚀研究方法
　　研究金属大气腐蚀常用的方法主要为大气环境暴露试验和室内加速腐蚀试验，大气环境暴露试验方法的优点是能真实再现腐蚀场景，可方便直观地采集数据，准确反映材料与结构性能随腐蚀时间变化的退化规律[6]。由于大气环境暴露试验具有操作方法简便、试验结果可靠等优点，世界各国都十分关注并进行了大量的大气腐蚀暴露试验，以获得金属腐蚀相关数据。从1961年开始，美国试验与材料协会(ASTM)进行了包括钢材在内的多种金属材料大气腐蚀试验。到目前为止，已在500多个城市进行长达25年的大气腐蚀调查，整理并出版了大气腐蚀图。但是，大气环境暴露试验由于试验周期长、人力物力耗费大，且受区域性限制，不利于试验结果的推广和应用。
　　与大气环境暴露试验相比，室内加速腐蚀试验的试验周期短，耗费的人力物力相对较少，且能够满足其实腐蚀过程的相关性要求，故多被研究人员采用。目前，主要的室内加速腐蚀试验方法有以下几种[7]。
　　1)湿热试验法
　　湿热试验法通常分为交变湿热与恒定湿热试验两种。它是通过人为制造一个高温、高湿的环境，使处于该环境下的试样表面凝集一定的水分，以达到强化腐蚀环境、加速试样锈蚀的目的。
　　2)盐雾试验
　　美国材料与试验协会在1962年提出了3种盐雾试验标准：中性盐雾试验、醋酸盐雾试验、醋酸氯化铜盐雾试验。该方法仅作为一种人工加速腐蚀试验方法，不能预测材料在某一实际使用环境下的真实使用寿命。一般情况下，常用此方法来模拟海洋环境对材料的腐蚀。
　　3)周期喷雾复合腐蚀试验
　　带有干燥过程并周期性地进行盐水喷雾的复合试验方法具有“湿润—干燥”循环过程，该试验方法能较好地模拟自然大气环境下，由雨、雾等在试样表面形成的液膜由厚变薄、由湿变干的循环过程，它能较真实地重现大气环境中的循环过程，因此试验结果也更接近金属材料在自然大气环境中的腐蚀过程。
　　4)干湿周浸循环试验
　　干湿周浸循环试验是通过配制模拟不同大气环境的浸润液，并将试件周期性地浸入其中，以模拟试件在工业大气环境、乡村大气环境及海洋大气环境下的腐蚀情况。
　　5)多因子循环复合腐蚀试验
　　多因子循环复合腐蚀试验不但考虑大气腐蚀的一些基本特点，还综合考虑其他影响锈蚀的因素，*能真实模拟金属材料在自然大气环境中的实际锈蚀情况，也是未来金属加速腐蚀试验的发展趋势。
　　1.2.3 锈蚀钢结构力学与抗震性能研究现状
　　1. 钢材腐蚀形态表征研究现状
　　由于钢材所处环境的复杂性及自身化学成分的不确定性，锈蚀后的钢材形态多样，目前关于表征钢结构的锈蚀形态尚未形成一套公认的方法和理论。通常情况下，可将钢材锈蚀按形态分为均匀锈蚀和局部锈蚀(坑蚀)两种。均匀锈蚀是指

目录
前言
上篇 多龄期钢结构抗震性能试验研究
第1章 多龄期钢结构抗震性能概述 3
1.1 研究背景与研究意义 3
1.2 多龄期钢结构性能退化研究现状 4
1.2.1 大气环境下钢材腐蚀机理及影响因素 4
1.2.2 钢材大气腐蚀研究方法 5
1.2.3 锈蚀钢结构力学与抗震性能研究现状 6
参考文献 10
第2章 一般大气环境下钢框架柱拟静力试验研究 12
2.1 引言 12
2.2 试验概况 12
2.2.1 试件设计 12
2.2.2 一般大气环境模拟试验 13
2.2.3 加载装置与加载制度 15
2.2.4 测试内容 16
2.2.5 材性试验 16
2.3 试验结果及分析 19
2.3.1 试件破坏过程与特征 19
2.3.2 滞回曲线 21
2.3.3 骨架曲线 23
2.3.4 承载力及延性系数 25
2.3.5 强度衰减 25
2.3.6 刚度退化 26
2.3.7 耗能能力 27
参考文献 29
第3章 一般大气环境下钢框架节点拟静力试验研究 30
3.1 引言 30
3.2 试验概况 30
3.2.1 试件设计 30
3.2.2 加载装置与加载制度 31
3.2.3 测试内容 33
3.3 试验结果及分析 33
3.3.1 试件破坏过程与特征 33
3.3.2 滞回曲线 35
3.3.3 骨架曲线 39
3.3.4 承载力及延性系数 40
3.3.5 刚度退化 40
3.3.6 耗能能力 41
参考文献 42
第4章 一般大气环境下钢框架梁拟静力试验研究 43
4.1 引言 43
4.2 试验概况 43
4.2.1 试件设计 43
4.2.2 加载装置与加载制度 44
4.3 试验结果及分析 45
4.3.1 试件破坏过程与特征 45
4.3.2 滞回曲线 46
4.3.3 骨架曲线 48
4.3.4 承载力及延性系数 49
4.3.5 刚度退化 49
4.3.6 耗能能力 50
参考文献 51
第5章 一般大气环境下平面钢框架结构拟静力试验研究 53
5.1 引言 53
5.2 试验概况 53
5.2.1 试件设计 53
5.2.2 一般大气环境模拟试验 53
5.2.3 材性试验 55
5.2.4 加载装置与加载制度 57
5.2.5 测试内容 57
5.3 试验结果及分析 58
5.3.1 试件破坏过程与特征 58
5.3.2 滞回曲线 59
5.3.3 骨架曲线 60
5.3.4 承载力及延性系数 61
5.3.5 刚度退化 62
5.3.6 耗能能力 62
参考文献 63
第6章 一般大气环境下钢框架结构地震模拟振动台试验研究 64
6.1 引言 64
6.2 试验概况 64
6.2.1 结构简介与模型设计 64
6.2.2 一般大气环境模拟试验 65
6.2.3 加载方案 68
6.2.4 测点布置及测试内容 69
6.3 试验结果及分析 71
6.3.1 模型结构破坏过程与特征 71
6.3.2 动力特性 71
6.3.3 加速度反应 72
6.3.4 位移反应 75
6.3.5 应变反应 78
6.3.6 剪力分布 80
参考文献 83
第7章 近海大气环境下钢框架柱拟静力试验研究 84
7.1 引言 84
7.2 试验概况 84
7.2.1 试件设计 84
7.2.2 近海大气环境模拟试验 86
7.2.3 加载装置与加载制度 86
7.2.4 测试内容 87
7.2.5 材性试验 88
7.3 试验结果及分析 91
7.3.1 试验现象及破坏形态 91
7.3.2 滞回曲线 93
7.3.3 骨架曲线 97
7.3.4 承载力及延性系数 98
7.3.5 强度衰减 98
7.3.6 刚度退化 100
7.3.7 耗能能力 101
7.4 锈蚀钢框架柱恢复力模型 102
7.4.1 骨架曲线模型 102
7.4.2 滞回规则 107
7.4.3 恢复力模型的建立 110
7.4.4 恢复力模型的验证 111
参考文献 111
第8章 近海大气环境下钢框架节点拟静力试验研究 113
8.1 引言 113
8.2 试验概况 113
8.2.1 近海大气环境模拟试验 113
8.2.2 试件设计 114
8.2.3 试验加载方案 115
8.2.4 测试内容 115
8.3 试验结果及分析 116
8.3.1 试验现象及破坏形态 116
8.3.2 滞回曲线 116
8.3.3 骨架曲线 120
8.3.4 承载力及延性系数 121
8.3.5 刚度退化 122
8.3.6 耗能能力 123
参考文献 123
第9章 近海大气环境下钢框架梁拟静力试验研究 124
9.1 引言 124
9.2 试验概况 124
9.2.1 试件设计 124
9.2.2 加载装置与加载制度 124
9.3 试验结果及分析 125
9.3.1 试件破坏过程与特征 125
9.3.2 滞回曲线 126
9.3.3 骨架曲线 129
9.3.4 承载力及延性系数 129
9.3.5 刚度退化 130
9.3.6 耗能能力 130
9.4 锈蚀钢框架梁恢复力模型 131
9.4.1 骨架曲线模型 131
9.4.2 滞回规则 133
9.4.3 恢复力模型的建立 135
9.4.4 恢复力模型的验证 136
参考文献 137
第10章 近海大气环境下平面钢框架结构拟静力试验研究 138
10.1 引言 138
10.2 试验概况 138
10.2.1 试件设计 138
10.2.2 近海大气环境模拟试验 139
10.2.3 加载装置与加载制度 139
10.2.4 材性试验 140
10.3 试验结果及分析 142
10.3.1 试件破坏过程与特征 142
10.3.2 滞回曲线 143
10.3.3 骨架曲线 146
10.3.4 承载力及延性系数 147
10.3.5 刚度退化 147
10.3.6 耗能能力 148
参考文献 149
第11章 近海大气环境下钢框架结构地震模拟振动台试验研究 150
11.1 引言 150
11.2 试验概况 150
11.2.1 原型结构与模型设计 150
11.2.2 加载方案与测试内容 151
11.3 试验结果及分析 151
11.3.1 模型结构破坏过程与特征 151
11.3.2 动力特性 151
11.3.3 加速度反应 152
11.3.4 位移反应 155
11.3.5 应变反应 158
11.3.6 剪力分布 161
参考文献 163
第12章 新型钢框架节点抗震性能试验研究 164
12.1 引言 164
12.2 试验概况 164
12.2.1 试件设计 164
12.2.2 加载装置与加载制度 165
12.3 试验结果及分析 166
12.3.1 试件破坏过程与特征 166
12.3.2 滞回曲线 168
12.3.3 骨架曲线 169
12.3.4 承载力及延性系数 171
12.3.5 耗能能力 171
参考文献 172
第13章 近场区竖向地震作用下钢框架结构抗震性能试验研究 173
13.1 引言 173
13.2 试验概况 173
13.2.1 原型结构与模型设计 173
13.2.2 加载方案 173
13.3 试验结果及分析 174
13.3.1 模型结构破坏过程与特征 174
13.3.2 动力特性 175
13.3.3 加速度反应 176
13.3.4 位移反应 180
13.3.5 应变反应 183
13.3.6 结构剪力 185
参考文献 186
第14章 结论 187
下篇 多龄期钢结构地震易损性研究
第15章 地震易损性概述 191
15.1 研究背景与研究意义 191
15.2 建筑结构地震易损性研究现状 191
15.2.1 国外研究概况 191
15.2.2 国内研究概况 192
15.3 地震易损性分析方法 193
15.4 地震易损性研究思路 194
15.4.1 基于类的区域建筑结构地震灾害风险评估框架 195
15.4.2 多龄期结构时变地震易损性分析方法 195
参考文献 196
第16章 典型结构的建立 199
16.1 典型结构研究现状 199
16.2 研究采用的典型结构 200
16.2.1 典型结构建立方法 200
16.2.2 典型结构空间的建立 201
16.2.3 钢框架典型结构的建立 203
16.2.4 带支撑钢框架结构典型结构的建立 206
16.2.5 钢结构厂房典型结构的建立 210
参考文献 212
第17章 解析地震易损性模型 214
17.1 解析地震易损性函数的原理及基本形式 214
17.1.1 对数正态分布函数 214
17.1.2 概率地震需求模型 215
17.1.3 概率抗震能力模型 216
17.1.4 地震易损性函数的一般形式 217
17.2 解析地震易损性模型的不确定性 218
17.2.1 不确定因素来源 218
17.2.2 不确定性的划分及量化 219
17.3 拟采用的解析地震易损性模型 222
参考文献 223
第18章 地震动记录及强度指标的选择 225
18.1 地震动记录选取 225
18.1.1 地震动记录集的研究现状 225
18.1.2 研究采用的地震动记录集 227
18.2 地震动强度指标选取 229
18.3 IDA分析中地震动调幅方法 231
参考文献 233
第19章 多龄期钢结构概率地震需求分析 235
19.1 不同侵蚀环境下多龄期钢结构腐蚀程度量化模型 235
19.1.1 一般大气环境 236
19.1.2 近海大气环境 239
19.1.3 锈蚀钢材力学性能退化规律 241
19.2 多龄期钢结构数值建模 244
19.2.1 多龄期钢框架结构数值模型的建立 244
19.2.2 多龄期带支撑钢框架结构数值模型的建立 245
19.2.3 多龄期钢结构厂房数值模型的建立 246
19.3 概率地震需求分析 247
19.3.1 钢框架结构概率地震需求分析 248
19.3.2 带支撑钢框架结构概率地震需求分析 255
19.3.3 单层钢结构厂房概率地震需求分析 260
参考文献 268
第20章 多龄期钢结构概率抗震能力分析 269
20.1