CN112197926A - 考虑腐蚀环境与荷载历史影响的结构件抗震性能试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种考虑腐蚀环境与荷载历史影响的结构件抗震性能试验方法，包括：(a)通过经验公式或实测得出结构件的腐蚀程度η1，通过经验估计或实测的方式并采用雨流计数法对结构件在服役期内遭受到的交变疲劳荷载进行统计，得出结构件的疲劳损伤程度η2；(b)采用通电腐蚀与疲劳加载同时进行的方式或加速腐蚀‑疲劳间歇循环加载的方式对结构件进行考虑腐蚀环境与荷载历史影响的加载；(c)对所得的考虑腐蚀环境与荷载历史影响的结构件进行低周滞回加载，提取结构件经历腐蚀疲劳损伤后的力学参数，研究不同服役年限下即不同腐蚀疲劳程度下结构件的抗震性能。

Description

考虑腐蚀环境与荷载历史影响的结构件抗震性能试验方法
技术领域
本发明涉及结构件抗震性能试验领域，具体涉及考虑腐蚀环境与荷载历史影响的结构件抗震性能试验方法。
背景技术
目前我国现行所有结构设计规范都是基于不考虑时变效应的可靠度理论，时间并不作为变量参与计算，因此在设计使用期内结构的可靠度始终保持不变。但是在实际工程中，随着时间的推移，结构件会逐渐发生腐蚀，腐蚀会引起构件表面出现孔洞、蚀坑、裂纹和腐蚀层等缺陷，导致构件有效受力截面几何尺寸减小，构件承载能力和耗能性能也随之降低。然而，对于结构件，在遭受环境腐蚀的同时还需承受风、波浪、车辆等疲劳荷载的持续和交变作用，疲劳损伤虽不至于造成钢构件立即发生失效破坏，但是长期累积损伤作用下结构承载和变形能力会显著降低，致使结构或构件所承受荷载或变形在远低于其自身抗力情况下发生脆性断裂破坏。目前，针对结构件抗震性能的试验方法多针对无损状态下的结构件，较少考虑腐蚀与疲劳对其抗震性能的影响。因此，若要准确评价结构件的可靠度，研究其在不同服役年限下的抗震性能，需要制定可考虑腐蚀环境与荷载历史影响的结构件抗震性能试验方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种考虑腐蚀环境与荷载历史影响的结构件抗震性能试验方法，解决现有的结构件抗震性能试验方法无法考虑考虑腐蚀环境与荷载历史影响的问题，本发明既可以对既有结构的抗震性能与可靠度进行评价，也可针对新建结构进行考虑时变效应的抗震性能研究与可靠度分析。本发明是通过以下的技术方案来实现的：
一种考虑腐蚀环境与荷载历史影响的结构件抗震性能试验方法，包括：
(a)通过经验公式或实测得出结构件的腐蚀程度η1，通过经验估计或实测的方式并采用雨流计数法对结构件在服役期内遭受到的交变疲劳荷载进行统计，得出结构件的疲劳损伤程度η2；结构件的腐蚀程度η1用失重率表示，即η1＝Δm/m0，其中m0为结构件的初始重量，Δm为结构件经过腐蚀后的质量改变量；Δm由实测或者根据大气腐蚀幂函数模型D＝A·tn，进行计算得出，式中，D为腐蚀深度，A与n为与环境有关的常数，t为暴露时间；通过经验估计或通过实测结合循环计数法对结构件在服役期内遭受到的交变疲劳荷载进行统计，得出结构件的疲劳损伤程度η2，将疲劳损伤程度通过损伤累计准则换算为应力幅值σ1下的高频振动次数n1，即
Figure BDA0002714482200000011
其中k为应力水平个数，ni为各应力幅下的循环次数，Ni为不同应力水平对应的寿命，N1为应力幅值σ1对应的寿命；
(b)采用通电腐蚀与疲劳加载同时进行的方式或加速腐蚀-疲劳间歇循环加载的方式对结构件进行腐蚀与疲劳耦合作用下的加载；
(c)对所得的考虑腐蚀环境与荷载历史影响的结构件进行低周滞回加载，提取结构件经历腐蚀疲劳损伤后的力学参数，研究不同服役年限下即不同腐蚀疲劳程度下结构件的抗震性能。
步骤(b)可采用通电加速腐蚀与疲劳加载同时进行的方式，即通过控制通电腐蚀的电流大小与通电时长控制结构件的腐蚀程度，根据通电时长调整高频疲劳加载的频率，实现对结构件进行腐蚀与疲劳耦合作用下的加载，得到考虑腐蚀环境与荷载历史影响的结构件。具体地，在步骤(b)中，对应采用通电加速腐蚀的方式，根据腐蚀程度η1计算通电腐蚀的时长
Figure BDA0002714482200000021
其中F为法拉第常数；n为金属通电腐蚀失去的电子数；M为金属的摩尔质量；A为结构件与腐蚀溶液接触的面积；i为电流密度，i＝I/A，根据通电腐蚀的时长t1确定高频疲劳加载的频率
Figure BDA0002714482200000022
加载的应力幅值为σ1，对结构件同时对进行通电腐蚀与疲劳加载，得到考虑腐蚀环境与荷载历史影响的结构件。
步骤(b)也可采用加速腐蚀-疲劳间歇循环加载的方式，即将腐蚀疲劳加载过程分为b个阶段，在每个阶段中将结构件放入加速腐蚀设备中进行加速腐蚀后采用疲劳加载装置对结构件进行疲劳加载，重复b次腐蚀与疲劳的间歇性循环加载，得到考虑腐蚀环境与荷载历史影响的结构件。具体地，在步骤(b)中，对于采用加速腐蚀-疲劳间歇循环加载的方式，根据腐蚀量计算出加速腐蚀所需的时长
Figure BDA0002714482200000023
其中v为加速腐蚀的腐蚀速度；将腐蚀疲劳加载过程分为b个阶段，每个阶段的腐蚀时长
Figure BDA0002714482200000024
在每个阶段中，将结构件放入加速腐蚀设备中进行加速腐蚀，腐蚀时间为tb,，腐蚀后将结构件从腐蚀设备中取出，采用疲劳加载装置对结构件进行疲劳加载，疲劳加载的次数为
Figure BDA0002714482200000025
加载的应力幅值为σ1,疲劳加载完成后，将结构件放回腐蚀设备中进行腐蚀；重复b次加速腐蚀后疲劳加载，得到考虑腐蚀环境与荷载历史影响的结构件。
在步骤(c)中，可通过定量腐蚀与定量疲劳耦合加载后所得的考虑腐蚀环境与荷载历史影响的结构件进行低周滞回加载。
本发明提出的考虑腐蚀环境与荷载历史影响的结构件抗震性能试验方法，能够对结构件进行定量的腐蚀与疲劳，且可考虑腐蚀与疲劳之间的耦合作用，试验过程中可实现加速腐蚀与疲劳振动的协同加载，能够实现材/结构构件在真实情况下的损伤情况，本发明既可以对现有结构的抗震性能与可靠度进行评价，也可针对新建结构进行考虑时变效应的抗震性能研究与可靠度分析。
附图说明
图1为本发明的考虑腐蚀环境与荷载历史影响的结构件抗震性能试验方法流程图；
图2为对结构件按照通电加速腐蚀的方式进行加载的示意图；
图3为对结构件按照腐蚀-疲劳间歇循环加载的方式进行加载的示意图；
图4为对通过定量腐蚀与定量疲劳耦合加载后所得的考虑腐蚀环境与荷载历史影响的结构件进行抗震性能试验示意图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
本发明提供的一种考虑腐蚀环境与荷载历史影响的结构件抗震性能试验方法，具体流程如图1所示。第一步，根据实际服役年限，采用实测与理论计算的方式确定结构件的腐蚀程度η1与疲劳损伤程度η2；第二步，采用通电加速腐蚀与疲劳加载同时进行的方式或采用腐蚀-疲劳间歇循环加载的方式得到腐蚀与荷载历史影响下的结构件；第三步，对所得的腐蚀与荷载历史影响下的结构件进行低周滞回加载，研究考虑腐蚀环境与荷载历史影响的结构件的抗震性能。
通过经验公式或实测得出结构件的腐蚀程度η1，通过经验估计或实测的方式并采用雨流计数法对结构件在服役期内遭受到的交变疲劳荷载进行统计，得出结构件的疲劳损伤程度η2；结构件的腐蚀程度η1用失重率表示，即η1＝Δm/m0，其中m0为结构件的初始重量，Δm为结构件经过腐蚀后的质量改变量；Δm由实测或者根据大气腐蚀幂函数模型D＝A·tn，进行计算得出，式中，D为腐蚀深度，A与n为与环境有关的常数，t为暴露时间；通过经验估计或通过实测结合循环计数法对结构件在服役期内遭受到的交变疲劳荷载进行统计，得出结构件的疲劳损伤程度η2，将疲劳损伤程度通过损伤累计准则换算为应力幅值σ1下的高频振动次数n1，即
Figure BDA0002714482200000031
其中k为应力水平个数，ni为各应力幅下的循环次数，Ni为不同应力水平对应的寿命，N1为应力幅值σ1对应的寿命。
对于采用通电加速腐蚀与疲劳加载同时进行的方式，根据腐蚀程度η1计算通电腐蚀的时长
Figure BDA0002714482200000032
(其中F为法拉第常数；n为金属通电腐蚀失去的电子数；M为金属的摩尔质量；A为结构件与腐蚀溶液接触的面积；i为电流密度，i＝I/A，I为通过结构件的电流大小)，根据通电腐蚀的时长t1确定高频疲劳加载的频率
Figure BDA0002714482200000033
加载的应力幅值为σ1；确定好通电时长t1、电流大小I、加载频率f、加载的应力幅值σ1后，将结构件与惰性电极置于腐蚀容器中，结构件与直流电源的正极连接，惰性电极与电源负极连接，将置于腐蚀容器中的结构件与疲劳加载装置进行连接，对结构件同时对进行通电腐蚀与高频疲劳加载，如图2所示，得到定量腐蚀与定量疲劳耦合作用下的结构件。
对于按照腐蚀-疲劳间歇循环加载的方式对结构件进行加载，根据腐蚀量计算出加速腐蚀所需的时长
Figure BDA0002714482200000034
其中v为加速腐蚀的腐蚀速度。将腐蚀疲劳加载过程分为b个阶段，每个阶段的腐蚀时长
Figure BDA0002714482200000035
在每个阶段中，将结构件放入加速腐蚀设备中进行加速腐蚀，腐蚀时间为tb,，到达预定时间后将结构件从腐蚀设备中取出，采用疲劳加载装置对结构件进行疲劳加载，疲劳加载的次数为
Figure BDA0002714482200000036
加载的应力幅值为σ1，疲劳加载完成后，将结构件放回腐蚀设备中继续腐蚀。重复b次腐蚀与疲劳的间歇性循环加载，如图3所示，得到考虑腐蚀环境与荷载历史影响的结构件。
对所得的腐蚀与荷载历史影响下的结构件进行低周滞回加载，如图3所示，提取结构件经历腐蚀与荷载历史损伤后的力学参数，研究考虑腐蚀环境与荷载历史影响的结构件的抗震性能。

Claims (6)

1.一种考虑腐蚀环境与荷载历史影响的结构件抗震性能试验方法，包括：
(a)通过经验公式或实测得出结构件的腐蚀程度η1，通过经验估计或实测的方式并采用雨流计数法对结构件在服役期内遭受到的交变疲劳荷载进行统计，得出结构件的疲劳损伤程度η2；结构件的腐蚀程度η1用失重率表示，即η1＝Δm/m0，其中m0为结构件的初始重量，Δm为结构件经过腐蚀后的质量改变量；Δm由实测或者根据大气腐蚀幂函数模型D＝A·tn，进行计算得出，式中，D为腐蚀深度，A与n为与环境有关的常数，t为暴露时间；通过经验估计或通过实测结合循环计数法对结构件在服役期内遭受到的交变疲劳荷载进行统计，得出结构件的疲劳损伤程度η2，将疲劳损伤程度通过损伤累计准则换算为应力幅值σ1下的高频振动次数n1，即
Figure FDA0002714482190000011
其中k为应力水平个数，ni为各应力幅下的循环次数，Ni为不同应力水平对应的寿命，N1为应力幅值σ1对应的寿命。
(b)采用通电腐蚀与疲劳加载同时进行的方式或加速腐蚀-疲劳间歇循环加载的方式对结构件进行考虑腐蚀环境与荷载历史影响的加载。
(c)对所得的考虑腐蚀环境与荷载历史影响的结构件进行低周滞回加载，提取结构件经历腐蚀疲劳损伤后的力学参数，研究不同服役年限下即不同腐蚀疲劳程度下结构件的抗震性能。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(b)采用通电加速腐蚀与疲劳加载同时进行的方式，即通过控制通电腐蚀的电流大小与通电时长控制结构件的腐蚀程度，根据通电时长调整高频疲劳加载的频率，实现对结构件进行腐蚀与疲劳耦合作用下的加载，得到考虑腐蚀环境与荷载历史影响的结构件。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤(b)中，对应采用通电加速腐蚀的方式，根据腐蚀程度η1计算通电腐蚀的时长
Figure FDA0002714482190000012
其中F为法拉第常数，n为金属通电腐蚀失去的电子数，M为金属的摩尔质量，A为结构件与腐蚀溶液接触的面积，i为电流密度，i＝I/A，I为通电腐蚀的电流大小；根据通电腐蚀的时长t1确定高频疲劳加载的频率
Figure FDA0002714482190000013
加载的应力幅值为σ1，对结构件同时对进行通电腐蚀与疲劳加载，得到考虑腐蚀环境与荷载历史影响的结构件。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(b)采用加速腐蚀-疲劳间歇循环加载的方式，即将腐蚀疲劳加载过程分为b个阶段，在每个阶段中将结构件放入加速腐蚀设备中进行加速腐蚀后采用疲劳加载装置对结构件进行疲劳加载，重复b次腐蚀与疲劳的间歇性循环加载，得到考虑腐蚀环境与荷载历史影响的结构件。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在步骤(b)中，对于采用加速腐蚀-疲劳间歇循环加载的方式，根据腐蚀量计算出加速腐蚀所需的时长
Figure FDA0002714482190000014
其中v为加速腐蚀的腐蚀速度；将腐蚀疲劳加载过程分为b个阶段，每个阶段的腐蚀时长
Figure FDA0002714482190000015
在每个阶段中，将结构件放入加速腐蚀设备中进行加速腐蚀，腐蚀时间为tb,，腐蚀后将结构件从腐蚀设备中取出，采用疲劳加载装置对结构件进行疲劳加载，疲劳加载的次数为
Figure FDA0002714482190000021
加载的应力幅值为σ1,疲劳加载完成后，将结构件放回腐蚀设备中进行腐蚀；重复b次加速腐蚀后疲劳加载，得到考虑腐蚀环境与荷载历史影响的结构件。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的方法，其特征在于，在步骤(c)中，通过定量腐蚀与定量疲劳耦合加载后所得的考虑腐蚀环境与荷载历史影响的结构件进行低周滞回加载。
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