大跨度建筑钢结构节点可靠性评估研究

林俊羽

（澳门大学科技学院，中国 澳门 999078）

0 引言

在经济发展背景下，我国的建筑技术不断升级，建筑工程的数量也在飞速增长，为了提升建筑结构的稳定性，各个工程开始使用钢结构完成建筑构件的拼接。建筑钢结构指的是由钢材料组成的建筑结构[1-2]，包括建筑搭设钢板，建筑支撑钢梁，建筑组合桁架等，建筑钢结构的性能良好[3]，可靠性较高，为了增加其使用年限，在安装建筑钢结构时往往对其进行防锈处理，包括镀锌、水洗烘干等工艺。受钢结构的特殊性能影响，其各个节点主要使用螺栓、焊缝等进行连接，这些特殊的连接方式易受连接年限、钢结构环境等影响，导致钢结构的节点可靠性降低，影响建筑结构的稳定性。因此，需要对建筑钢结构节点的可靠性进行有效分析。

当前针对钢结构节点可靠性的研究已经取得了一定的进展，例如文献[4]提出了基于节点耦合技术的可靠性评估方法。根据节点耦合技术模拟接触行为建立其有限元模型并进行强度分析。根据应力－强度干涉理论建立极限状态函数，采用拉丁超立方抽样方法对节点进行可靠性评估。如文献[5]提出了基于极限承载力的可靠性评估方法。通过调节耳板组件的前后位移调整建筑空间结构表面的平整度，复杂建筑空间结构节点连接抗力与极限承载力对于节点可靠性进行了评估，得到相关的评估结果。文献[6]提出了基于BIN 技术的可靠性评估方法。

运用BIM 技术建立合理的建筑钢结构的功能函数用于描述极限状态，以极限状态方程为约束条件构建大型钢结构建筑节点可靠性分析约束优化模型，使用模拟退火算法对该模型进行求解，得到相关的可靠性评估结果。

大跨度建筑指的是跨度超过30m 的建筑，为了满足建筑的跨度要求大部分大跨度建筑都使用了建筑钢结构代替原本的混凝土结构。随着时间的增长，很多建筑逐渐老化，损坏严重，不仅导致其建筑结构无法正常使用，还存在严重的安全隐患。事实上，在建筑钢结构设计过程中，往往会统一计算钢结构荷载，设置荷载条件，随着时间的推移，现有的建筑整体与当初设置的荷载条件难以匹配，从而导致了建筑可靠性低下。为了解决建筑钢结构衰减问题，有效地制定建筑钢结构修复方案，本文根据动态检测原则，对大跨度建筑钢结构节点的可靠性进行了有效评估。

1 概况及准备

本文选取X 大跨度建筑工程，对其内部的钢结构节点进行可靠性评估。X 大跨度建筑工程位于某市区的中心，总建筑面积为215 000m2，建筑高度为215.5m。X 大跨度建筑属于高层绿色节能建筑，主楼层共46 层，地下共3 层，主要由钢结构和混凝土组成，耐火等级较高。X 大跨度建筑的钢结构用钢总量为25 000t，搭设的钢结构为对称型均匀钢结构。X 建筑钢结构主要由钢骨柱组成，共包含23 根钢骨柱，规格为H1 000mm×450mm×40mm×30mm：在特殊的组装区域，其使用十字型节点完成连接，规格为：500mm×250mm×40mm×30mm。建筑外侧钢结构由圆柱形箱柱钢结构组成，由建筑顶端逐步延伸，形成双向倾斜结构。

在进行建筑钢结构节点可靠性评估前，需要建立符合评估需求的可靠性钢结构评估模型，其流程如下：（1）进行钢结构深化，将建筑内部的钢结构进行分段处理，记录建筑钢结构连接节点，形成单独的钢结构构件，设计评估模型设计图；（2）根据评估设计图初步建立评估模型，布设钢结构轴网，依次设计模型的规格参数，便于识别各个评估节点；（3）检查评估模型，针对上一步骤构建的模型进行二次检查，规划模型的基本关系；（4）考虑评估要求精确建立整体模型。

由整体模型可知，对建筑内的全部钢结构节点进行可靠性评估的难度较高，因此，本研究主要选取屋顶部分的钢结构节点进行评估。

2 大跨度建筑钢结构节点可靠性评估过程

结合上述的大跨度建筑钢结构节点的可靠性评估概况及准备，可以规划可靠性评估过程：首先使用自然因素分析法评估了大跨度建筑钢结构节点的腐蚀可靠性；其次使用不确定因素分析法，分析了大跨度建筑钢结构节点的时变可靠性；最后使用力学性能指标选取法评估了大跨度建筑钢结构节点综合可靠性指标。

第一阶段：研究大跨度建筑钢结构节点的腐蚀可靠性，建筑钢结构节点的腐蚀可靠性主要与钢结构节点的局部腐蚀相关，常见的腐蚀形式包括点蚀、电偶腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀、腐蚀疲劳，以及缝隙腐蚀，本文使用自然因素分析法，首先根据研究区域的日照时间、气温等自然环境因素整理了研究区域建筑钢结构在春夏秋冬不同时间段的环境因素参数。

分析相关调查结果可知，研究区域的年平均气温较高，日照时间较长，且整体湿度较高。此时可以得到建筑钢结构节点的阴极、阳极反应式，如式（1）（2）所示。

式中，M代表钢结构反应金属，Mn+代表n 价金属离子，xH2O代表金属离子化合物，ne代表反应电离子，此时的建筑钢结构节点的腐蚀速率D如式（3）所示。

式中，A代表常数，tn代表腐蚀暴露时长，此时，可以按照研究区域的气候条件特征对其进行腐蚀分类，使用CMA 腐蚀深度测试仪测试钢结构节点的腐蚀深度，得出后续的建筑钢结构节点腐蚀可靠性评估结果。

第二阶段：研究大跨度建筑钢结构节点的时变可靠性，大跨度建筑钢结构的节点连接形式多种多样，研究建筑的钢结构主要呈格构式和实腹式，因此其时变抗力与钢结构的荷载及自然环境有重要影响。建筑钢结构节点随着时间的增长强度会逐渐下降，内部的组成结构也会不断发生反应，因此，在研究过程中，首先需要计算钢结构节点的时变性能指标KM，如式（4）所示。

式中，k代表随机变量，K0代表钢结构节点性能差异系数，Kf代表几何性能常数，此时建筑钢结构节点的性能差异与钢结构节点的材料性能值相关，可以根据建筑钢结构节点的荷载组成关系计算性能变异系数ς，如式（5）所示。

式中，σ代表钢结构受力平均值，结合上述的变异系数可以计算理想状态下的时变可靠性差异，使后续的钢结构节点时变可靠性分析结果更满足实际分析标准。即使用不确定因素分析法分析钢结构节点的损伤状态，生成时变抗力模型 ()R t，如式（6）所示。

式中，KP代表计算不确定性变量，R P(t)代表钢结构节点计算抗力。在常规环境下，钢结构节点存在一定的抗弯承载力，需要结合承载力的基础规律进行荷载弹性假设：

其一，假设钢结构出现时变变形后，原有的横截面层处于平面，与基础轴线存在相交关系；其二，H 型钢结构与B 型钢结构的时变状态相同；其三仅考虑钢结构节点厚度方向的时变，不考虑残余应力变化，此时可以计算钢结构节点的弯曲正应力σmax，如式（7）所示。

式中，My代表弯曲正应力，IZ代表弯曲半径。在钢结构节点承载变化过程中，其屈服点也在发生改变，本文根据钢结构节点的弯曲关系计算了弯曲切应力，记录其在不同抗压力下的时变衰减率变化，已知时变衰减率越高，钢结构节点的可靠性越低。

第三阶段，大跨度建筑钢结构节点的综合可靠性指标，首先可以根据上述得到的建筑钢结构节点的可靠性关系选取指定的钢结构截面，对不同尺寸的钢结构节点进行编号，设置综合计算参数，如表1 所示。

表1 钢结构节点尺寸编号

由表1 可知，待编号完毕后，即选取建筑钢结构综合可靠性变量，设计综合可靠性指标计算式Z，如式（8）所示。

式中，RS代表可靠荷载参数，SX代表钢结构节点抗力，可靠性综合指标越高证明大跨度建筑钢结构节点的可靠性越高，反之证明大跨度建筑钢结构节点的可靠性较低。

3 评估结果

结合上述的大跨度建筑钢结构节点可靠性评估过程可以得到最终的评估结果，首先是腐蚀可靠性评估结果，如表2 所示。

表2 大跨度建筑钢结构节点腐蚀可靠性评估结果

由表2 可知，在气温不发生改变的情况下，随着建筑钢结构节点所处环境相对湿度的增加，各个节点的腐蚀速率和腐蚀深度逐渐增加，钢结构节点的腐蚀可靠性逐渐降低，证明钢结构节点的腐蚀可靠性与钢结构节点所处环境湿度呈反向相关。

保持大跨度建筑钢结构节点所处的环境一致，此时向其附加变化的抗压力，不同编号钢结构节点的时变可靠性结果如表3 所示。

表3 大跨度建筑钢结构节点时变可靠性评估结果

由表3 可知，在大跨度建筑钢结构节点所处的环境一致的情况下，随着钢结构节点的抗压力增加，其时变衰减率越来越低，大跨度建筑钢结构节点的时变可靠性也越来越低，证明大跨度建筑钢结构节点的时变可靠性与其承载抗压力呈反向相关。

将基础变量调整一致，使用上述选取的钢结构节点，此时可以使用公式（1）计算其综合可靠性指标，综合可靠性结果如表4 所示。

表4 大跨度建筑钢结构节点综合可靠性评估结果

由表4 可知，在基础变量一致的情况下，钢结构节点的截面尺寸越大其综合可靠性指标越高，证明钢结构截面尺寸与钢结构节点的综合可靠性呈正相关。

4 结论

本文选取X 大跨度建筑工程，对其内部的钢结构节点进行可靠性评估。主要从大跨度建筑钢结构节点的腐蚀可靠性、时变抗力可靠性、综合可靠性等三个方面出发得到大跨度建筑钢结构节点可靠性评估结果。实验从腐蚀、时变抗力、综合可靠性等三个方面验证了该方法的有效性。评估结果表明，该方法的钢结构节点的腐蚀可靠性与钢结构节点所处环境湿度呈反向相关，时变可靠性与其承载抗压力呈反向相关，综合可靠性与钢结构截面尺寸呈正相关。通过该方法的研究能够精准地评估节点的承载能力，及时发现结构缺陷，预防事故的发生。