钢结构试件的屈服强度、极限承载力以及伸长率等力学性能都会随着钢结构试件的锈蚀程度的变化而发生变化。在抗震性能测试中，选择不同的截面尺寸的钢结构框架柱试件^[7]。试件的参数如下表所示：

表1 试件相关参数Table 1 Relevant parameters of specimen

本文试验中所选择的试件的钢材规格均为HW230*230*4*8，钢材强度均为Q235B。为了保证钢结构框架柱试件在实验中能够稳定受力，在底部设置了一个更大强度的底梁，截面尺寸如图1所示：

钢材在大气中暴露腐蚀受到地域和环境的限制，一般的腐蚀时间太长。因此采用人工腐蚀来获取不同腐蚀程度的试件。

采用ZHT/W2300气候模拟实验系统来模拟酸性大气盐雾环境，系统内部设有可升降淋雨喷头和盐雾喷头，内部环境全程可控^[8-9]。为了模拟酸性的大气环境，配置的盐雾溶液为5%的氯化钠溶液，在配置过程中，选择低导电率的蒸馏水或去离子水作为溶剂，在完成溶液配比之后调节溶液酸碱度^[10-12]。取10L配比好的氯化钠溶液，并向其中添加12 mL的密度为1.42 g/cm³的HNO₃溶液，向其中加入酸、碱溶液进行pH调节，直到最后所得到的溶液pH在3.5左右。在人工腐蚀的过程中采用人工喷雾，每天选择7小时进行人工腐蚀，在此期间每隔20 min进行一次喷雾，喷雾的时间为15 min。在试验过程中定期进行取样检查。

图1 试件截面示意图Fig.1 Schematic diagram of cross-section of the specimen

对于制作好的时间来说，贴好应变片之后，在弹性范围内获取钢结构框架中试件的弹性模量以及屈服强度等参数。在获取到相关参数之后，利用荷载和横截面积来计算应力，获取到钢结构的极限承载力，并建立相关的模型^[13]。在极限承载力的测试中，试验加载装置如图2所示。

图2 极限承载力加载装置Fig.2 Loading device for ultimate bearing capacity

为了全方位的显示出这两种破坏形式，使用极限承载力模型来表征钢结构试件的损伤指数：

式（1）中，δ_u表示试件在受到压力之后的极限位移， δ_m表示最大位移，β表示极限承载力测试过程中腐蚀影响系数，Q_y表示屈服强度，E表示承载力增量。极限承载力模型在试验基础上建立，因此在能够描述承载极限机理的同时，结构形式更加简便^[14-15]。针对本文钢结构框架试件的极限承载力来说，所建立的模型如式（2）所示：式（2）中，x_m、x_u分别表示地震情况下的最大位移和极限位移，E_h表示地震作用下试件所受到的最大滞回能耗，E_u表示极限滞回能耗。β₁表示结构中的组合系数，根据具体结构对其值进行定义。

在以上的实验设备下，基于水平位移的加载模式，根据目前规范中性能水准等级，对试验结构构件进行承载力试验，试验加载制度如图3所示。

图3中，试件在发生屈服之前，每级循环一次的位移加载增加3 mm。当试件的承载力超过极限而发生屈服之后，每级循环三次的位移加载增加5～10 mm，不断循环直到结构层间位移角达到1/50时停止。

图3 试验加载制度Fig.3 Test loading system

实验中得到的不同腐蚀程度试件的整体滞回曲线如图5所示。

从图5可以看出，重度腐蚀试件和未腐蚀试件所得到的滞回曲线偏差较大，在相同的水平位移下，未腐蚀试件的水平荷载更高。未腐蚀试件的滞回曲线表现出了较高的耗能，说明抗震性能更强。与腐蚀试件相比，未腐蚀试件发生屈服之前，抗侧刚度保持稳定，说明试件的弹性较强。当施加的承载力变大时，各部分零件依次进入屈服状态。试验结束之后，承载力和循环次数都有一定程度增加，但是其水平方向上的承载能力保持不变，说明延展性较强。在相同的量级下，未腐蚀的钢结构框架整体的刚度和强度都保持在恒定状态。根据滞回曲线，可以得出结论，按照当前民居建筑钢结构框架的规范设计出的框架满足抗震的要求。轻度腐蚀试件和中度腐蚀试件发生腐蚀的钢结构框架整体的刚度和强度有所降低，但是相差不大，但是相比之下，稳定性减弱，但是仍然符合建筑标准。

图4 加载试验后的试件细节Fig.4 Details of specimen after loading test

图5 不同腐蚀程度试件的滞回曲线Fig.5 Hysteresis curve of specimens with different corrosion degree

根据上文中的滞回曲线，从中提取出骨架曲线。骨架曲线是承载力加载过程中滞回曲线相同方向上加载的第一循环峰值点，也可以称为开始卸载点，在不同的循环下，将得到的开始卸载点进行连接，得到的图像如图6所示。

图6中的骨架曲线表现出了较强的双折线特点，试验过程中水平位移在20 mm时，水平荷载达到峰值，所对应的位移角在1/50的位置上。此时的重度腐蚀试件的水平荷载最高峰值比未腐蚀试件下降了223.5 N，根据上图得到的试件承载力的特征指标如表2所示。

从表2中的数据可以看出，屈服点主要是利用弯矩在通用的计算方法下进行确定的。在实际的实验中，承载力加载完成之后，荷载值超过峰值的85%，在这样的条件下，未腐蚀的钢结构框架还保持在稳定状态，并能够继续承载，结构处于完整，因此将骨架曲线的末端作为钢结构的破坏临界点，得到破坏位移与屈服位移之比。所得到的系数是真实延性系数的下限。未腐蚀试件在发生屈服之后，极限承载力保持在恒定状态，屈服后的刚度值可取0，延性系数增加，延展性更好。轻度腐蚀和中度腐蚀试件的指标有所下降，但是都标准允许范围之内。

图6 试件以及有限元模型骨架曲线Fig.6 Skeleton curve of specimen and its finite element model

表2 试件承载力特征指标Table 2 Characteristic index of bearing capacity of specimen

试件的侧向刚性的研究方法中，一般是采用各级的在加载过程时的或实际加载位置时滞回曲线的割线刚度进行描述。二种钢结构框架的试件的强度退化结果，如图7所显示。

从图7中的曲线可以看出，在推力与拉力作用下，两种框架中试件的刚度退化曲线成轴对称图形，加载位移在比较小的情况下，侧向的刚度会缓慢下降。斜向支撑屈服后，侧向刚度迅速下降。随着加载位移的增大，刚度退化逐渐趋于平缓。但是明显可以看出，未腐蚀时间的侧向刚度明显更大，这也验证了未腐蚀钢结构框架的抗震性能更强。