近海環境下耐久性損傷剛構橋墩時變抗震性能分析

梁巖，任超，牛歡，李杰

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近海環境下耐久性損傷剛構橋墩時變抗震性能分析

梁巖，任超，牛歡，李杰

(鄭州大學 土木工程學院，河南 鄭州 450001)

基于OpenSees平臺，以全壽命周期內某近海剛構橋橋墩為例，考慮剛構橋墩墩頂約束條件，進行非線性時程分析，通過截面彎矩—曲率曲線分析氯離子侵蝕對橋墩抗震性能的影響。隨著服役期延長橋墩耐久性損傷程度增大，材料力學性能不斷退化，當服役期達到67 a時，保護層開裂；橋墩中僅箍筋發生銹蝕時，氯離子侵蝕對橋墩承載力和延性影響較小；當縱筋發生銹蝕后，墩頂最大位移隨服役期的延長而增大，抗震性能明顯降低。本文研究成果可為橋梁全壽命周期內抗震性能設計提供技術參考。

氯離子侵蝕；橋墩；抗震性能；滯回曲線

近年來，隨著我國對基礎設施建設力度的不斷加大，近海橋梁工程建設日益繁榮。橋墩作為橋梁的主要抗側力構件，其抗震能力直接關系橋梁結構的破壞程度以及震后救援工作能否順利開展[1]。近海橋墩隨著其服役期的增長，自身耐久性損傷問題也不斷增多，氯離子對鋼筋的銹蝕是導致鋼筋混凝土結構性能退化的主要因素[2?5]。目前，針對氯離子侵蝕對RC橋梁結構抗震性能退化的問題，國內外學者進行了大量研究[6?9]。Carnot等[10]指出鋼筋銹蝕會降低結構的強度和安全性。Simon等[11]研究了氯離子作用下鋼筋銹蝕和混凝土保護層開裂對鋼筋混凝土橋梁地震響應和易損性的影響。Choe等[12]建立氯離子侵蝕作用下鋼筋混凝土柱的概率性承載能力退化模型，指出鋼筋遭受侵蝕后混凝土柱的抗震性能降低。成虎等[1]指出受氯離子腐蝕作用的影響，較小的腐蝕率能導致橋墩的破壞概率明顯提高。李超等[13?15]指出氯離子侵蝕會導致橋墩的抗震性能不斷降低，結構整體易損性曲線超越概率不斷增大。以往研究通常針對的是帶支座的橋墩，未考慮墩頂約束作用，算例通常為中小橋，不能反映大橋及特大橋橋墩時變抗震性能。傳統的橋梁結構設計理念假定橋梁的抗震性能在服役期內是一成不變的，這與實際情況顯然不符，鋼筋銹蝕導致結構性能退化是進行橋梁全壽命設計的首要問題。本文以實際橋梁為依托，建立鋼筋直徑和屈服強度的時變模型，分析混凝土保護層開裂時間。在此基礎上利用OpenSees軟件對橋墩截面彎矩—曲率()滯回曲線進行分析，研究不同服役時間點RC橋墩承載力和延性變化情況。同時選取3條地震波沿順橋向輸入，進行動力時程分析，通過RC橋墩的地震響應結果，研究近海環境下材料退化對RC橋墩整個服役期內抗震性能的影響。相關結論可為橋梁全壽命周期內抗震性能設計提供技術參考。

1 近海環境下鋼筋銹蝕過程

針對海洋環境中不同區域氯離子的腐蝕特點，國內外學者將海洋腐蝕環境大致劃分為4個區 域[16]：大氣區、浪濺區、潮差區和水下區。本文針對大氣區，其氯離子腐蝕特點是：結構表面因受鹽霧的影響而累積較高濃度的氯離子，同時干濕交替也加速了氯離子的腐蝕效應。近海環境下RC結構抗震性能的退化過程大致分為3個階段，如圖1 所示。

擴散階段氯離子已經滲入混凝土結構，但由于濃度較低，鋼筋未發生銹蝕。隨著結構服役時間的增長，混凝土中氯離子含量不斷增大，當鋼筋表面的自由氯離子濃度達到臨界值時，鋼筋開始銹蝕，結構開始進入傳播階段。在已知氯離子擴散系數、混凝土表面氯離子濃度以及臨界氯離子濃度的條件下，根據Fick第二定律推導可得鋼筋銹蝕的初始時間init，如式(1)所示：

式中：是混凝土保護層厚度；Cl氯離子擴散系數，erf1(*)是高斯誤差反函數；s表示橋墩表面氯離子濃度；cr表示臨界氯離子濃度。對于cr的取值，我國《混凝土結構耐久性評定標準》做出了規定，見表1所示。

圖1 近海結構抗震性能退化過程

Fig. 1 Seismic capability degenerate process of offshore structure

表1 鋼筋銹蝕臨界氯離子濃度

當混凝土強度高于C40時，混凝土的強度每增加10 MPa，臨界氯離子濃度按增加0.1 kg/m3。

隨著鋼筋銹蝕程度的不斷增加，鋼筋的屈服強度和直徑都隨之減小，其中屈服強度的時變模型可由式(2)描述[17]：

直徑的時變函數如式(3)所示：

以上式中：yo是鋼筋初始屈服強度；y是鋼筋銹蝕以后的屈服強度；y對光圓鋼筋取0.49；對螺紋鋼筋取0.12，s0是鋼筋初始直徑；s是鋼筋銹蝕后的直徑。其中：corr是鋼筋銹蝕損失的質量與鋼筋初始質量的百分比，其值按式(4)計算。

式中：coor是氯離子腐蝕深度，根據李超等[13]提出的基于時變銹蝕電流密度的coor表達式[13]，如式(5)所示：

式中：/是水灰比；是混凝土保護層厚度；是鋼筋開始腐蝕后的腐蝕時間。

隨著鋼筋銹蝕程度的不斷加深，RC構件的混凝土保護層開裂，進入退化階段，銹蝕產物銹脹作用使外圍混凝土產生拉應力，當拉應力超過混凝土的抗拉強度時，RC構件的混凝土保護層產生裂縫，在這一階段中，大量的氯離子、氧氣和水通過保護層裂縫抵達鋼筋表面，導致鋼筋銹蝕率不斷提高，裂縫持續擴展，當裂縫寬度大于1 mm時，構件的混凝土保護層會出現分層和剝落現象，混凝土構件耐久性達到極限狀態。

2 橋墩有限元模型建立

本文算例選取我國某近海連續剛構橋橋墩，如圖2所示。其中墩高36 m，墩頂兩側梁長均為60 m，該墩距海岸線60 m，材料所用混凝土為C50，縱筋和箍筋分別為直徑32 mm和16 mm的HRB335級鋼筋，縱向配筋率1.12%，體積配箍率為0.54%，混凝土保護層厚度為90 mm，場地條件為Ⅱ類場地，抗震設防烈度為7度。采用OpenSees建立RC橋墩的有限元模型，首先將其劃分為節點和單元，其次定義節點約束、質量、材料、單元類型、截面、幾何坐標轉換、荷載類型及加載模式等。按照集中質量法建立結構的質量矩陣，將橋梁上部結構重量換算為墩頂節點質量，其余節點質量為各自墩身單元質量。由于該橋采用剛性擴大基礎，因而假定墩底與基礎之間固結。

考慮到墩頂與主梁固結，主梁對墩頂的邊界約束計算簡圖，如圖3(a)，通過強制位移分析可得到在順橋向平面內主梁對墩頂的平動約束力(如圖3(b))和轉角約束力(如圖3(c))。以此在OpenSees建模中利用零長度單元(Zerolength)來模擬主梁對墩頂約束作用。

單位：m

(a) 墩頂邊界約束計算簡圖；(b) 墩頂平動約束力計算簡圖；(c) 墩頂轉角約束力計算簡圖

由于橋墩在動力時程分析中需要考慮其彈塑性變形階段，因此本文采用OpenSees中基于柔度法的彈塑性纖維梁柱單元來建立橋墩單元，同時，為了反映保護層混凝土、核心區混凝土以及鋼筋材料的不同受力性能，將單元截面劃分為無約束混凝土纖維、約束混凝土纖維和鋼筋纖維，如圖4所示。計算精度隨纖維數目的增多而提高，但同時計算效率也會降低。計算表明，對于常見的截面形式，纖維數量達到40以上，即可得到滿足計算要求的精度。

圖4 截面纖維劃分

3 RC材料劣化時變規律

由于我國缺乏近海大氣混凝土表面氯離子濃度的實測資料，本文參考美國耐久性規范Life- 365[18]的規定，橋墩的表面氯離子濃度s取14.4 kg/m3。參考Val等[19]的研究成果，氯離子擴散系數cl取63.1 mm2/a，根據上一節的分析，氯離子臨界濃度cr取1.5 kg/m3。通過式(4)計算可得，縱筋的初始銹蝕時間約為33.7 a，而箍筋約為24.3 a。

由式(2)和式(3)分別得到鋼筋屈服強度和直徑的時變模型，如圖5和圖6所示。

圖5 鋼筋直徑時變曲線

為體現受氯離子腐蝕橋墩的抗震性能變化，選取該橋梁成橋時，服役時間30，60，90和120 a這5個時間點，將各個時間點處箍筋和縱筋的直徑以及屈服強度分別列于表2和表3中。

圖6 鋼筋屈服強度時變曲線

表2 不同服役期箍筋的直徑和屈服強度

表3 不同服役期縱筋的直徑和屈服強度

其中，箍筋的時變效應主要體現為對核心區混凝土約束作用的減弱，核心區混凝土的本構關系則采用Mander模型，計算公式如下：

表4 約束混凝土的時變參數

考慮到RC橋墩保護層開裂問題，利用Vidal等[20]的研究成果，計算得到保護層裂縫寬度達到1 mm所需時間為66.5 a，可認為在此之后保護層失效，即不再考慮混凝土保護層對結構的作用。

圖7 不同服役期墩底截面Μ?f曲線

4 抗震性能分析

通過對不同服役時間點算例橋墩進行非線性分析，繪制截面彎矩—曲率滯回曲線以及相應的等效雙折線彎矩—曲率曲線，進而評估近海環境對橋墩抗震能力的影響。圖7和圖8為墩底和墩頂截面各服役時間點處的彎矩—曲率曲線對比情況。服役第30 a時，塑性鉸區截面的曲線與成橋時基本一致，這是由于橋墩在服役第30 a時，僅箍筋發生銹蝕，縱筋還未發生銹蝕，此時氯離子腐蝕作用對橋墩的抗震能力影響不大。服役第60 a時，墩頂、墩底截面的等效屈服彎矩分別降低7.6%和13.1%，屈服曲率分別降低8.7%和1.5%，極限曲率分別增加8.2%和2.6%，墩頂、墩底截面的曲率延性比也比成橋時分別增加17.7%和4.1%。服役第90 a時，墩頂、墩底截面的等效屈服彎矩分別降低19.6%和19.4%，曲率延性比分別增加了32.5%和8.9%。服役第120 a時，墩頂、墩底截面的等效屈服彎矩分別降低21.9%和24.2%，曲率延性比分別增加了41.0%和11.8%，這是由于橋墩在服役后期，縱筋發生銹蝕，屈服強度減小，導致截面的屈服曲率隨之降低，而極限曲率對應的是橋墩截面核心區混凝土的應變值達到極限壓應變，縱筋屈服強度和直徑減小，一定程度上導致橋墩截面的極限曲率增大。

圖8 不同服役期墩頂截面Μ?f曲線

5 RC橋墩地震響應分析

5.1 地震波的選取

根據我國《公路橋梁抗震設計細則》(JTGT B02?01?2008)以及美國抗震設計規范的相關規定，從美國太平洋地震工程研究中心的強震數據庫中選取3組強震地震波，采用其響應的最大值為代表值，1號，2號和3號地震波信息和加速度變化情況如表5和圖9所示。

表5 地震波信息

5.2 橋墩地震需求影響分析

以成橋時、服役期第60 a和第120 a的橋墩為例，輸入不同地震波，橋墩墩頂位移時程曲線、墩底截面的彎矩—曲率滯回響應曲線，如圖10、表6、圖11所示。

(a) 1號波；(b) 2號波；(c) 3號波

表6 墩頂最大位移

由圖10及表6可知：隨著橋墩服役時間的延長，最大墩頂位移逐漸增加，考慮材料退化后的峰值點出現時刻略有滯后，但相差不大。3條地震波作用下，1號波和2號波墩頂峰值位移出現時刻相比于3號波滯后，主要是由于3號波峰值加速度相比于1號波和2號波出現時刻較早，且能量釋放較集中。

(a) 1號波；(b) 2號波；(c) 3號波

根據圖11可知，隨服役時間的延長橋墩最大彎矩明顯下降，而其最大曲率隨服役時間顯著 上升。

綜上所述，在氯離子腐蝕環境下，隨著服役期時間的延長，算例橋墩在這3條地震波的作用下，材料退化對其地震響應的影響基本保持一致，最大墩頂位移有明顯降低，最大墩底彎矩呈現較明顯的下降趨勢，但最大曲率顯著增加。

(a) 1號波；(b) 2號波；(c) 3號波

6 結論

1) 隨著服役時間的延長，近海橋墩耐久性損傷不斷加大，材料力學性能不斷降低，服役期達到24.3 a及33.7 a時箍筋和縱筋開始銹蝕，當服役期為約達到67 a時，保護層裂縫寬度達到1 mm，后續計算可不考慮混凝土保護層對橋墩的影響。

2) 近海橋墩僅箍筋發生銹蝕時，氯離子侵蝕對其承載力和曲率延性影響較小；隨著服役時間的增長，縱筋銹蝕后，橋墩抗震性能隨服役期延長而明顯降低。

3) 地震作用下，近海橋墩墩頂最大位移隨服役期的延長而增大，其位移需求隨服役期延長而增加。橋墩最大彎矩值隨服役期延長明顯降低，而其最大曲率顯著增大，地震作用下橋墩變形隨服役期的延長而增大，抗震設計時應注意落梁風險。

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Time varying seismic performance evaluation of durability damage rigid frame bridge in offshore environment

LIANG Yan, REN Chao, NIU Huan, LI Jie

(School of Civil Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China)

In this paper, we took an offshore rigid frame bridge pier as an example in the whole life cycle, considering the constraint conditions at the top of pier to do the nonlinear time history analysis based on the OpenSees, and analyzed the influence of chloride ion erosion on the seismic behavior of pier by the section moment curvature curve. The degree of damage of pier increases, and the mechanical properties of materials deteriorate with the extension of service period, and the protective layer cracks when the service period reaches 67 years; if only the stirrups in the pier are corroded, the chloride ion erosion has little effect on the capacity and ductility of the pier; when the longitudinal rebar are corroded, the maximum displacement at the top of the pier increases and the seismic performance decreases obviously with the extension of service period. The results in this paper can provide technical reference for the seismic design of bridges in the whole life cycle.

chloride ion erosion; pier; seismic performance; hysteretic curve

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.04.018

U441

A

1672 ? 7029(2019)04 ? 0968 ? 08

2018?06?08

國家自然科學基金資助項目(51608488)

梁巖(1986?)，男，河南洛陽人，副教授，博士，從事混凝土結構抗震、耐久性等方面研究；E?mail：LYFEEL555@163.com

(編輯 陽麗霞)