氯離子侵蝕下在役RC橋墩時(shí)效易損性研究

茍強(qiáng)　賈九榮　張悅　齊海鵬　孫拴虎

為研究氯離子侵蝕下在役RC橋墩的地震易損性，本文以除冰鹽環(huán)境下的在役橋梁為研究對(duì)象，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、橋梁檢測(cè)以及理論分析對(duì)典型在役橋墩的材料性能劣化規(guī)律和橋墩在全壽命周期內(nèi)的時(shí)效易損性展開(kāi)研究，提出了除冰鹽環(huán)境下氯離子擴(kuò)散修正模型，建立了考慮材料性能劣化的在役橋墩地震易損性分析模型。結(jié)果表明：RC橋墩箍筋的初始銹蝕時(shí)間早于縱筋，箍筋的屈服強(qiáng)度比縱筋的屈服強(qiáng)度劣化的快;同一座橋梁，在不同的服役時(shí)間給它施加相同的地震力，橋墩在某種特定損傷狀態(tài)下隨服役時(shí)間的增加遭受到破壞的概率顯著增大。在整個(gè)全壽命周期內(nèi)橋墩在嚴(yán)重破壞時(shí)表現(xiàn)出較好的延性能力。

在役橋墩;氯離子;劣化模型;全壽命;地震易損性

TU422.

自改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)得到了快速發(fā)展，各項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)如雨后春筍般涌現(xiàn)出來(lái)。橋梁是交通的咽喉，在抗震救災(zāi)過(guò)程中具有舉足輕重的地位。然而，隨著我國(guó)公路橋梁事業(yè)的迅猛發(fā)展，再加之橋梁所處的環(huán)境比較惡劣，因此由于環(huán)境影響的橋梁病害越來(lái)越多。隨著服役時(shí)間的推移，混凝土、鋼筋等材料性能會(huì)發(fā)生退化，尤其是在環(huán)境氯離子的侵蝕下，鋼筋混凝土材料性能劣化會(huì)更加嚴(yán)重。橋墩是支撐橋梁上部結(jié)構(gòu)的重要構(gòu)件，其抗震性能將直接影響到整座橋梁的安全性。

近年來(lái)，國(guó)外對(duì)在役結(jié)構(gòu)的抗震性能研究較少，相比之下國(guó)內(nèi)對(duì)在役結(jié)構(gòu)的抗震性能研究較多，2015年，趙珺針對(duì)氯離子侵蝕的連續(xù)剛構(gòu)橋，應(yīng)用Fick第二定律得到了鋼筋混凝土材料隨服役年限的力學(xué)性能劣化規(guī)律，分析了不同氯鹽環(huán)境下橋梁的抗震性能。2012年，李立峰等對(duì)多個(gè)橋梁的支座、橋墩和橋臺(tái)等構(gòu)件的地震易損性進(jìn)行了分析，同時(shí)針對(duì)中小跨徑橋梁的易損性進(jìn)行了研究^]。現(xiàn)有的橋梁結(jié)構(gòu)易損性評(píng)估主要是靜態(tài)的，而對(duì)考慮材料性能劣化的橋梁結(jié)構(gòu)時(shí)效易損性研究不多，亟需進(jìn)行此方面的研究。

鑒于此，本文在歸納總結(jié)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及發(fā)展動(dòng)態(tài)的基礎(chǔ)上，對(duì)在役鋼筋混凝土橋墩的抗震性能進(jìn)行研究，建立除冰鹽環(huán)境下氯離子擴(kuò)散修正模型，探究鋼筋混凝土材料的劣化規(guī)律，分析典型在役橋梁結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，提出考慮材料性能劣化的地震易損性分析模型，繪制在役橋墩的時(shí)效地震易損性曲線。

?

本文以Duracrete模型為基礎(chǔ)，引入除冰鹽環(huán)境影響修正系數(shù)，結(jié)合除冰鹽環(huán)境的特點(diǎn)和大量的文獻(xiàn)調(diào)研對(duì)模型中的參數(shù)進(jìn)行合理定義，通過(guò)山西省祁臨高速公路在役橋梁的氯離子含量現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)求解的具體數(shù)值，以實(shí)體工程的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，使該模型對(duì)于除冰鹽環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)氯離子擴(kuò)散行為的研究具備一定的實(shí)用價(jià)值。

通過(guò)Duracrete模型反算出除冰鹽環(huán)境影響修正系數(shù)如公式（2）所示，公式中各參數(shù)的取值見(jiàn)表1。

課題組依托項(xiàng)目，結(jié)合真實(shí)的檢測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)山西省祁臨高速公路沿線的蘭村大橋等4座典型橋梁嚴(yán)格按照試驗(yàn)步驟鉆孔取混凝土粉樣，并在實(shí)驗(yàn)室對(duì)試樣進(jìn)行氯離子含量測(cè)定，得到不同深度處的氯離子含量，將所檢測(cè)到的數(shù)據(jù)以及上文所確定的相關(guān)模型參數(shù)代入公式（2）并取平均值，得到針對(duì)于除冰鹽環(huán)境下的環(huán)境影響修正系數(shù)`=0.845，標(biāo)準(zhǔn)差為0.06。

在同時(shí)考慮了混凝土表面氯離子濃度、氯離子擴(kuò)散系數(shù)、環(huán)境影響修正系數(shù)等因素后，最終得到了除冰鹽環(huán)境下的氯離子擴(kuò)散模型如式（3）所示，該模型以服役時(shí)間和氯離子侵蝕深度為輸入值，具有較高的實(shí)用性，下文的計(jì)算將以該模型為依據(jù)進(jìn)行。

混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋初始銹蝕時(shí)間被定義為氯離子擴(kuò)散至鋼筋表面，達(dá)到臨界濃度使鋼筋開(kāi)始銹蝕的時(shí)間。根據(jù)式（3），當(dāng)擴(kuò)散至鋼筋表面的氯離子濃度等于鋼筋的氯離子臨界濃度時(shí)，擴(kuò)散深度和保護(hù)層厚度相等時(shí)，可推導(dǎo)出除冰鹽環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋初始銹蝕的時(shí)間如式（4）所示：

采用OpenSees軟件建立本文所選取的算例橋梁洪善公鐵立交橋的有限元?jiǎng)恿δＰ停疚牟捎脧椥粤簡(jiǎn)卧‥lastic Beam Column）模擬主梁結(jié)構(gòu)，蓋梁采用彈性梁?jiǎn)卧M。橋墩截面主要由非約束混凝土纖維，約束混凝土纖維和鋼筋纖維構(gòu)成，具體在OpenSees中采用基于柔度法的非線性梁柱（nonlinear Beam Column）單元來(lái)完成建模。本文算例橋梁采用的墩柱為圓形橋墩，纖維劃分如圖8所

由圖11和表4可知，當(dāng)?shù)卣饎?dòng)峰值為0.2g時(shí)，橋梁在成橋階段發(fā)生輕微破壞的概率為26%，橋墩服役40年后發(fā)生輕微破壞的概率達(dá)到58%，當(dāng)達(dá)到設(shè)計(jì)年限100年時(shí)，橋梁發(fā)生輕微破壞概率超過(guò)85%，由此說(shuō)明，橋梁的服役時(shí)間越長(zhǎng)，在相同地震力作用下，橋墩在某種損傷狀態(tài)下發(fā)生破壞的概率越大。

在整個(gè)全壽命周期內(nèi)，相同地震作用下，在同一服役年限內(nèi)，各損傷狀態(tài)的易損性曲線之間存在著一定的間隔，從發(fā)生輕微破壞到嚴(yán)重破壞的概率值依次降低，說(shuō)明橋墩在整個(gè)服役年限內(nèi)均表現(xiàn)出較好的延性能力。另外橋墩在發(fā)生嚴(yán)重破壞和完全破壞之間的易損性曲線間隔較其他易損性曲線之間的間隔要大，說(shuō)明當(dāng)發(fā)生地震時(shí)，橋墩從嚴(yán)重破壞向完全破壞過(guò)渡時(shí)表現(xiàn)出更好的延性能力，即橋墩不會(huì)很快發(fā)生破壞，體現(xiàn)了建筑抗震中大震不倒的設(shè)防水準(zhǔn)。

（1）以山西省祁臨高速公路在役橋梁墩柱的氯離子含量檢測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，并考慮除冰鹽環(huán)境下各參數(shù)的取值，得到了除冰鹽環(huán)境下的環(huán)境影響修正系數(shù)=0.845，提出了除冰鹽環(huán)境下的氯離子擴(kuò)散修正模型。

（2）結(jié)合氯離子侵蝕下鋼筋混凝土材料性能退化模型，引入銹蝕鋼筋直徑、銹蝕鋼筋屈服強(qiáng)度、保護(hù)層混凝土的抗壓強(qiáng)度、約束混凝土峰值應(yīng)變和極限應(yīng)變等劣化因素，建立了考慮材料性能劣化的橋墩地震易損性分析模型：

（3）橋梁的服役時(shí)間越長(zhǎng)，在相同地震力作用下，橋墩在某種損傷狀態(tài)下發(fā)生破壞的概率越大。在整個(gè)全壽命周期內(nèi)發(fā)生地震時(shí)，橋墩從嚴(yán)重破壞向完全破壞過(guò)渡時(shí)表現(xiàn)出更好的延性能力，即橋墩不會(huì)很快發(fā)生破壞。

[1].李洪一.全壽命周期內(nèi)材料性能劣化的RC橋墩抗震性能分析和及地震易損性評(píng)估[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2015.

[2].趙珺，牛荻濤.在役鋼筋混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋梁抗震性能評(píng)估[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2014，27（9）：74-81.

[3].李立峰，吳文朋，黃佳梅等.地震作用下中等跨徑RC連續(xù)梁橋系統(tǒng)易損性研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2012，45（10）：152-160

[4].張菊輝，管仲國(guó).規(guī)則連續(xù)梁橋地震易損性研究[J].振動(dòng)與沖擊，2014，20：140-145.

[5].余紅發(fā)，孫偉，馬海燕等.鹽湖地區(qū)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命的預(yù)測(cè)模型及其應(yīng)用[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，32（4）：638-642.

[6].Siemes A， Gehlen C， Lindvall A， et al. Statistical quantification of the variables in the limit state functions. Summary： Brussels：Brite-Euram，1999：106-107.

[7].張平生，盧梅，李曉燕.銹蝕鋼筋的力學(xué)性能[J].工業(yè)建筑，1995，25（9）：41-44.

[8].Coronelli，D.and Gambarova，P.Structural assessment of corroded reinforced concrete beams：modeling guidelines[J].ASCE Journal of Structural Engineering， 2004， 130（8）， 1214-1224.

[9].趙珺.在役混凝土橋梁的地震易損性分析與抗震性能評(píng)估[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2015.

[10].梁巖，李杰，羅小勇，劉攀.銹蝕鋼筋混凝土構(gòu)件抗震動(dòng)力性能研究[J].振動(dòng)工程學(xué)報(bào)，2016，29（1）：140-147.

[11].柳春光，任文靜，夏春旭.考慮鋼筋腐蝕的近海隔震橋梁易損性分析[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2016，25（6）：120-129.

[12].范立礎(chǔ)，卓衛(wèi)東.橋梁延性抗震設(shè)計(jì)[M].北京：人民交通出版社，2001，197-198.

[13].Hwang H， Liu J B， Chiu Y H. Seismic fragility analysis of highway bridges. Mid-America Earthquake Center Technical Report， MAEC-RR-4 Project， 2001： 47-54.

[14].CJJ166-2011 城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

[15].國(guó)家地震局，中國(guó)地震烈度區(qū)劃圖.北京：中國(guó)地震出版社，1991.