考慮結構性能退化的橋梁地震易損性研究

摘要：文章基于地震易損性理論，以某一連續剛構橋為工程背景研究了不同服役年限下橋梁結構構件抗震性能的退化規律，建立了氯離子擴散模型，并綜合混凝土和鋼筋的材料劣化機理和結構強度退化模型，提出了綜合考慮結構性能退化的易損性分析模型。結果表明：當服役年限低于25年時，氯離子侵蝕作用對結構抗震性能的影響較小；當服役年限大于25年時，氯離子侵蝕作用會顯著影響橋墩的抗震性能，服役年限越長，結構不同損傷狀態的超越概率越高，且當地面峰值加速度指標越高，結構性能退化對抗震性能的影響愈發明顯。

關鍵詞：橋梁工程；結構抗震；易損性分析；氯離子侵蝕；性能退化

中圖分類號：U445.7A331114

0 引言

隨著我國經濟的高速發展，公路橋梁等交通基礎設施的建設日趨完善。近年來，由于全球范圍內的地震災害頻發，對公路橋梁等交通基礎設施造成了一定的破壞，橋梁工程的抗震性能評價成為專家學者日益關注的重點。地震易損性分析是評價結構構件抗震性能的重要依據，通過建立結構的易損性分析模型，可以預測在指定地震動強度范圍內的，結構達到或超越某種損傷狀態的概率。橋梁地震易損性分析方法能夠建立起橋梁結構承載能力和失效概率之間的概率關系，對橋梁的加固設計策略具有重要意義。因此，準確地建立橋梁結構的易損性分析模型，是準確評價橋梁抗震性能的前提條件。梁巖等為研究多跨連續剛構橋的地震易損性，基于OpenSEES平臺建立了橋梁的非線性動力有限元模型，分析得到了不同損傷狀態下橋墩、支座和橋臺等構件的超越概率［1］；李佳璐等充分考慮了橋梁各構件地震響應參數的相關性，引入Nataf變換，提出了改進的橋梁系統多維地震易損性分析模型，并結合工程實例驗證了所提模型的合理性［2］；龍江等采用增量動力分析的方法得到了某連續梁橋的地震易損性曲線，并對支座的抗震性能展開了相關研究［3］；管嘉達等考慮了場地條件的特殊性和復雜性，針對流水沖刷、斷層、氯鹽等不同場地條件對橋梁結構地震易損性進行了總結，分析了不同場地條件對橋梁地震易損性的影響［4］；萬華平等基于系統地震易損性原理，深入研究了橋梁隔震支座的工作原理，根據支座抗震性能提出了優化設計方案［5］。此外，還有一些專家學者也從地震易損性的角度對橋梁抗震性能展開了相關研究［6-7］。

綜上，橋梁地震易損性分析在橋梁抗震研究中是十分必要的。但實際工程中，橋梁往往沒有處于理想的服役狀態，環境因素對橋梁的侵蝕會在一定程度上影響橋梁的結構性能，造成橋梁抗震能力下降的情況。本文基于地震易損性分析原理，在考慮氯離子侵蝕對結構性能退化的基礎上，對橋梁結構構件易損性展開分析研究，可為橋梁結構性能退化后的易損性變化規律提供一定的參考。

1 結構易損性分析原理

1.1 易損性分析理論

傳統的結構構件抗震性能分析方法一般是選取幾條典型的地震波進行確定性分析，該方法可以在一定程度上計算出結構構件的抗震性能，但其不足在于現實中的地震波往往呈現出高度非線性和隨機性，使抗震分析結果存在一定的局限性。地震易損性分析是基于概率需求分析的方式建立結構構件的抗震性能評估模型，其主要研究方向是評估結構構件在不同強度地震波下的結構損傷超越概率。結構構件的易損性概率如式（1）所示。

式中：Pf——結構構件在地震下超過規定極限狀態的概率；

SD——地震需求，即結構構件在地震動作用下的響應；

LSi——結構構件損傷狀態為LSi下的抗震能力；

IM——地震動強度指標。

1.2 地震易損性曲線的建立

基于地震易損性分析理論可以建立結構構件的時變地震易損性曲線。目前常用的易損性曲線建立方式包括反應譜法、增量動力分析法（IDA）、非線性時程分析法等。其中，非線性時程分析法建立的地震易損性曲線精度較高，在實際工程中應用較廣。首先根據震中距和震級等指標參數選取典型地震動數據；其次建立橋梁的非線性有限元數值計算模型，對篩選地震動下的橋梁地震響應展開非線性時程分析，得到橋梁在不同地震作用下的動力時程曲線，獲取橋梁的地震響應峰值，即地震需求SD；再選取合適的地震動強度指標IM，建立該結構在地震動作用下的概率需求模型，確定IM和S[TX-*8]D之間的關系，并計算其他相關參數；最后根據式（2）建立結構構件的地震易損性曲線。具體流程如圖1所示。

結構損傷狀態的準確描述是精確計算易損性曲線的前提，本文采取輕微損傷、中等損傷、嚴重損傷和完全損傷4個狀態構件損傷狀態，具體損傷指標參考文獻［8］建立。

2 考慮氯離子侵蝕的結構退化分析

2.1 氯離子擴散模型

橋梁在運營階段受到不利環境因素的影響，混凝土或鋼筋等材料會受到化學腐蝕。在實際工程中，鋼筋銹蝕是結構抗力衰減最顯著的原因，準確地判斷混凝土結構中的鋼筋銹蝕機理，是判斷結構服役狀態的前提條件。鋼筋與混凝土之間的粘接作用為橋梁結構提供了足夠的延性，但理想條件下的結構狀態往往不能反映橋梁結構的真實抗震性能，故對橋梁結構構件進行地震易損性分析時，需要考慮鋼筋銹蝕對結構退化的影響。

對于不存在宏觀裂縫的橋梁結構，氯離子的擴散侵蝕作用是影響結構構件性能，導致結構退化的主要因素之一［9］。根據文獻［10］的研究，氯離子在鋼筋混凝土結構中的侵蝕作用主要分為3個階段：擴散階段、銹蝕階段和退化階段。擴散階段的混凝土內部氯離子濃度逐步升高，直至穿透保護層接觸鋼筋發生化學反應，開始銹蝕作用，產生銹脹裂縫，導致保護層脫落，最終鋼筋完全裸露，材料性能顯著退化。

本文采用Duracrete模型描述氯離子侵蝕鋼筋致使材料性能退化的過程，Duracrete模型對氯離子擴散的表達模型如式（3）所示。

3 工程算例

3.1 工程概況

以國內某高速公路上一大跨度預應力混凝土連續剛構橋橋為工程背景，設計荷載等級為公路-Ⅰ級，橋梁跨徑組合為（70+130+70） m，主橋全長270 m，各分跨線與道路設計線成正交90°。主墩為矩形雙薄壁墩，過渡墩為柱式墩。主梁采用C55混凝土，墩身采用C50混凝土，蓋梁、承臺、系梁、樁基等采用C30混凝土。主梁縱筋采用直徑12 mm、16 mm和20 mm的HRB335級鋼筋，箍筋采用6 mm、10 mm的R235級鋼筋。橋型布置如圖2所示。

采用有限元軟件建立結構的非線性動力分析模型，采用彈性梁單元模擬主梁及墩柱構件，考慮到地震動的選取對橋梁地震易損性曲線的計算精度影響較大，本文充分考慮了地震破的隨機性，根據場地特性等信息從太平洋地震研究中心篩選出50條實測地震波，以地面峰值加速度（PGA）為地震動強度指標，地震動強度篩選范圍為0.1～1.0 g。

3.2 地震易損性分析

如圖3～7所示分別給出了橋梁在服役0年、25年、50年、75年和100年下的橋墩地震易損性曲線。從圖3～7可以看出，橋梁在完全健康服役狀態下，當地面峰值加速度PGA＜0.1 g時，受到損傷的概率較小，橋梁整體服役狀態仍較為健康，服役25年后，橋墩輕微損傷的概率仍＜10%，而當服役年限＞25年后，橋墩受到輕微損傷的概率越來越高，且中等損傷概率也隨之增加，在服役100年后，橋墩中等損傷概率＞10%。

觀察橋墩嚴重損傷的易損性曲線變化規律可知，服役前25年，嚴重損傷的易損性曲線與輕微損傷、中等損傷存在明顯差距，當服役年限＞50年后，PGA越大，嚴重損傷的超越概率與輕微損傷、中等損傷的超越概率越接近。

觀察橋墩完全破壞的易損性曲線變化規律可知，當橋梁服役年限＜50年時，橋梁受到完全破壞的可能性較低，而當橋梁服役年限＞50年后，完全破壞的概率增長速率較快，且開始出現完全破壞概率的橫坐標顯著前移，由0.8 g提早至0.4 g，說明結構性能退化嚴重，當PGA＞0.4 g時，結構存在完全破壞的風險。對比不同服役時期完全破壞的易損性曲線可知，氯離子的侵蝕作用對結構性能的影響十分明顯，當結構處于健康服役狀態時，PGA=1.0 g下結構完全破壞的最大概率為3.6%，當結構服役100年后，該概率上升至58.5%，證明了氯離子對結構構件抗震性能的影響不可忽視。

4 結語

本文以某大跨度連續剛構橋為工程背景，分析考慮了氯離子對橋梁結構的侵蝕作用，建立了考慮結構性能退化的橋梁結構構件地震易損性分析模型，并進行了計算分析，得到結論如下：

（1）氯離子對橋梁結構構件的侵蝕作用主要體現在對鋼筋的腐蝕，通過鋼筋腐蝕銹脹與混凝土間產生裂縫，導致結構強度退化。

（2）建立了考慮結構性能退化的易損性分析模型，引入處于服役狀態橋梁的結構性能表征參數。

（3）分析了不同服役年限下PGA取0.1～1.0 g時的橋墩構件地震易損性曲線，當橋梁服役年限＜25年時氯離子侵蝕作用對結構抗震性能的影響較小，當橋梁服役年限＞25年時結構性能退化對橋梁抗震能力的影響較大，不同損傷的超越概率均大幅增長。

參考文獻

［1］梁 巖，張卓航，班亞云，等.多跨連續梁-剛構橋地震易損性分析［J］.鄭州大學學報（工學版），2023，44（1）：96-102.

［2］李佳璐，任樂平，胡 偉.Nataf變換的橋梁系統多維地震易損性分析方法［J］.交通運輸工程學報，202 22（1）：82-92.

［3］龍 江，寧曉駿，舒永濤，等.基于IDA方法的連續梁橋地震易損性分析［J］.貴州大學學報（自然科學版），2023，40（4）：108-117.

［4］管嘉達，陳興沖，張熙胤.特殊復雜場地條件下橋梁結構地震易損性研究現狀及發展趨勢分析［J］.世界地震工程，202 38（1）：127-138.

［5］萬華平，衛志成，蘇 雷，等.基于系統地震易損性的橋梁隔震支座優化設計［J］.地震工程與工程振動，202 41（5）：69-78.

［6］宋 帥，王 帥，吳 剛，等.中小跨徑梁橋地震易損性研究［J］.振動與沖擊，2020，39（9）：118-125.

［7］高菁陽.鋼筋混凝土橋梁地震易損性評估模型設計［J］.地震工程學報，2020，42（6）：1 402-1 408.

［8］黃香健，陳雙慶，王 華，等.沖刷作用下鋼管混凝土拱橋地震易損性分析［J］.公路工程，202 47（5）：40-46，112.

［9］Collepardi M，Marcialis A，Turriziani R.Penetration of chloride ions into cement pastes and concretes［J］.Journal of the American Ceramic Society，197 55（10）：534-535.

［10］胡思聰.考慮氯離子侵蝕的橋梁地震易損性及抗震加固策略研究［D］.長沙：湖南大學，2018.

［11］Coronelli D，Gambarova P.Structural assessment of corroded reinforced concrete beams［J］.Modeling guidelines.Journal of Structural Engineering，2004，130（8）：1 214-1 224.

［12］茍 強，李 鑫，張 悅，等.氯離子侵蝕下在役RC橋墩時效易損性研究［J］.甘肅科技縱橫，202 50（9）：32-37.

收稿日期：2023-10-13

作者簡介：謝昌祺（1986—），工程師，主要從事高速公路工程項目施工管理和物資設備管理工作。