近場地震作用下銹蝕鋼筋混凝土橋墩的IDA分析

陳昉健　易偉建

摘要：利用銹蝕鋼筋混凝土柱的滯回試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證鋼筋混凝土構(gòu)件中銹蝕模型的正確性；利用鋼筋混凝土框架的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證用OPENSEES程序進(jìn)行鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)非線性動(dòng)力分析的可行性.在此基礎(chǔ)上，從PEER地震數(shù)據(jù)庫中選取了30條地震記錄，采用OPENSEES建立彈塑性有限元?jiǎng)恿Ψ治瞿Ｐ?，?duì)鋼筋銹蝕的鋼筋混凝土橋墩在遠(yuǎn)場地震、近場非脈沖地震和近場脈沖地震作用下的性能進(jìn)行非線性時(shí)程分析，研究橋墩柱在三類地震作用下的反應(yīng)，以及鋼筋銹蝕對(duì)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響.針對(duì)近場脈沖地震對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行增量動(dòng)力分析（Incremental dynamic analysis， IDA），得到結(jié)構(gòu)的IDA曲線和近場地震作用下鋼筋銹蝕對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響.分析結(jié)果表明，在考慮鋼筋銹蝕因素時(shí)，近場脈沖地震對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能影響最為顯著，在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)引起注意.

關(guān)鍵詞：鋼筋銹蝕；鋼筋混凝土橋墩；OPENSEES；近場地震；增量動(dòng)力分析

中圖分類號(hào)： P315.9；TU375.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

混凝土中的鋼筋銹蝕是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)使用周期中存在的一個(gè)普遍問題，是影響結(jié)構(gòu)耐久性和安全性的重要因素.特別是對(duì)于處在海洋環(huán)境下和寒冷地區(qū)的混凝土橋梁結(jié)構(gòu)，由于海水和除冰鹽中氯離子的存在，混凝土開裂現(xiàn)象普遍存在，橋墩表面出現(xiàn)縱向銹蝕裂縫、受力鋼筋斷裂、鋼筋骨架局部嚴(yán)重?fù)p壞等問題都嚴(yán)重影響橋梁結(jié)構(gòu)的使用壽命和整體安全.鋼筋銹蝕主要表現(xiàn)為縱向受力鋼筋銹蝕，局部箍筋銹蝕甚至斷裂以及鋼筋骨架的局部銹蝕損壞.這些將會(huì)使混凝土產(chǎn)生沿縱筋發(fā)展的銹脹裂縫、降低甚至使箍筋失去約束作用、導(dǎo)致混凝土保護(hù)層剝落、構(gòu)件承載力降低，直至危及整個(gè)結(jié)構(gòu)的受力安全.例如，加拿大蒙特利爾市迪克森大街的立交橋，1959年建成，由于凍融循環(huán)影響和除冰鹽的使用，造成橋底板鋼筋嚴(yán)重銹蝕，1994年即由于橋底板混凝土嚴(yán)重分層停止使用，于1999年拆除＼[1＼].我國1980年建成的北京西直門立交橋，由于長期使用除冰鹽，僅使用20年就使得部分梁柱銹蝕嚴(yán)重甚至危及橋梁結(jié)構(gòu)安全，已于1999年拆除重建＼[2＼].

處在地震區(qū)的橋梁結(jié)構(gòu)，同時(shí)受到鋼筋銹蝕和地震災(zāi)害的威脅，因此有必要研究銹蝕鋼筋混凝土構(gòu)件的抗震性能，以評(píng)價(jià)其結(jié)構(gòu)的抗震安全性，避免其在地震時(shí)發(fā)生倒塌破壞.汪夢甫＼[3＼]在研究中提到，斷層距R≤15 km的地震屬于近場地震；震級(jí)M≥5.6級(jí)，原始記錄PGA≥0.2 g，PGV≥20 cm/s的地震，動(dòng)力脈沖效應(yīng)顯著，對(duì)結(jié)構(gòu)震害形成影響較大.因此，很有必要考慮結(jié)構(gòu)在不同類型地震作用下的響應(yīng).

目前，國內(nèi)外雖然也進(jìn)行過不少關(guān)于銹蝕柱抗震性能的試驗(yàn)研究＼[ 4- 6＼]，但主要集中在矩形截面的鋼筋混凝土柱，對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)中大量使用的圓截面柱很少涉及.貢金鑫等＼[7＼]是為數(shù)不多的進(jìn)行了鋼筋銹蝕圓柱抗震性能試驗(yàn)的學(xué)者，構(gòu)件也僅限于較小的尺寸（圓柱直徑260 mm），與實(shí)際工程中橋墩柱的尺寸規(guī)模有較大差距.由于對(duì)試驗(yàn)設(shè)備的要求較高，大尺寸橋墩柱的往復(fù)荷載試驗(yàn)往往很難進(jìn)行，更不用說振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，因此，采用非線性分析軟件對(duì)這類構(gòu)件進(jìn)行模擬計(jì)算成為了一種有效的研究手段.

本文以鋼筋混凝土橋墩柱為對(duì)象，通過非線性動(dòng)力時(shí)程分析和增量動(dòng)力分析，得到了橋墩柱在鋼筋銹蝕前后的地震響應(yīng)，為發(fā)生鋼筋銹蝕的橋墩抗震性能評(píng)估提供理論依據(jù).

1銹蝕鋼筋混凝土構(gòu)件的模擬

對(duì)于鋼筋銹蝕在鋼筋混凝土構(gòu)件和結(jié)構(gòu)中的普遍性及危害性，國內(nèi)外的很多學(xué)者已經(jīng)做了大量研究，形成了一些共識(shí).Tuutti＼[8＼]發(fā)現(xiàn)，鋼筋表面聚集高濃度氯離子的位置將發(fā)生局部銹蝕，即“坑蝕”，而混凝土的碳化是大多數(shù)均勻銹蝕產(chǎn)生的原因，這是鋼筋銹蝕最主要的兩種形式.

1.1混凝土中鋼筋銹蝕的影響

鋼筋混凝土構(gòu)件中鋼筋的銹蝕情況，通常采用鋼筋平均質(zhì)量損失率或平均截面損失率作為評(píng)估指標(biāo).由于坑蝕所產(chǎn)生銹坑的分布無規(guī)律，測量比較困難，故通常利用鋼筋的質(zhì)量損失作為銹蝕程度的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn).由此得到的鋼筋平均質(zhì)量損失率相當(dāng)于將銹蝕按照均勻銹蝕考慮，在這個(gè)前提下，鋼筋的平均質(zhì)量損失可以等效于其平均截面損失.

在布雷西亞大學(xué)（University of Brescia）結(jié)構(gòu)工程試驗(yàn)室完成的銹蝕鋼筋受拉試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，Cairns等＼[9＼]進(jìn)行了性能參數(shù)研究，定性地得到了鋼筋主要力學(xué)性能參數(shù)隨銹蝕率變化的基本規(guī)律，如圖1所示.

圖1顯示，隨著平均截面損失（即銹蝕因素的影響）的增大，銹蝕鋼筋的極限拉應(yīng)力減小.銹蝕鋼筋的名義屈服強(qiáng)度隨銹蝕程度的增加而降低，但其下降幅度小于極限強(qiáng)度.而鋼筋的抗拉強(qiáng)度受其最小截面控制，因此強(qiáng)度的下降比其平均截面的下降更為迅速.同時(shí)，銹蝕鋼筋延性的下降又比強(qiáng)度的降低更顯著.

式中：fy， fu分別表示屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度，基于原始截面；fy0，fu0分別表示未銹蝕鋼筋的屈服強(qiáng)度和極限受拉強(qiáng)度；αy，αu為經(jīng)驗(yàn)系數(shù).文獻(xiàn)＼[9＼]對(duì)10組不同學(xué)者所做試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)αy的平均值為0.01.通常情況下，αy或αu的值取0.01代表均勻銹蝕；超過0.01則反映非均勻銹蝕的影響.Du等＼[10＼]建議取αy=0.005.為了既不過分削弱鋼筋的銹蝕后性能，又能考慮到坑蝕相對(duì)于均勻銹蝕的嚴(yán)重性，本文取αy=0.015.

1.2鋼筋銹蝕模型驗(yàn)證

本文采用非線性有限元軟件OPENSEES＼[11＼]對(duì)文獻(xiàn)＼[7＼]中的銹蝕鋼筋混凝土圓柱往復(fù)荷載試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行模擬.使用非線性梁柱單元（nonlinear beamcolumn element）中基于位移的單元（Displacement Based BeamColumn Element） 建模，該單元基于位移方程且考慮沿單元長度方向的塑性分布.將柱截面劃分為一系列非彈性纖維單元，同時(shí)將單根柱構(gòu)件沿柱高劃分為多個(gè)計(jì)算單元，在柱底部塑性鉸形成區(qū)域單元節(jié)點(diǎn)間距減小，上部區(qū)域節(jié)點(diǎn)間距較大.