基于橡膠隔震支座老化作用的近海隔震橋梁地震響應(yīng)時(shí)變規(guī)律

陳嘉佳, 馬玉宏*, 黃 金, 趙桂峰

(1.廣州大學(xué)工程抗震研究中心，廣州 510405；2.廣東省地震工程與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，工程抗震減震與結(jié)構(gòu)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510405；3.廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，廣州 510006)

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，跨海大橋的建設(shè)越來(lái)越受到國(guó)家的重視，跨海大橋逐漸成為連接不同經(jīng)濟(jì)區(qū)域的重要通道，對(duì)中國(guó)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重大意義。但是，中國(guó)大部分的沿海地區(qū)位于環(huán)太平洋地震帶，地震活動(dòng)較為頻繁，故隔震技術(shù)的應(yīng)用成為近海橋梁的發(fā)展趨勢(shì)；近海橋梁服役的海洋環(huán)境也較為復(fù)雜惡劣，長(zhǎng)期受到氯離子侵蝕、海浪沖擊及往復(fù)干濕循環(huán)還有日照、紫外線等腐蝕作用，這些腐蝕環(huán)境亦會(huì)引起其抗震性能在全壽命周期內(nèi)發(fā)生較大的退化。

傳統(tǒng)的橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理念沒(méi)有考慮其在全壽命周期內(nèi)由于服役環(huán)境的侵蝕作用而引起的抗震性能下降問(wèn)題，因此，往往大部分橋梁結(jié)構(gòu)還沒(méi)達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限，便需要大量維護(hù)及加固措施來(lái)維持其抗震性能以滿足其功能的正常使用[1]?；谌珘勖芷诘臉蛄航Y(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法要求在設(shè)計(jì)階段就要考慮橋梁結(jié)構(gòu)在全壽命周期內(nèi)受環(huán)境作用而造成的抗震性能退化問(wèn)題，進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行時(shí)變抗震性能評(píng)價(jià)與地震損失評(píng)估，最后對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)。

目前，對(duì)海蝕環(huán)境下鋼筋混凝土構(gòu)件的抗震性能退化問(wèn)題已有較多的研究，Kobayashi等[2]對(duì)腐蝕后的混凝土梁進(jìn)行循環(huán)荷載試驗(yàn)，得出梁的強(qiáng)度和耗能能力會(huì)隨著腐蝕的增大而下降；貢金鑫等[3]通過(guò)對(duì)腐蝕試件進(jìn)行低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鋼筋銹蝕會(huì)導(dǎo)致鋼筋混凝土構(gòu)件的抗震性能下降；牛荻濤等[4]通過(guò)試驗(yàn)分析壓彎構(gòu)件抗震性能的影響因素，得出鋼筋的銹蝕量是影響其抗震性能的主要因素；蔣連接等[5-6]通過(guò)人工加速試驗(yàn)方法得到不同銹蝕率的鋼筋混凝土構(gòu)件并施加重復(fù)荷載，得出隨著銹蝕率的增加,構(gòu)件耗能能力減小,屈服荷載、極限荷載以及延性均會(huì)降低;李超等[7]通過(guò)對(duì)腐蝕后的近海橋梁進(jìn)行易損性分析，得出隨著氯離子侵蝕作用的進(jìn)行，橋梁結(jié)構(gòu)全壽命周期的抗震能力逐漸下降，各種地震動(dòng)作用下結(jié)構(gòu)抗震需求逐漸上升，到達(dá)極限破壞狀態(tài)的概率逐漸增大。從以上研究可見(jiàn)，目前對(duì)海蝕環(huán)境下的橡膠隔震支座的性能劣化研究較少，隔震支座作為連接隔震橋梁上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)件，其性能的好壞對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能的好壞具有決定性作用，因此本文在總結(jié)海洋環(huán)境下鋼筋混凝土材料的劣化模型以及課題組橡膠隔震支座性能劣化試驗(yàn)成果的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)近海隔震橋梁進(jìn)行非線性有限元分析，分析對(duì)比墩柱單獨(dú)劣化、橡膠隔震支座單獨(dú)劣化和兩者共同劣化條件下，隔震橋梁在全壽命周期內(nèi)的地震響應(yīng)，力圖為近海隔震橋梁全壽命周期的抗震性能評(píng)價(jià)與地震損失評(píng)估提供參考。

1 海蝕條件下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的性能退化

1.1 鋼筋銹蝕開(kāi)始時(shí)間

因?yàn)殇摻钿P蝕對(duì)鋼筋混凝土性能產(chǎn)生不利影響，故對(duì)其進(jìn)行全壽命周期性能劣化分析時(shí)，需確定鋼筋銹蝕的開(kāi)始時(shí)間。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在海洋環(huán)境下隨著氯離子不斷擴(kuò)散，當(dāng)氯離子濃度達(dá)到閾值Ccr時(shí)，鋼筋開(kāi)始腐蝕，鋼筋銹蝕開(kāi)始時(shí)間采用式(1)所示概率方法計(jì)算，參數(shù)取值見(jiàn)文獻(xiàn)[8]。

(1)

式(1)中：Tcorr為腐蝕起始時(shí)間；X1為不確定參數(shù)；ke為環(huán)境影響系數(shù)；kt為擴(kuò)散系數(shù)試驗(yàn)方法影響系數(shù)；kc為養(yǎng)護(hù)時(shí)間影響系數(shù)；t0為養(yǎng)護(hù)時(shí)間，一般取28 d(0.076 7a)；D0為擴(kuò)散系數(shù)；dc為保護(hù)層厚度；Cs為混凝土表面氯離子濃度；n為老化衰減系數(shù)取n=0.37；Ccr為氯離子臨界濃度。

利用MATLAB建立50 000組樣本進(jìn)行Monte Carlo抽樣計(jì)算，得到鋼筋初始腐蝕時(shí)間的概率分布如圖1所示，并采用換算后的中位數(shù)來(lái)表征縱筋和箍筋的起始腐蝕時(shí)間，即30 a和15 a。

圖1 鋼筋銹蝕初始時(shí)間概率分布

1.2 鋼筋性能退化

隨著氯離子侵蝕作用不斷進(jìn)行，鋼筋直徑不斷減小，力學(xué)性能不斷降低。Du[9]通過(guò)大量的試驗(yàn)，提出了在氯離子侵蝕作用下鋼筋屈服應(yīng)力和鋼筋直徑的退化公式:

fy=(1.0-βyQcorr)fy0

(2)

(3)

式中：fy0為鋼筋初始屈服應(yīng)力；βy為系數(shù)，光圓鋼筋取0.49，螺紋鋼筋取0.12；ds0為鋼筋初始直徑；Qcorr為腐蝕作用下鋼筋的質(zhì)量損失率。

2 橡膠隔震支座的性能劣化

2.1 橡膠材料常數(shù)的確定

隔震支座位于海洋大氣區(qū)，受到海蝕和老化雙重作用的影響，馬玉宏等[10-11]研究發(fā)現(xiàn)老化對(duì)支座性能起到了控制作用，因此，本文針對(duì)橡膠隔震支座和橡膠片開(kāi)展老化時(shí)變規(guī)律的研究。老化時(shí)間分別為20 d和90 d，換算成實(shí)際環(huán)境時(shí)間分別為40 a和180 a，對(duì)隔震支座在老化前后分別進(jìn)行基本性能測(cè)試；對(duì)于橡膠片，老化前24 d每隔2 d對(duì)橡膠片取樣，從24 d起則每隔6 d對(duì)橡膠片取樣測(cè)試各項(xiàng)性能，拉伸強(qiáng)度和扯斷伸長(zhǎng)率隨老化時(shí)間的變化規(guī)律如圖2、圖3所示。橡膠的本構(gòu)采用Mooney-Rivlin本構(gòu)模型[12-13]，由試驗(yàn)所測(cè)得的橡膠材料的定伸應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)據(jù)并結(jié)合最小二乘擬合法求出橡膠材料常數(shù)C10和C01的時(shí)變規(guī)律[14]如圖4所示，其擬合結(jié)果如式4、式5。

C10=0.001 5n+0.405 4,R2=0.933 1

(4)

|C01|=0.000 4n+0.216 5,R2=0.948 9

(5)

式中：n為實(shí)際環(huán)境老化時(shí)間,a。

圖2 橡膠拉伸強(qiáng)度隨時(shí)間變化規(guī)律

圖3 橡膠扯斷伸長(zhǎng)率隨時(shí)間變化規(guī)律

圖4 材料常數(shù)C01和C10隨老化時(shí)間變化

圖5 橡膠隔震支座有限元建模示意圖

2.2 橡膠支座剛度的劣化規(guī)律

根據(jù)老化作用下橡膠材料的時(shí)變規(guī)律，利用ABAQUS軟件對(duì)橡膠支座進(jìn)行有限元分析，支座建模如圖5所示，并與隔震支座在老化前和老化40 a性能測(cè)試后的參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證上述橡膠材料常數(shù)時(shí)變規(guī)律的合理性。由對(duì)比結(jié)果可知：隔震支座有限元模擬和試驗(yàn)測(cè)試的性能參數(shù)吻合度較高，老化前、后水平剛度的模擬值與試驗(yàn)值誤差分別為5%和11%，豎向剛度誤差分別為3%和8%，說(shuō)明基于Mooney-Rivlin本構(gòu)模型材料參數(shù)的時(shí)變規(guī)律利用有限元模擬隔震支座的性能具有可行性。根據(jù)式(4)和式(5)，對(duì)隔震支座進(jìn)行有限元模擬，得到橡膠隔震支座剛度隨時(shí)間的劣化規(guī)律如圖6所示，擬合式結(jié)果如式(6)、式(7)。

Kh(n)/Kh(0)=0.005 2t+0.996

(6)

Kv(n)/Kv(0)=0.002 7t+1.002 1

(7)

圖6 隔震支座剛度隨老化時(shí)間變化圖

3 有限元模型的建立

以中國(guó)近海地區(qū)某近海隔震橋梁為例，采用SAP2000軟件進(jìn)行非線性有限元分析，根據(jù)前文描述的材料退化模型，對(duì)橋梁在全壽命周期內(nèi)的地震響應(yīng)進(jìn)行分析。

3.1 工程概況

橋梁總體布置如圖7所示，其中1號(hào)和7號(hào)墩為過(guò)渡墩，每個(gè)墩柱上并列布置四個(gè)隔震支座[15]。隔震支座采用鉛芯橡膠隔震支座，相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。隔震橋梁抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)使用年限為 120 a，長(zhǎng)期處于氯離子侵蝕的海洋環(huán)境中，場(chǎng)地類別為Ⅲ類。

圖7 橋梁結(jié)構(gòu)總體布置圖

表1 鉛芯橡膠隔震參數(shù)表

3.2 有限元分析模型

采用SAP2000有限元軟件建立橋梁非線性模型見(jiàn)圖8，局部示意圖如圖9。

圖8 橋梁有限元模型圖

圖9 橋梁模型局部示意圖

在地震作用下上部結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的概率很小，因此，采用彈性梁柱單元來(lái)模擬上部結(jié)構(gòu)的特性。橋墩在地震作用下會(huì)進(jìn)入塑性狀態(tài)以達(dá)到消耗地震能量的作用采用塑性鉸單元來(lái)模擬橋墩的塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力，在每個(gè)墩柱的底部布置一個(gè)纖維亞克力鉸單元。

4 結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性及動(dòng)力響應(yīng)分析

為了驗(yàn)證有限元模型的準(zhǔn)確性，采用Midas Civil軟件對(duì)SAP2000橋梁模型進(jìn)行驗(yàn)證。前6階周期對(duì)比如表2所示。兩種軟件模態(tài)分析的前六階周期相差不大，證明采用SAP2000建立有限元模型的準(zhǔn)確性。

4.1 橋墩截面抗震能力分析

為了研究氯離子侵蝕導(dǎo)致鋼筋銹蝕后，橋梁截面抗震能力的變化規(guī)律，采用XTRACT軟件對(duì)橋墩截面在全壽命周期內(nèi)進(jìn)行彎矩曲率分析，限于篇幅僅給出2號(hào)墩的分析結(jié)果，如圖10所示?？芍?/p>

圖10 全壽命期內(nèi)2號(hào)墩柱截面抗震能力分析

(1)隨著使用年限的增加，縱筋銹蝕后橋墩的抗彎能力大幅下降，原因是屈服強(qiáng)度和直徑會(huì)變小。同時(shí)，曲率隨劣化時(shí)間增長(zhǎng)變化不大，說(shuō)明縱筋銹蝕對(duì)截面的延性影響很小。

(2)隨著使用年限的增加，箍筋銹蝕后，墩柱截面的抗彎能力略有降低，但曲率卻大大減小，原因是隨著箍筋的銹蝕，核心混凝土所受約束作用下降，極限壓應(yīng)變降低，延性大大降低。

(3)箍筋和縱筋共同銹蝕時(shí)，墩柱的抗彎能力和延性均隨使用年限的增加而明顯下降。

(4)當(dāng)使用相同年限時(shí)，縱筋劣化和共同劣化使得墩柱的抗彎能力急劇下降；箍筋劣化和共同劣化使得墩柱的曲率急劇減小，說(shuō)明箍筋和縱筋共同劣化會(huì)導(dǎo)致抗彎能力和延性性能的顯著下降。

另外，在全壽命期內(nèi)，鋼筋銹蝕初期，性能的劣化速率最大；隨著服役時(shí)間增大，鋼筋性能的劣化速率慢慢降低，即表現(xiàn)為墩柱截面的抗彎能力和延性在鋼筋劣化初期的下降幅度最大，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，抗彎能力和延性退化的幅度慢慢降低。

表2 不同軟件計(jì)算的周期對(duì)比

圖11 墩頂位移時(shí)程曲線對(duì)比

4.2 橋梁地震響應(yīng)分析

為了研究近海隔震橋梁在其服役期間由于墩柱材料和支座性能劣化造成的抗震性能變化情況，定義三種劣化工況：只考慮墩柱劣化(工況一)、只考慮隔震支座劣化(工況二)和同時(shí)考慮二者共同劣化(工況三)，分別對(duì)全壽命周期內(nèi)的近海隔震橋梁進(jìn)行非線性時(shí)程分析。根據(jù)文獻(xiàn)[16]從太平洋地震工程研究中心(PEER)數(shù)據(jù)庫(kù)中選取3條符合場(chǎng)地條件的地震波：Loma Prieta波、Imperial Valley-06波、Hector Mine波進(jìn)行非線性時(shí)程分析。Loma Prieta波作用下，3號(hào)中墩在三種劣化工況下，地震響應(yīng)結(jié)果如圖11～圖14所示，隨劣化時(shí)間的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖15，其余墩柱及地震波作用結(jié)果類似。由圖11～圖15分析結(jié)果可知：

圖12 墩底彎矩時(shí)程曲線對(duì)比

圖13 中墩支座滯回曲線對(duì)比

圖14 中墩墩柱彎矩-轉(zhuǎn)角曲線對(duì)比

圖15 橋梁在全壽命周期內(nèi)的地震峰值響應(yīng)

(1)在三種劣化工況下，墩頂最大位移隨橋梁服役時(shí)間的增大而增大，說(shuō)明橋梁服役時(shí)間越長(zhǎng)，在地震作用下，劣化會(huì)導(dǎo)致墩柱產(chǎn)生更大的位移反應(yīng)。當(dāng)橋梁服役120 a時(shí)，從工況一至工況三，墩頂最大位移的增幅分別為36.5%、20.08%、91.18%。當(dāng)服役至同一時(shí)間時(shí)，工況三的位移反應(yīng)大于工況一，工況一的反應(yīng)大于工況二，說(shuō)明支座和墩柱共同劣化作用下，結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)急劇增大，但不是二者的簡(jiǎn)單疊加；墩柱單獨(dú)劣化產(chǎn)生的反應(yīng)總體上大于支座單獨(dú)劣化的作用效果。

(2)工況一作用下，支座對(duì)墩柱的隔震減震作用保持不變，墩柱彎矩主要取決于自身的材料特性：服役前30 a，墩底最大彎矩略有上升，這是因?yàn)樵摃r(shí)間段內(nèi)只有箍筋發(fā)生銹蝕，墩柱抗彎能力基本不變；當(dāng)橋梁服役30 a后，縱筋開(kāi)始銹蝕，墩柱抗彎能力顯著下降，墩底最大彎矩隨著服役時(shí)間的增長(zhǎng)而減小。工況二作用下，橋梁服役時(shí)間越長(zhǎng)，墩底最大彎矩越大，原因是隔震支座對(duì)墩柱的隔震減震作用降低。工況三作用下，墩底最大彎矩的變化趨勢(shì)總體與工況一類似，但其數(shù)值介于工況一和工況二之間，說(shuō)明此時(shí)墩柱自身的性能劣化對(duì)墩底最大彎矩的影響大。

(3)在三種劣化工況下，服役時(shí)間越長(zhǎng)，支座的最大剪切位移越小。當(dāng)橋梁服役120 a時(shí)，從工況一至工況三，支座最大剪切位移的降幅分別為4.62%、24.35%、39.21%。說(shuō)明隔震支座的最大剪切位移隨著服役時(shí)間的增長(zhǎng)而減小，其在地震作用下耗散地震的能力降低，使墩柱等橋梁主體結(jié)構(gòu)在地震作用發(fā)生破壞的概率增大。

(4)對(duì)于同一工況，劣化時(shí)間越長(zhǎng)，墩柱彎矩-轉(zhuǎn)角滯回面積越大，墩柱塑性變形越大；對(duì)于同一服役時(shí)間，三個(gè)劣化工況中彎矩-轉(zhuǎn)角滯回面積增幅大小順序?yàn)椋汗r三>工況一>工況二，但均比初始值增大。

(5)對(duì)于同一工況，隨著劣化時(shí)間的增長(zhǎng)，支座滯回曲線的面積逐漸減小，屈服后剛度逐漸增大，最大剪切位移逐漸減小，說(shuō)明支座耗散地震的能力逐漸下降；對(duì)于同一服役時(shí)間，三個(gè)劣化工況中支座滯回面積降幅大小順序?yàn)椋汗r三>工況二>工況一，且工況二、三時(shí)出現(xiàn)屈服后剛度增大、剪切位移減小的現(xiàn)象，說(shuō)明支座劣化產(chǎn)生的影響比較顯著。

5 結(jié)論

對(duì)近海隔震橋梁開(kāi)展了墩柱單獨(dú)劣化、支座單獨(dú)劣化、墩柱和支座共同劣化下的非線性時(shí)程分析，主要結(jié)論如下：

(1)氯離子侵蝕會(huì)導(dǎo)致鋼筋產(chǎn)生銹蝕，進(jìn)而導(dǎo)致其屈服強(qiáng)度和直徑發(fā)生較大退化。保護(hù)層混凝土因鋼筋銹蝕漲裂，核心混凝土因箍筋銹蝕導(dǎo)致約束作用下降，進(jìn)而峰值抗壓強(qiáng)度及對(duì)應(yīng)的應(yīng)變、極限應(yīng)變發(fā)生降低，進(jìn)而引起墩柱抗震能力的下降。

(2)縱筋銹蝕顯著降低了墩柱截面的抗彎能力，而延性僅略有降低；箍筋銹蝕對(duì)墩柱的抗彎能力降低不大，而對(duì)其延性卻顯著降低；縱筋和箍筋共同銹蝕時(shí)，墩柱截面的抗震能力退化顯著，其抗彎能力和延性的降低程度均比單獨(dú)考慮一種因素更高，但并不是兩種因素的簡(jiǎn)單疊加。

鋼筋在全壽命期內(nèi)的銹蝕速率并不是定值，而是在初期銹蝕速率最大，隨著服役時(shí)間增大，銹蝕速率慢慢降低。因而，墩柱截面的抗彎能力和延性在鋼筋銹蝕初期的下降幅度最大，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，抗彎能力和延性退化的幅度慢慢降低。

(3)墩柱材料和支座性能單獨(dú)劣化均會(huì)顯著影響橋梁的地震響應(yīng)，而二者共同劣化的響應(yīng)結(jié)果取決于單一因素的作用效應(yīng)?？傮w來(lái)看，三種工況下，隨著劣化時(shí)間的增大，墩頂最大位移增大，支座水平最大剪切位移減小，墩柱塑性耗能增大，支座滯回耗能面積減小。