氯離子侵蝕下在役RC橋墩時效易損性研究

茍強　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象，結合現(xiàn)場調(diào)研、橋梁檢測以及理論分析對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)的時效易損性展開研究，提出了除冰鹽環(huán)境下氯離子擴散修正模型，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。結果表明：RC橋墩箍筋的初始銹蝕時間早于縱筋，箍筋的屈服強度比縱筋的屈服強度劣化的快;同一座橋梁，在不同的服役時間給它施加相同的地震力，橋墩在某種特定損傷狀態(tài)下隨服役時間的增加遭受到破壞的概率顯著增大。在整個全壽命周期內(nèi)橋墩在嚴重破壞時表現(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.

自改革開放以來，我國的經(jīng)濟得到了快速發(fā)展，各項基礎設施的建設如雨后春筍般涌現(xiàn)出來。橋梁是交通的咽喉，在抗震救災過程中具有舉足輕重的地位。然而，隨著我國公路橋梁事業(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越多。隨著服役時間的推移，混凝土、鋼筋等材料性能會發(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更加嚴重。橋墩是支撐橋梁上部結構的重要構件，其抗震性能將直接影響到整座橋梁的安全性。

近年來，國外對在役結構的抗震性能研究較少，相比之下國內(nèi)對在役結構的抗震性能研究較多，2015年，趙珺針對氯離子侵蝕的連續(xù)剛構橋，應用Fick第二定律得到了鋼筋混凝土材料隨服役年限的力學性能劣化規(guī)律，分析了不同氯鹽環(huán)境下橋梁的抗震性能。2012年，李立峰等對多個橋梁的支座、橋墩和橋臺等構件的地震易損性進行了分析，同時針對中小跨徑橋梁的易損性進行了研究^]?，F(xiàn)有的橋梁結構易損性評估主要是靜態(tài)的，而對考慮材料性能劣化的橋梁結構時效易損性研究不多，亟需進行此方面的研究。

鑒于此，本文在歸納總結國內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及發(fā)展動態(tài)的基礎上，對在役鋼筋混凝土橋墩的抗震性能進行研究，建立除冰鹽環(huán)境下氯離子擴散修正模型，探究鋼筋混凝土材料的劣化規(guī)律，分析典型在役橋梁結構的地震響應，提出考慮材料性能劣化的地震易損性分析模型，繪制在役橋墩的時效地震易損性曲線。

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本文以Duracrete模型為基礎，引入除冰鹽環(huán)境影響修正系數(shù)，結合除冰鹽環(huán)境的特點和大量的文獻調(diào)研對模型中的參數(shù)進行合理定義，通過山西省祁臨高速公路在役橋梁的氯離子含量現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)求解的具體數(shù)值，以實體工程的現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)為依據(jù)，使該模型對于除冰鹽環(huán)境下混凝土結構氯離子擴散行為的研究具備一定的實用價值。

通過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)的取值見表1。

課題組依托項目，結合真實的檢測數(shù)據(jù)，對山西省祁臨高速公路沿線的蘭村大橋等4座典型橋梁嚴格按照試驗步驟鉆孔取混凝土粉樣，并在實驗室對試樣進行氯離子含量測定，得到不同深度處的氯離子含量，將所檢測到的數(shù)據(jù)以及上文所確定的相關模型參數(shù)代入公式（2）并取平均值，得到針對于除冰鹽環(huán)境下的環(huán)境影響修正系數(shù)`=0.845，標準差為0.06。

在同時考慮了混凝土表面氯離子濃度、氯離子擴散系數(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)境下的氯離子擴散模型如式（3）所示，該模型以服役時間和氯離子侵蝕深度為輸入值，具有較高的實用性，下文的計算將以該模型為依據(jù)進行。

混凝土結構的鋼筋初始銹蝕時間被定義為氯離子擴散至鋼筋表面，達到臨界濃度使鋼筋開始銹蝕的時間。根據(jù)式（3），當擴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，擴散深度和保護層厚度相等時，可推導出除冰鹽環(huán)境下混凝土結構的鋼筋初始銹蝕的時間如式（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動力模型，本文采用彈性梁單元（Elastic Beam Column）模擬主梁結構，蓋梁采用彈性梁單元模擬。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?shù)卣饎臃逯禐?.2g時，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到58%，當達到設計年限100年時，橋梁發(fā)生輕微破壞概率超過85%，由此說明，橋梁的服役時間越長，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)生輕微破壞到嚴重破壞的概率值依次降低，說明橋墩在整個服役年限內(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，說明當發(fā)生地震時，橋墩從嚴重破壞向完全破壞過渡時表現(xiàn)出更好的延性能力，即橋墩不會很快發(fā)生破壞，體現(xiàn)了建筑抗震中大震不倒的設防水準。

（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)境下的氯離子擴散修正模型。

（2）結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、銹蝕鋼筋屈服強度、保護層混凝土的抗壓強度、約束混凝土峰值應變和極限應變等劣化因素，建立了考慮材料性能劣化的橋墩地震易損性分析模型：

（3）橋梁的服役時間越長，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。在整個全壽命周期內(nèi)發(fā)生地震時，橋墩從嚴重破壞向完全破壞過渡時表現(xiàn)出更好的延性能力，即橋墩不會很快發(fā)生破壞。

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