銹蝕對外包鋼板加固鋼筋混凝土橋墩的影響

倪 捷，高圣彬，葛漢彬

(1.上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院，上海200240;2.名城大學土木工程科，日本名古屋468-8502)

由于鋼筋混凝土橋墩在地震作用下容易在柱腳附近造成損傷，通常采用外包鋼板加固法對該類橋墩進行補強加固［1-2］。目前關于鋼筋混凝土橋墩加固后的受力性能研究已經較為成熟。國內外學者通過大量的試驗以及數值分析［3-5］發現，局部鋼板約束鋼筋混凝土橋墩較無鋼板加固鋼筋混凝土橋墩具有更好的承載能力以及延性性能。然而實際使用中發現，由于積水、腐蝕環境等的影響，外包鋼板出現了不同程度的銹蝕現象，從而導致鋼板的有效厚度減小。國際上通常認為鋼材銹蝕引起的結構損傷是鋼筋混凝土結構最為突出的災害之一［6］，國內外學者對鋼材銹蝕的研究主要分為兩類。首先是鋼筋銹蝕后，對其本構關系以及力學性能的影響，張偉平［7］等人建立了不同環境條件下銹蝕鋼筋的應力-應變關系數學模型，吳慶與袁迎曙［8］在此的基礎上建立了與銹蝕率相關的銹蝕鋼筋本構模型。而對于構件銹蝕后對整體結構的承載能力、延性性能等力學性能退化方面的研究也有大量的學者對其做了研究分析［9-14］。本文通過建立精確有限元分析模型，對實際橋墩P2進行參數分析，研究不同翼緣和腹板銹蝕率情況下橋墩的極限承載力退化規律、破壞機理，以及均勻銹蝕和不均勻銹蝕模式對橋墩極限承載力的影響規律。

1 有限元分析方法的試驗驗證

1.1 試件基本參數

基于受損鋼筋混凝土橋墩補強加固試驗報告［15］，選取圖1所示的3個正方形截面鋼筋混凝土橋墩為研究對象，施加恒定豎向軸力后，在橋墩頂端施加漸增水平荷載。圖2(a)為試件尺寸示意圖，外包鋼板厚度為1.6 mm，沿整個橋墩高度包裹試件。3個試件的加固方法以及與基礎的連接方式分別為:(1)Case A為未加固的鋼筋混凝土橋墩(參見圖1(a));(2)Case B為經外包鋼板加固后的橋墩，其中外包鋼板與基礎完全固接(參見圖1(b))，該試件用于模擬鋼板未銹蝕狀態;(3)Case C為經外包鋼板加固后的橋墩，其中外包鋼板與基礎間留有50 mm空隙(參見圖1(c))，該試件用于模擬橋墩底部附近鋼板完全銹蝕狀態。

1.2 有限元分析模型

采用ABAQUS有限元分析軟件［15］建立二維平面模型，進行三種不同工況下鋼筋混凝土橋墩的極限承載力分析。建模時，混凝土采用二維平面應力單元，鋼筋采用二維桿單元，側面外包鋼板(即，翼緣)采用二維梁單元，正面外包鋼板(即，腹板)采用二維平面應力單元。縱筋與箍筋通過埋入命令嵌入混凝土，與混凝土協同工作，而外包鋼板單元與混凝土單元之間采用綁定命令共同工作，不考慮兩者之間的剝離、滑移效應。鋼筋混凝土橋墩與基礎之間采用完全固接方式。

表1材料特性一覽表Tab.1 List of material properties

在有限元分析中，鋼筋采用理想彈塑性模型，具體材料參數見表1中的“試驗”列。鋼板采用具有屈服平臺的應變強化型的應力-應變關系［16］。混凝土采用彈塑性損傷模型［16］，且應力達到抗壓強度后考慮軟化效應。邊界條件為試件底部完全固定，550 kN的豎向荷載采用均布加載方式施加在橋墩頂部，而水平荷載采用位移加載方式，加載點距試件頂部410 mm，施加單調漸增荷載直至橋墩破壞，如圖2(a)所示。

1.3 計算結果與試驗結果比較

圖3(a)～圖3(c)示由數值模擬得到的水平荷載-水平位移曲線與試驗結果［15］的比較。可以看出，三種計算工況下由數值模擬得到的橋墩極限承載力與試驗結果吻合良好。圖3(d)示由數值模擬得到的三種工況下的荷載-位移曲線比較，可以發現經外包鋼板加固后的鋼筋混凝土橋墩的極限承載力可以得到提高，但提高的程度與鋼板和基礎間的連接方式有很大關系，其中Case B較Case A的極限承載力提高了約40%，而Case C僅比Case A提高了約2%。就銹蝕情況而言，Case B代表外包鋼板未出現銹蝕情況，而Case C表示橋墩底部附近外包鋼板完全銹蝕情況。可以發現，鋼板完全銹蝕后，橋墩的極限承載力與未加固橋墩相差無幾，外包鋼板失去了對橋墩的補強加固效果。

2 實際橋墩的銹蝕分析

本節以實際橋墩P2［18］(以下簡稱為P2柱)為研究對象，通過彈塑性有限元參數分析，研究底部附近加固鋼板在不同銹蝕率以及不同銹蝕模式下對P2柱的極限承載力以及破壞模式的影響規律。

2.1 P2柱概述與計算工況

圖2(b)為P2柱立面示意圖，受拉邊鋼筋為42根Φ35鋼筋，箍筋為?16鋼筋(縱筋配筋率=1.5%)。柱橫截面尺寸為 3.0 m ×2.8 m，柱高為12.4 m，外包鋼板厚度為6 mm。在柱頂施加恒定豎向軸力11 090 kN后，再施加水平漸增荷載至橋墩破壞。本文考慮的橋墩所處計算工況分別為:無加固橋墩(參見圖2(b));經外包鋼板加固后的橋墩(鋼板底部與基礎固接);以及考慮由于底部積水等原因導致的鋼板與基礎固接處銹蝕的影響，該銹蝕影響通過改變橋墩底部100 mm高度范圍內的加固鋼板銹蝕率k來反映，其中均勻銹蝕模式下的鋼板銹蝕率k定義如下:

上式中，t為銹蝕前的加固鋼板厚度;t'為銹蝕后的加固鋼板厚度。試件名中，“F”表示翼緣，“W”表示腹板。采用ABAQUS有限元分析軟件建立二維平面模型，單元選取以及分析方法與前述試驗部分基本相同，在此不再贅述。P2柱中混凝土與鋼材的材料參數如表1所示。

2.2 有限元分析結果考察

(1)鋼板銹蝕率對橋墩極限承載力的影響

圖4(a)示橋墩在不同翼緣鋼板銹蝕率下的荷載-位移曲線比較，可以看出隨著翼緣鋼板銹蝕率的不斷增大，橋墩的極限承載能力依次下降。圖4(b)示假定翼緣鋼板完全銹蝕后，不同腹板銹蝕率下的荷載-位移曲線比較，該圖中同時給出了P2柱的荷載-位移曲線。可以看出隨著腹板銹蝕率的增大，橋墩的極限承載能力逐步下降，當腹板銹蝕率達到100%時(試件P2-F10W10)，其極限承載力與鋼板加固前的P2柱基本相同。由此可見，鋼板銹蝕對橋墩的極限承載力影響顯著。

圖5示鋼板銹蝕率與極限承載力之間的關系曲線。可以看出翼緣銹蝕率以及均勻銹蝕模式下的腹板銹蝕率和橋墩極限承載力之間存在顯著的線性相關關系。通過比較P2-F00W00(外包鋼板未銹蝕)、P2-F10W00(外包鋼板中僅翼緣完全銹蝕)、P2-F10W10(外包鋼板完全銹蝕)、P2(加固前)四個試件的計算結果可知，與加固前的P2試件相比，當底部鋼板與基礎完全固接時，橋墩的極限承載力提高了56.9%，而當底部完全銹蝕而上部鋼板完好時承載力僅提高2.5%，由此可見，加固后鋼板對橋墩極限承載力的提高程度主要由底部鋼板與基礎連接處的銹蝕情況所決定。相對于外包鋼板未銹蝕的試件P2-F00W00而言，外包鋼板中僅翼緣完全銹蝕(P2-F10W00)將導致橋墩極限承載力下降到82.7%。當橋墩底部外包鋼板的翼緣和腹板都完全銹蝕(P2-F10W10)時，將導致極限承載力下降到65.4%。

(2)鋼板銹蝕率對橋墩極限承載力的影響

鋼板銹蝕模式分為均勻銹蝕與不均勻銹蝕兩種模式。均勻銹蝕模式假定鋼板在同一平面內的銹蝕同步，通過改變鋼板厚度考慮銹蝕率的影響。而不均勻銹蝕模式表示鋼板銹蝕是局部的、非對稱出現的，需按照實際的銹蝕情況考慮銹蝕率的影響。對于P2柱的翼緣而言，由于受拉翼緣全部參與抵抗側向荷載引起的彎矩，在同一銹蝕率下均勻銹蝕與不均勻銹蝕模式對極限承載力的影響相同。而對腹板而言，均勻銹蝕與不均勻銹蝕模式中，同一銹蝕率下參與受拉的鋼板面積以及對抗側向荷載的貢獻并不相同。

圖5(b)示P2柱腹板在均勻銹蝕與不均勻銹蝕模式下銹蝕率與柱極限承載力之間的關系曲線比較。這里的不均勻銹蝕模式假設腹板銹蝕起始于受拉邊，隨著銹蝕率的增大，銹蝕區域逐漸向受壓邊擴展。由該圖可以看出，不均勻銹蝕模式中，銹蝕率與柱極限承載力之間不再保持均勻銹蝕模式中的線性關系，而是呈現明顯的拋物線關系。在同一銹蝕率下，不均勻銹蝕模式對柱極限承載力的降低程度遠大于均勻銹蝕模式。因此，在實際橋墩的銹蝕分析中，銹蝕模式的選取對橋墩的極限承載力評估影響巨大。

(3)不同銹蝕率下的破壞模式比較

通過比較試件P2、試件P2-F00W00、試件P2-F10W00、以及試件P2-F10W10的主拉應變云圖(圖6)可以看出，試件P2、試件P2-F00W00以及試件P2-F10W00的主拉應變最大處都出現在橋墩與基礎連接處，隨著高度上升不斷減小并且沿試件高度方向在較大范圍內出現裂縫。由于試件P2-F10W10上部經加固后的橋墩強度與剛度都大于下部加固鋼板銹蝕處，所以主拉應變以及裂縫主要集中在橋墩下部鋼板與基礎之間發生銹蝕的區域。

圖7為試件P2-F00W00、試件P2-F10W00和試件P2-F10W10的加固鋼板Mises應力云圖比較。由于試件P2-F00W00中的加固鋼板與基礎連接處未受到銹蝕影響，鋼板承擔一部分彎矩，所以底部鋼板的較大范圍均進入塑性階段;而試件P2-F10W00以及試件P2-F10W10中加固鋼板與基礎連接處的鋼板均受到銹蝕的影響，向基礎傳遞彎矩的能力顯著減弱，故底部鋼板進入塑性階段的范圍依次變小。

3 結論

1)由數值模擬得到的荷載-位移曲線與試驗結果相比較，兩者吻合較好。橋墩達到極限承載力后，表現出良好的延性性能。經外包鋼板加固后的鋼筋混凝土橋墩的極限承載力可以得到提高，但提高的程度與鋼板和基礎的連接方式有很大關系，其中Case B較Case A的極限承載力提高了約40%，而Case C僅比Case A提高了約2%。

2)經外包鋼板加固后的P2柱極限承載力隨著底部附近鋼板的銹蝕率增大而逐步減小。當底部外包鋼板完全銹蝕時，其承載力與加固前的試件相比僅提高2.5%。由此可見，加固鋼板對橋墩極限承載力的提高程度主要由底部鋼板與基礎連接處的銹蝕情況所決定。

3)通過比較不同銹蝕率下的橋墩極限承載力，可以看出在均勻銹蝕模式下，鋼板銹蝕率與橋墩極限承載力之間呈現明顯的線性相關關系。而在不均勻銹蝕模式中，腹板銹蝕率與柱極限承載力之間呈現拋物線關系。在同一銹蝕率下，不均勻銹蝕模式對柱極限承載力的降低程度遠大于均勻銹蝕模式。

4)當外包鋼板底部與基礎連接處銹蝕時，裂縫范圍主要集中在橋墩底部鋼板發生銹蝕的區域。

5)雖然同樣采取外包鋼板加固方式，但由于底部附近鋼板銹蝕的影響，導致橋墩中鋼板的受力特點也不同。由于未發生銹蝕的加固鋼板與基礎連接良好，鋼板可以承擔一部分彎矩，所以底部附近鋼板的較大范圍均進入屈服階段;而當加固鋼板與基礎連接處出現銹蝕時，鋼板向基礎傳遞彎矩的能力受到削弱，故底部附近鋼板進入屈服階段的范圍逐漸減小。

以上研究結果表明，鋼板銹蝕對外包鋼板加固鋼筋混凝土的極限承載力影響顯著，在現役橋墩的維護管理中，加強鋼板銹蝕防護措施研究至關重要。

［1］萬墨林，韓繼云.混凝土加固技術［M］.北京:中國建筑工業出版社，1995.

［2］唐寰澄，王序森.橋梁工程［M］.北京:中國鐵道出版社，1995.

［3］張紅武，孫建鵬.局部外包鋼管鋼筋混凝土橋墩力學性能分析［J］.鋼結構，2012，27(9):27-29.

［4］盧亦焱，陳少雄，趙國藩.外包鋼與碳纖維布復合加固鋼筋混凝土柱抗震性能試驗研究［J］.土木工程學報，2005，38(8):10-17.

［5］LI YOU FENG，HUANG ZHEN XING.A Study of reinforced concrete bridge columns retrofitted by steel jackets［J］.Journal of the Chinese Institute of Engineers，2005，28(2):319-328.

［6］王增忠.基于混凝土耐久性的建筑工程項目全壽命經濟分析［D］.上海:同濟大學，2006.

［7］張偉平，商登峰，顧祥林.銹蝕鋼筋應力-應變關系研究［J］.同濟大學學報:自然科學版，2006，34(5):586-592.

［8］吳慶，袁迎曙.銹蝕鋼筋力學性能退化規律試驗研究［J］.土木工程學報，2008，41(12):42-47.

［9］FANG Cong-qi，KOU Xin-jian.The effect of steel corrosion on bond strength in concrete structures［J］.Journal of Shanghai Jiaotong University:Science，2005，E-10(4):436-440.

［10］WANG Xiao-hui，LIU Xi-la.E?ects of Length and Location of Steel Corrosion on the Behavior and Load Capacity of Reinforced Concrete Columns［J］.Journal of Shanghai Jiaotong University:Science，2012，17(4):391-400.

［11］張 斌.銹蝕對鋼管混凝土性能的影響研究［D］.重慶:重慶交通大學，2011.

［12］SHARIFI Y，PAIK J K.Ultimate Strength Reliability A-nalysis of Corroded Steel-box Girder Bridges［J］.Thin-Walled Structures，2011(49):157-166.

［13］SILBA J，GARBATOY Y.Ultimate Strength Assessment of Rectangular Steel Plates Subjected to A Random Localized Corrosion Degradation［J］.Engineering Structures，2013(52):295-305.

［14］潘典書，徐善華.銹蝕型鋼構件抗彎承載能力預測模型研究［J］.水利與建筑工程學報，2009，7(4):27-29.

［15］莊 茁，由小川，廖劍暉，等.基于ABAQUS的有限元分析和應用［M］.北京:清華大學出版社，2009.

［16］吉伯海，高圣彬.鋼橋抗震與損傷控制設計指南:基礎篇［M］.南京:河海大學出版社，2008.