氯離子腐蝕環(huán)境下橋梁抗震性能分析

楊 帆，楊翠娟

（1.青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院 青島市 266033；2.福建六建集團(tuán)有限公司 福州市 350000）

0 引言

海洋環(huán)境下鋼筋混凝土橋梁的主要劣化機(jī)理是氯離子腐蝕，氯離子腐蝕引起保護(hù)層混凝土的開裂和剝落、核心混凝土的強(qiáng)度退化，混凝土與鋼筋之間的粘結(jié)損失，導(dǎo)致混凝土性能的不斷下降［1-2］。并且近年來，對腐蝕環(huán)境條件下RC橋的使用壽命抗震性能評估成為研究的熱點，這些研究主要集中在地震易損性和可靠性分析上。朱炯［3］對不同結(jié)構(gòu)體系的鋼筋混凝土橋梁在長期氯離子作用下的時變可靠度進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)除冰鹽環(huán)境嚴(yán)重威脅結(jié)構(gòu)的安全性，增大結(jié)構(gòu)的失效概率。Gardoni［4］等為了評估腐蝕對鋼筋混凝土構(gòu)件和整體系統(tǒng)響應(yīng)的一般影響，考慮了累積地震破壞和腐蝕退化對RC橋梁壽命周期成本的共同影響。Choe［5］等為研究鋼筋混凝土橋梁抗震效果，研究了橋梁在不同使用壽命時間點的易損性曲線。

提出了一種基于非線性靜力分析的腐蝕環(huán)境下橋梁抗震評估的新思路。在此框架中，首先計算橋梁墩柱的腐蝕開始時間，然后為了分析橋梁使用壽命對結(jié)構(gòu)行為的腐蝕影響，建立了材料模型。該模型考慮了橋梁結(jié)構(gòu)中縱筋腐蝕、箍筋腐蝕和縱箍筋一起腐蝕三種情況的影響，完成橋梁墩柱的彎矩-曲率分析，最后通過擬靜力循環(huán)往復(fù)加載方式，研究三種情況下橋墩結(jié)構(gòu)的滯回耗能能力的變化規(guī)律。

1 腐蝕對材料性能的影響

1.1 腐蝕開始時間和腐蝕程度

氯離子的擴(kuò)散是由混凝土的表面和內(nèi)部之間的氯化物濃度差引起的，根據(jù)Fick的第二定律［6］可得到混凝土內(nèi)部氯化物濃度：

其中：C（x，t）是t年來混凝土保護(hù)層表面x深度的氯化物濃度；Cs是表面氯化物濃度；Dc是氯離子擴(kuò)散系數(shù)；erf（）是誤差函數(shù)。

當(dāng)氯化物濃度達(dá)到閾值濃度時，混凝土中的鋼筋將開始腐蝕。腐蝕開始時間和鋼筋直徑的減小［7］計算如下所示：

其中：Tcorr是腐蝕開始時間（年）；dc是覆蓋深度（mm）；B1和C1是系數(shù)，它們?nèi)Q于用于混凝土混合設(shè)計的水和水泥比；db是腐蝕鋼筋直徑；dbi是初始鋼筋直徑；w／c是混凝土混合料設(shè)計中的水與水泥比。

1.2 保護(hù)層混凝土的腐蝕影響

一旦腐蝕開始，腐蝕產(chǎn)物積聚在鋼筋周圍。當(dāng)腐蝕產(chǎn)物的體積大于原始體積時，它會在鋼筋周圍的混凝土上產(chǎn)生徑向應(yīng)變（εr），可表示如下［8］：

其中：bo是RC截面的周長；wd（t）是腐蝕橋梁截面使用壽命中任何時間點的覆蓋混凝土裂縫寬度；w0是最初可見的裂縫寬度（0.05mm）；bc等于0.0086mm／μm；氯化物誘導(dǎo)腐蝕的γb等于1；p（t）是腐蝕滲透；p0是生產(chǎn)所需的腐蝕滲透。

1.3 鋼筋的腐蝕效應(yīng)

在橋梁正常使用期間，由于腐蝕效應(yīng)，鋼筋的屈服和極限應(yīng)力以及極限應(yīng)變會發(fā)生變化。該過程導(dǎo)致鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的改變，其用作橋梁柱彎曲分析的輸入。腐蝕過程中屈服應(yīng)力、極限應(yīng)力和極限應(yīng)變的減小可由下式計算：

其中：fy（t）、fu（t）和εu分別是腐蝕鋼筋的屈服應(yīng)力、極限應(yīng)力和極限應(yīng)變；Δcorr是腐蝕程度；fy0、fu0和εu0是初始鋼筋的屈服應(yīng)力、極限應(yīng)力和極限應(yīng)變。

1.4 核心混凝土的腐蝕效應(yīng)

橫向鋼筋的面積損失通過約束混凝土強(qiáng)度的降低而反映出來。約束混凝土的參數(shù)可由如下計算［9］：

其中：ρs（t）是腐蝕橫向鋼筋的體積比；fyh是橫向鋼筋的屈服應(yīng)力；fc是無約束混凝土抗壓強(qiáng)度；K（t）是時間相關(guān)的約束因子。

2 抗震性能分析

2.1 抗彎能力分析

鋼筋混凝土橋梁在腐蝕以后，會對其材料性能造成影響，即上節(jié)所分析的核心混凝土，橫向和縱向鋼筋的退化，以及混凝土和鋼筋之間的粘合能力。最終導(dǎo)致鋼筋混凝土橋梁抗震水平下降，最常用的是用曲率延性系數(shù)指標(biāo)μφ［9］來評價：

式中：φy、φn分別為塑性鉸區(qū)截面的屈服曲率和極限曲率。并采用OpenSees有限元軟件對截面進(jìn)行彎矩—曲率分析，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知：僅考慮箍筋腐蝕情況，橋墩結(jié)構(gòu)抗彎承載能力基本不變，但極限曲率下降明顯；僅考慮縱筋腐蝕情況，橋墩結(jié)構(gòu)抗彎承載能力下降十分顯著，但極限曲率相對有所增長；考慮縱筋和箍筋一起腐蝕，橋墩結(jié)構(gòu)的抗彎承載能力和極限曲率均下降十分顯著；并且對橋梁結(jié)構(gòu)使用30年時進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)服役30年時，考慮縱箍筋一起腐蝕情況下，其抗震能力下降十分顯明。因此在對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計評估時，優(yōu)先考慮橋墩結(jié)構(gòu)內(nèi)縱筋和箍筋的腐蝕以及隨著使用壽命的增加，橋梁結(jié)構(gòu)的抗彎能力會受此影響。

2.2 滯回耗能分析

根據(jù)以上建立的材料性能退化模型，利用OpenSees有限元軟件對橋墩結(jié)構(gòu)不同使用壽命30年、60年、90年進(jìn)行擬靜力循環(huán)往復(fù)分析，通過位移加載的方式，獲取橋墩結(jié)構(gòu)不同使用壽命時墩底剪力和墩頂位移，得到橋墩結(jié)構(gòu)的滯回曲線如圖2所示。

由圖2可知，橋墩結(jié)構(gòu)在僅考慮箍筋腐蝕、僅考慮縱筋腐蝕和考慮縱箍筋一起腐蝕三種情況下，隨著使用壽命的增加，其墩底剪力都表現(xiàn)為減小的趨向；其中考慮箍筋和縱筋銹蝕時，橋墩結(jié)構(gòu)的墩底剪力在服役90年時其下降速度最快；僅考慮箍筋銹蝕時，橋墩結(jié)構(gòu)的墩底剪力在服役90年時其下降速度最慢。并且橋墩結(jié)構(gòu)考慮縱箍筋一起銹蝕時，對橋墩結(jié)構(gòu)的滯回耗能能力影響最為顯著，因此在評估橋梁結(jié)構(gòu)時，應(yīng)對縱箍筋一起銹蝕情況加以重視。

3 結(jié)論

結(jié)合提出的一種基于非線性靜力分析的腐蝕環(huán)境下橋梁抗震評估的新思路。首先計算鋼筋混凝土橋梁墩柱結(jié)構(gòu)的腐蝕開始時間，然后建立了考慮腐蝕對覆蓋混凝土、核心混凝土和鋼筋粘結(jié)影響的材料模型，最后對建立的不同壽命階段的橋梁算例模型進(jìn)行抗震性能分析，可以得出：

（1）腐蝕開始的時間和程度由覆蓋層混凝土的深度來決定，在海洋地區(qū)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)增加覆蓋層混凝土的深度來延遲腐蝕開始的時間以達(dá)到保護(hù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)目的。腐蝕開始以后，腐蝕水平?jīng)Q定鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的剩余服役時間。

（2）由鋼筋混凝土橋墩的抗彎能力分析可知在海洋地區(qū)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕以后，會引起箍筋和縱筋的腐蝕，并且箍筋更容易發(fā)生腐蝕。箍筋的腐蝕會造成橋墩延性能力的下降，縱筋的腐蝕會造成橋墩抗彎能力的下降。

（3）由鋼筋混凝土橋墩的滯回耗能分析可知橋墩結(jié)構(gòu)在氯離子腐蝕以后，隨著使用壽命的增加，考慮縱箍筋一起腐蝕的情況下，滯回耗能能力比僅考慮箍筋腐蝕或僅考慮縱筋腐蝕情況下降速度更加顯著。

（4）使用提出的基于非線性靜力分析的腐蝕環(huán)境下橋抗震評估的框架，可以有效地評估鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)在氯離子腐蝕作用下引起的材料性能退化，進(jìn)而分析鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)腐蝕以后的抗震能力，對橋梁正常服役期間的性能評定具有重要的意義。