近场地震作用下锈蚀钢筋混凝土桥墩的IDA分析

陈昉健　易伟建

摘要：利用锈蚀钢筋混凝土柱的滞回试验结果，验证钢筋混凝土构件中锈蚀模型的正确性；利用钢筋混凝土框架的振动台试验结果，验证用OPENSEES程序进行钢筋混凝土结构非线性动力分析的可行性.在此基础上，从PEER地震数据库中选取了30条地震记录，采用OPENSEES建立弹塑性有限元动力分析模型，对钢筋锈蚀的钢筋混凝土桥墩在远场地震、近场非脉冲地震和近场脉冲地震作用下的性能进行非线性时程分析，研究桥墩柱在三类地震作用下的反应，以及钢筋锈蚀对结构地震响应的影响.针对近场脉冲地震对结构进行增量动力分析（Incremental dynamic analysis， IDA），得到结构的IDA曲线和近场地震作用下钢筋锈蚀对结构抗震性能的影响.分析结果表明，在考虑钢筋锈蚀因素时，近场脉冲地震对结构抗震性能影响最为显著，在结构抗震设计中应引起注意.

关键词：钢筋锈蚀；钢筋混凝土桥墩；OPENSEES；近场地震；增量动力分析

中图分类号： P315.9；TU375.3 文献标识码：A

混凝土中的钢筋锈蚀是钢筋混凝土结构使用周期中存在的一个普遍问题，是影响结构耐久性和安全性的重要因素.特别是对于处在海洋环境下和寒冷地区的混凝土桥梁结构，由于海水和除冰盐中氯离子的存在，混凝土开裂现象普遍存在，桥墩表面出现纵向锈蚀裂缝、受力钢筋断裂、钢筋骨架局部严重损坏等问题都严重影响桥梁结构的使用寿命和整体安全.钢筋锈蚀主要表现为纵向受力钢筋锈蚀，局部箍筋锈蚀甚至断裂以及钢筋骨架的局部锈蚀损坏.这些将会使混凝土产生沿纵筋发展的锈胀裂缝、降低甚至使箍筋失去约束作用、导致混凝土保护层剥落、构件承载力降低，直至危及整个结构的受力安全.例如，加拿大蒙特利尔市迪克森大街的立交桥，1959年建成，由于冻融循环影响和除冰盐的使用，造成桥底板钢筋严重锈蚀，1994年即由于桥底板混凝土严重分层停止使用，于1999年拆除＼[1＼].我国1980年建成的北京西直门立交桥，由于长期使用除冰盐，仅使用20年就使得部分梁柱锈蚀严重甚至危及桥梁结构安全，已于1999年拆除重建＼[2＼].

处在地震区的桥梁结构，同时受到钢筋锈蚀和地震灾害的威胁，因此有必要研究锈蚀钢筋混凝土构件的抗震性能，以评价其结构的抗震安全性，避免其在地震时发生倒塌破坏.汪梦甫＼[3＼]在研究中提到，断层距R≤15 km的地震属于近场地震；震级M≥5.6级，原始记录PGA≥0.2 g，PGV≥20 cm/s的地震，动力脉冲效应显著，对结构震害形成影响较大.因此，很有必要考虑结构在不同类型地震作用下的响应.

目前，国内外虽然也进行过不少关于锈蚀柱抗震性能的试验研究＼[ 4- 6＼]，但主要集中在矩形截面的钢筋混凝土柱，对于桥梁结构中大量使用的圆截面柱很少涉及.贡金鑫等＼[7＼]是为数不多的进行了钢筋锈蚀圆柱抗震性能试验的学者，构件也仅限于较小的尺寸（圆柱直径260 mm），与实际工程中桥墩柱的尺寸规模有较大差距.由于对试验设备的要求较高，大尺寸桥墩柱的往复荷载试验往往很难进行，更不用说振动台试验，因此，采用非线性分析软件对这类构件进行模拟计算成为了一种有效的研究手段.

本文以钢筋混凝土桥墩柱为对象，通过非线性动力时程分析和增量动力分析，得到了桥墩柱在钢筋锈蚀前后的地震响应，为发生钢筋锈蚀的桥墩抗震性能评估提供理论依据.

1锈蚀钢筋混凝土构件的模拟

对于钢筋锈蚀在钢筋混凝土构件和结构中的普遍性及危害性，国内外的很多学者已经做了大量研究，形成了一些共识.Tuutti＼[8＼]发现，钢筋表面聚集高浓度氯离子的位置将发生局部锈蚀，即“坑蚀”，而混凝土的碳化是大多数均匀锈蚀产生的原因，这是钢筋锈蚀最主要的两种形式.

1.1混凝土中钢筋锈蚀的影响

钢筋混凝土构件中钢筋的锈蚀情况，通常采用钢筋平均质量损失率或平均截面损失率作为评估指标.由于坑蚀所产生锈坑的分布无规律，测量比较困难，故通常利用钢筋的质量损失作为锈蚀程度的评价标准.由此得到的钢筋平均质量损失率相当于将锈蚀按照均匀锈蚀考虑，在这个前提下，钢筋的平均质量损失可以等效于其平均截面损失.

在布雷西亚大学（University of Brescia）结构工程试验室完成的锈蚀钢筋受拉试验结果的基础上，Cairns等＼[9＼]进行了性能参数研究，定性地得到了钢筋主要力学性能参数随锈蚀率变化的基本规律，如图1所示.

图1显示，随着平均截面损失（即锈蚀因素的影响）的增大，锈蚀钢筋的极限拉应力减小.锈蚀钢筋的名义屈服强度随锈蚀程度的增加而降低，但其下降幅度小于极限强度.而钢筋的抗拉强度受其最小截面控制，因此强度的下降比其平均截面的下降更为迅速.同时，锈蚀钢筋延性的下降又比强度的降低更显著.

式中：fy， fu分别表示屈服强度和极限抗拉强度，基于原始截面；fy0，fu0分别表示未锈蚀钢筋的屈服强度和极限受拉强度；αy，αu为经验系数.文献＼[9＼]对10组不同学者所做试验的结果进行了统计分析，发现αy的平均值为0.01.通常情况下，αy或αu的值取0.01代表均匀锈蚀；超过0.01则反映非均匀锈蚀的影响.Du等＼[10＼]建议取αy=0.005.为了既不过分削弱钢筋的锈蚀后性能，又能考虑到坑蚀相对于均匀锈蚀的严重性，本文取αy=0.015.

1.2钢筋锈蚀模型验证

本文采用非线性有限元软件OPENSEES＼[11＼]对文献＼[7＼]中的锈蚀钢筋混凝土圆柱往复荷载试验结果进行模拟.使用非线性梁柱单元（nonlinear beamcolumn element）中基于位移的单元（Displacement Based BeamColumn Element） 建模，该单元基于位移方程且考虑沿单元长度方向的塑性分布.将柱截面划分为一系列非弹性纤维单元，同时将单根柱构件沿柱高划分为多个计算单元，在柱底部塑性铰形成区域单元节点间距减小，上部区域节点间距较大.