近海环境下耐久性损伤刚构桥墩时变抗震性能分析

梁岩，任超，牛欢，李杰



近海环境下耐久性损伤刚构桥墩时变抗震性能分析

梁岩，任超，牛欢，李杰

(郑州大学 土木工程学院，河南 郑州 450001)

基于OpenSees平台，以全寿命周期内某近海刚构桥桥墩为例，考虑刚构桥墩墩顶约束条件，进行非线性时程分析，通过截面弯矩—曲率曲线分析氯离子侵蚀对桥墩抗震性能的影响。随着服役期延长桥墩耐久性损伤程度增大，材料力学性能不断退化，当服役期达到67 a时，保护层开裂；桥墩中仅箍筋发生锈蚀时，氯离子侵蚀对桥墩承载力和延性影响较小；当纵筋发生锈蚀后，墩顶最大位移随服役期的延长而增大，抗震性能明显降低。本文研究成果可为桥梁全寿命周期内抗震性能设计提供技术参考。

氯离子侵蚀；桥墩；抗震性能；滞回曲线

近年来，随着我国对基础设施建设力度的不断加大，近海桥梁工程建设日益繁荣。桥墩作为桥梁的主要抗侧力构件，其抗震能力直接关系桥梁结构的破坏程度以及震后救援工作能否顺利开展[1]。近海桥墩随着其服役期的增长，自身耐久性损伤问题也不断增多，氯离子对钢筋的锈蚀是导致钢筋混凝土结构性能退化的主要因素[2−5]。目前，针对氯离子侵蚀对RC桥梁结构抗震性能退化的问题，国内外学者进行了大量研究[6−9]。Carnot等[10]指出钢筋锈蚀会降低结构的强度和安全性。Simon等[11]研究了氯离子作用下钢筋锈蚀和混凝土保护层开裂对钢筋混凝土桥梁地震响应和易损性的影响。Choe等[12]建立氯离子侵蚀作用下钢筋混凝土柱的概率性承载能力退化模型，指出钢筋遭受侵蚀后混凝土柱的抗震性能降低。成虎等[1]指出受氯离子腐蚀作用的影响，较小的腐蚀率能导致桥墩的破坏概率明显提高。李超等[13−15]指出氯离子侵蚀会导致桥墩的抗震性能不断降低，结构整体易损性曲线超越概率不断增大。以往研究通常针对的是带支座的桥墩，未考虑墩顶约束作用，算例通常为中小桥，不能反映大桥及特大桥桥墩时变抗震性能。传统的桥梁结构设计理念假定桥梁的抗震性能在服役期内是一成不变的，这与实际情况显然不符，钢筋锈蚀导致结构性能退化是进行桥梁全寿命设计的首要问题。本文以实际桥梁为依托，建立钢筋直径和屈服强度的时变模型，分析混凝土保护层开裂时间。在此基础上利用OpenSees软件对桥墩截面弯矩—曲率()滞回曲线进行分析，研究不同服役时间点RC桥墩承载力和延性变化情况。同时选取3条地震波沿顺桥向输入，进行动力时程分析，通过RC桥墩的地震响应结果，研究近海环境下材料退化对RC桥墩整个服役期内抗震性能的影响。相关结论可为桥梁全寿命周期内抗震性能设计提供技术参考。

1 近海环境下钢筋锈蚀过程

针对海洋环境中不同区域氯离子的腐蚀特点，国内外学者将海洋腐蚀环境大致划分为4个区 域[16]：大气区、浪溅区、潮差区和水下区。本文针对大气区，其氯离子腐蚀特点是：结构表面因受盐雾的影响而累积较高浓度的氯离子，同时干湿交替也加速了氯离子的腐蚀效应。近海环境下RC结构抗震性能的退化过程大致分为3个阶段，如图1 所示。

扩散阶段氯离子已经渗入混凝土结构，但由于浓度较低，钢筋未发生锈蚀。随着结构服役时间的增长，混凝土中氯离子含量不断增大，当钢筋表面的自由氯离子浓度达到临界值时，钢筋开始锈蚀，结构开始进入传播阶段。在已知氯离子扩散系数、混凝土表面氯离子浓度以及临界氯离子浓度的条件下，根据Fick第二定律推导可得钢筋锈蚀的初始时间init，如式(1)所示：

式中：是混凝土保护层厚度；Cl氯离子扩散系数，erf1(*)是高斯误差反函数；s表示桥墩表面氯离子浓度；cr表示临界氯离子浓度。对于cr的取值，我国《混凝土结构耐久性评定标准》做出了规定，见表1所示。

图1 近海结构抗震性能退化过程

Fig. 1 Seismic capability degenerate process of offshore structure

表1 钢筋锈蚀临界氯离子浓度

当混凝土强度高于C40时，混凝土的强度每增加10 MPa，临界氯离子浓度按增加0.1 kg/m3。

随着钢筋锈蚀程度的不断增加，钢筋的屈服强度和直径都随之减小，其中屈服强度的时变模型可由式(2)描述[17]：

直径的时变函数如式(3)所示：

以上式中：yo是钢筋初始屈服强度；y是钢筋锈蚀以后的屈服强度；y对光圆钢筋取0.49；对螺纹钢筋取0.12，s0是钢筋初始直径；s是钢筋锈蚀后的直径。其中：corr是钢筋锈蚀损失的质量与钢筋初始质量的百分比，其值按式(4)计算。

式中：coor是氯离子腐蚀深度，根据李超等[13]提出的基于时变锈蚀电流密度的coor表达式[13]，如式(5)所示：

式中：/是水灰比；是混凝土保护层厚度；是钢筋开始腐蚀后的腐蚀时间。

随着钢筋锈蚀程度的不断加深，RC构件的混凝土保护层开裂，进入退化阶段，锈蚀产物锈胀作用使外围混凝土产生拉应力，当拉应力超过混凝土的抗拉强度时，RC构件的混凝土保护层产生裂缝，在这一阶段中，大量的氯离子、氧气和水通过保护层裂缝抵达钢筋表面，导致钢筋锈蚀率不断提高，裂缝持续扩展，当裂缝宽度大于1 mm时，构件的混凝土保护层会出现分层和剥落现象，混凝土构件耐久性达到极限状态。

2 桥墩有限元模型建立

本文算例选取我国某近海连续刚构桥桥墩，如图2所示。其中墩高36 m，墩顶两侧梁长均为60 m，该墩距海岸线60 m，材料所用混凝土为C50，纵筋和箍筋分别为直径32 mm和16 mm的HRB335级钢筋，纵向配筋率1.12%，体积配箍率为0.54%，混凝土保护层厚度为90 mm，场地条件为Ⅱ类场地，抗震设防烈度为7度。采用OpenSees建立RC桥墩的有限元模型，首先将其划分为节点和单元，其次定义节点约束、质量、材料、单元类型、截面、几何坐标转换、荷载类型及加载模式等。按照集中质量法建立结构的质量矩阵，将桥梁上部结构重量换算为墩顶节点质量，其余节点质量为各自墩身单元质量。由于该桥采用刚性扩大基础，因而假定墩底与基础之间固结。

考虑到墩顶与主梁固结，主梁对墩顶的边界约束计算简图，如图3(a)，通过强制位移分析可得到在顺桥向平面内主梁对墩顶的平动约束力(如图3(b))和转角约束力(如图3(c))。以此在OpenSees建模中利用零长度单元(Zerolength)来模拟主梁对墩顶约束作用。

单位：m

(a) 墩顶边界约束计算简图；(b) 墩顶平动约束力计算简图；(c) 墩顶转角约束力计算简图

由于桥墩在动力时程分析中需要考虑其弹塑性变形阶段，因此本文采用OpenSees中基于柔度法的弹塑性纤维梁柱单元来建立桥墩单元，同时，为了反映保护层混凝土、核心区混凝土以及钢筋材料的不同受力性能，将单元截面划分为无约束混凝土纤维、约束混凝土纤维和钢筋纤维，如图4所示。计算精度随纤维数目的增多而提高，但同时计算效率也会降低。计算表明，对于常见的截面形式，纤维数量达到40以上，即可得到满足计算要求的精度。

图4 截面纤维划分

3 RC材料劣化时变规律

由于我国缺乏近海大气混凝土表面氯离子浓度的实测资料，本文参考美国耐久性规范Life- 365[18]的规定，桥墩的表面氯离子浓度s取14.4 kg/m3。参考Val等[19]的研究成果，氯离子扩散系数cl取63.1 mm2/a，根据上一节的分析，氯离子临界浓度cr取1.5 kg/m3。通过式(4)计算可得，纵筋的初始锈蚀时间约为33.7 a，而箍筋约为24.3 a。

由式(2)和式(3)分别得到钢筋屈服强度和直径的时变模型，如图5和图6所示。

图5 钢筋直径时变曲线

为体现受氯离子腐蚀桥墩的抗震性能变化，选取该桥梁成桥时，服役时间30，60，90和120 a这5个时间点，将各个时间点处箍筋和纵筋的直径以及屈服强度分别列于表2和表3中。

图6 钢筋屈服强度时变曲线

表2 不同服役期箍筋的直径和屈服强度

表3 不同服役期纵筋的直径和屈服强度

其中，箍筋的时变效应主要体现为对核心区混凝土约束作用的减弱，核心区混凝土的本构关系则采用Mander模型，计算公式如下：

表4 约束混凝土的时变参数

考虑到RC桥墩保护层开裂问题，利用Vidal等[20]的研究成果，计算得到保护层裂缝宽度达到1 mm所需时间为66.5 a，可认为在此之后保护层失效，即不再考虑混凝土保护层对结构的作用。

图7 不同服役期墩底截面Μ−f曲线

4 抗震性能分析

通过对不同服役时间点算例桥墩进行非线性分析，绘制截面弯矩—曲率滞回曲线以及相应的等效双折线弯矩—曲率曲线，进而评估近海环境对桥墩抗震能力的影响。图7和图8为墩底和墩顶截面各服役时间点处的弯矩—曲率曲线对比情况。服役第30 a时，塑性铰区截面的曲线与成桥时基本一致，这是由于桥墩在服役第30 a时，仅箍筋发生锈蚀，纵筋还未发生锈蚀，此时氯离子腐蚀作用对桥墩的抗震能力影响不大。服役第60 a时，墩顶、墩底截面的等效屈服弯矩分别降低7.6%和13.1%，屈服曲率分别降低8.7%和1.5%，极限曲率分别增加8.2%和2.6%，墩顶、墩底截面的曲率延性比也比成桥时分别增加17.7%和4.1%。服役第90 a时，墩顶、墩底截面的等效屈服弯矩分别降低19.6%和19.4%，曲率延性比分别增加了32.5%和8.9%。服役第120 a时，墩顶、墩底截面的等效屈服弯矩分别降低21.9%和24.2%，曲率延性比分别增加了41.0%和11.8%，这是由于桥墩在服役后期，纵筋发生锈蚀，屈服强度减小，导致截面的屈服曲率随之降低，而极限曲率对应的是桥墩截面核心区混凝土的应变值达到极限压应变，纵筋屈服强度和直径减小，一定程度上导致桥墩截面的极限曲率增大。

图8 不同服役期墩顶截面Μ−f曲线

5 RC桥墩地震响应分析

5.1 地震波的选取

根据我国《公路桥梁抗震设计细则》(JTGT B02−01−2008)以及美国抗震设计规范的相关规定，从美国太平洋地震工程研究中心的强震数据库中选取3组强震地震波，采用其响应的最大值为代表值，1号，2号和3号地震波信息和加速度变化情况如表5和图9所示。

表5 地震波信息

5.2 桥墩地震需求影响分析

以成桥时、服役期第60 a和第120 a的桥墩为例，输入不同地震波，桥墩墩顶位移时程曲线、墩底截面的弯矩—曲率滞回响应曲线，如图10、表6、图11所示。

(a) 1号波；(b) 2号波；(c) 3号波

表6 墩顶最大位移

由图10及表6可知：随着桥墩服役时间的延长，最大墩顶位移逐渐增加，考虑材料退化后的峰值点出现时刻略有滞后，但相差不大。3条地震波作用下，1号波和2号波墩顶峰值位移出现时刻相比于3号波滞后，主要是由于3号波峰值加速度相比于1号波和2号波出现时刻较早，且能量释放较集中。

(a) 1号波；(b) 2号波；(c) 3号波

根据图11可知，随服役时间的延长桥墩最大弯矩明显下降，而其最大曲率随服役时间显著 上升。

综上所述，在氯离子腐蚀环境下，随着服役期时间的延长，算例桥墩在这3条地震波的作用下，材料退化对其地震响应的影响基本保持一致，最大墩顶位移有明显降低，最大墩底弯矩呈现较明显的下降趋势，但最大曲率显著增加。

(a) 1号波；(b) 2号波；(c) 3号波

6 结论

1) 随着服役时间的延长，近海桥墩耐久性损伤不断加大，材料力学性能不断降低，服役期达到24.3 a及33.7 a时箍筋和纵筋开始锈蚀，当服役期为约达到67 a时，保护层裂缝宽度达到1 mm，后续计算可不考虑混凝土保护层对桥墩的影响。

2) 近海桥墩仅箍筋发生锈蚀时，氯离子侵蚀对其承载力和曲率延性影响较小；随着服役时间的增长，纵筋锈蚀后，桥墩抗震性能随服役期延长而明显降低。

3) 地震作用下，近海桥墩墩顶最大位移随服役期的延长而增大，其位移需求随服役期延长而增加。桥墩最大弯矩值随服役期延长明显降低，而其最大曲率显著增大，地震作用下桥墩变形随服役期的延长而增大，抗震设计时应注意落梁风险。

[1] 成虎, 李宏男, 王东升, 等. 考虑锈蚀黏结退化的钢筋混凝土桥墩抗震性能分析[J]. 工程力学, 2017, 34(12): 48−58. CHEN Hu, LI Hongnan, WANG Dongsheng, et al. Seismic performance analysis of reinforce concrete bridge column considering bond deterioration caused by chloride ion induced corrosion[J]. Engineering Mechanics, 2017, 34(12): 48−58.

[2] 赵桂峰, 何双, 马玉宏, 等. 基于钢筋坑蚀效应的近海隔震桥梁易损性分析[J]. 中国公路学报, 2016, 29(8): 67−76. ZHAO Guifeng, HE Shuang, MA Yuhong, et al. Fragility analysis of offshore isolated bridge based on steel pitting corrosion effect[J]. China Journal of Highway and Transport, 2016, 29(8): 67−76.

[3] 乔巍, 姬永生, 张博雅, 等. 海洋潮汐区混凝土中氯离子传输过程的试验室模拟方法[J]. 四川建筑科学研究, 2012, 38(3): 224−229.QIAO Wei, JI Yongsheng, ZHANG Boya, et al．An accelerated simulation experimental method of transport process of chloride in concrete exposed to splash from seawater[J]. Sichuan Building Science, 2012, 38(3): 224−229.

[4] GUO A, YUAN W, LAN C, et al. Time-dependent seismic demand and fragility of deteriorating bridges for their residual service life[J]. Bulletin of Earthquake Engineering, 2015, 13(8): 2389−2409.

[5] 李立峰, 吴文朋, 胡思聪, 等. 考虑氯离子侵蚀的高墩桥梁时变地震易损性分析[J]. 工程力学, 2016, 33(1): 163−170. LI Lifeng, WU Wenpeng, HU Sicong, et al. Time- dependent seismic fragility analysis of high pier bridge based on chloride ion induced corrosion[J]. Engineering Mechanics, 2016, 33(1): 163−170.

[6] Akiyama M, Frangopol D M, Matsuzaki H. Life-cycle reliability of RC bridge piers under seismic and airborne chloride hazards[J]. Earthquake Engineering and Structural Dynamics, 2011, 40(5): 1671−1687.

[7] 朱杰. 受腐蚀钢筋混凝土墩柱的性能退化研究[D]. 上海: 上海交通大学, 2013. ZHU Jie. Degradation of capacity of the corroded reinforced concrete columns[D]. Shanghai: Shanghai Jiaotong University, 2013.

[8] YANG S Y, SONG X B, JIA H X, et al. Experimental research on hysteretic behaviors of corroded reinforced concrete columns with different maximum amounts of corrosion of rebar[J]. Construction and Building Materials, 2016, 121: 319−327.

[9] Alipour A, Shafei B, Shinozuka M. Performance evaluation of deteriorating highway bridges located in high seismic areas[J]. Journal of Bridge Engineering, 2011, 16(5): 597−611.

[10] Carnot A, Frateur I, Zanna S, et al. Corrosion mechanisms of steel concrete moulds in contract with a demoulding agent studied by EIS and XPS[J]. Corrosion Science, 2003, 45(11): 2513−2524.

[11] Simon J, Bracci J M, Gardoni P. Seismic response and fragility of deteriorated reinforced concrete bridges[J]. Journal of Structural Engineering, 2010, 136(10): 1273− 1281.

[12] Choe D E, Gardoni P, Rosowsky D, et al. Probabilistic capacity models and seismic fragility estimates for RC columns subject to corrosion[J]. Reliability Engineering System Safety, 2008, 93(3): 383−393.

[13] 李超, 李宏男. 考虑氯离子腐蚀作用的近海桥梁结构全寿命抗震性能评价[J]. 振动与冲击, 2014, 33(11): 70−77. LI Chao, LI Hongnan. Life-cycle aseismic performance evaluation of offshore bridge structures considering chloride ions corrosion effect[J]. Journal of Vibration and Shock, 2014, 33(11): 70−77.

[14] 柳春光, 任文静, 夏春旭. 考虑钢筋腐蚀的近海隔震桥梁地震易损性分析[J]. 自然灾害学报, 2016, 25(6): 120−129. LIU Chunguang, REN Wenjing, XIA Chunxu. Vulnerability analysis of offshore isolation bridges considering reinforcement corrosion[J]. Journal of Natural Disasters, 2016, 25(6): 120−129.

[15] 李宏男, 张宇, 李钢. 考虑氯离子腐蚀作用的近海桥梁结构地震反应分析[J]. 土木工程学报, 2015, 48(7): 112−122. LI Hongnan, ZHANG Yu, LI Gang. Nonlinear seismic analysis of offshore bridges considering chloride ions corrosion effect[J]. China Civil Engineering Journal, 2015, 48(7): 112−122.

[16] LIU Y, Weyers R E. Modeling the time to corrosion cracking in chloride contaminated reinforced concrete structures[J]. ACI Materials Journal, 1998, 95(6): 675− 681.

[17] DU Y G, Clark L A, CHAN A H C. Residual capacity of corroded reinforcing bars[J]. Magazine of Concrete Research, 2005, 57(3): 135−147.

[18] Violetta B. Life-365 service life prediction model[J]. Concrete International, 2002, 24(12): 53−57.

[19] Val D V, Pavel A T. Probabilistic evaluation of initiation time of chloride-induced corrosion[J]. Reliability Engineering System Safety, 2008, 93(3): 364−372.

[20] Vidal T, Castel A, Francois R. Analyzing crack width to predict corrosion in reinforced concrete[J]. Cement and Concrete Research, 2004, 34(1): 165−174.

Time varying seismic performance evaluation of durability damage rigid frame bridge in offshore environment

LIANG Yan, REN Chao, NIU Huan, LI Jie

(School of Civil Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China)

In this paper, we took an offshore rigid frame bridge pier as an example in the whole life cycle, considering the constraint conditions at the top of pier to do the nonlinear time history analysis based on the OpenSees, and analyzed the influence of chloride ion erosion on the seismic behavior of pier by the section moment curvature curve. The degree of damage of pier increases, and the mechanical properties of materials deteriorate with the extension of service period, and the protective layer cracks when the service period reaches 67 years; if only the stirrups in the pier are corroded, the chloride ion erosion has little effect on the capacity and ductility of the pier; when the longitudinal rebar are corroded, the maximum displacement at the top of the pier increases and the seismic performance decreases obviously with the extension of service period. The results in this paper can provide technical reference for the seismic design of bridges in the whole life cycle.

chloride ion erosion; pier; seismic performance; hysteretic curve

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2019.04.018

U441

A

1672 − 7029(2019)04 − 0968 − 08

2018−06−08

国家自然科学基金资助项目(51608488)

梁岩(1986−)，男，河南洛阳人，副教授，博士，从事混凝土结构抗震、耐久性等方面研究；E−mail：LYFEEL555@163.com

(编辑 阳丽霞)