氯离子侵蚀下在役RC桥墩时效易损性研究

苟强　贾九荣　张悦　齐海鹏　孙拴虎

为研究氯离子侵蚀下在役RC桥墩的地震易损性，本文以除冰盐环境下的在役桥梁为研究对象，结合现场调研、桥梁检测以及理论分析对典型在役桥墩的材料性能劣化规律和桥墩在全寿命周期内的时效易损性展开研究，提出了除冰盐环境下氯离子扩散修正模型，建立了考虑材料性能劣化的在役桥墩地震易损性分析模型。结果表明：RC桥墩箍筋的初始锈蚀时间早于纵筋，箍筋的屈服强度比纵筋的屈服强度劣化的快;同一座桥梁，在不同的服役时间给它施加相同的地震力，桥墩在某种特定损伤状态下随服役时间的增加遭受到破坏的概率显著增大。在整个全寿命周期内桥墩在严重破坏时表现出较好的延性能力。

在役桥墩;氯离子;劣化模型;全寿命;地震易损性

TU422.

自改革开放以来，我国的经济得到了快速发展，各项基础设施的建设如雨后春笋般涌现出来。桥梁是交通的咽喉，在抗震救灾过程中具有举足轻重的地位。然而，随着我国公路桥梁事业的迅猛发展，再加之桥梁所处的环境比较恶劣，因此由于环境影响的桥梁病害越来越多。随着服役时间的推移，混凝土、钢筋等材料性能会发生退化，尤其是在环境氯离子的侵蚀下，钢筋混凝土材料性能劣化会更加严重。桥墩是支撑桥梁上部结构的重要构件，其抗震性能将直接影响到整座桥梁的安全性。

近年来，国外对在役结构的抗震性能研究较少，相比之下国内对在役结构的抗震性能研究较多，2015年，赵珺针对氯离子侵蚀的连续刚构桥，应用Fick第二定律得到了钢筋混凝土材料随服役年限的力学性能劣化规律，分析了不同氯盐环境下桥梁的抗震性能。2012年，李立峰等对多个桥梁的支座、桥墩和桥台等构件的地震易损性进行了分析，同时针对中小跨径桥梁的易损性进行了研究^]。現有的桥梁结构易损性评估主要是静态的，而对考虑材料性能劣化的桥梁结构时效易损性研究不多，亟需进行此方面的研究。

鉴于此，本文在归纳总结国内外研究现状以及发展动态的基础上，对在役钢筋混凝土桥墩的抗震性能进行研究，建立除冰盐环境下氯离子扩散修正模型，探究钢筋混凝土材料的劣化规律，分析典型在役桥梁结构的地震响应，提出考虑材料性能劣化的地震易损性分析模型，绘制在役桥墩的时效地震易损性曲线。

 

本文以Duracrete模型为基础，引入除冰盐环境影响修正系数，结合除冰盐环境的特点和大量的文献调研对模型中的参数进行合理定义，通过山西省祁临高速公路在役桥梁的氯离子含量现场检测数据求解的具体数值，以实体工程的现场检测数据为依据，使该模型对于除冰盐环境下混凝土结构氯离子扩散行为的研究具备一定的实用价值。

通过Duracrete模型反算出除冰盐环境影响修正系数如公式（2）所示，公式中各参数的取值见表1。

课题组依托项目，结合真实的检测数据，对山西省祁临高速公路沿线的兰村大桥等4座典型桥梁严格按照试验步骤钻孔取混凝土粉样，并在实验室对试样进行氯离子含量测定，得到不同深度处的氯离子含量，将所检测到的数据以及上文所确定的相关模型参数代入公式（2）并取平均值，得到针对于除冰盐环境下的环境影响修正系数`=0.845，标准差为0.06。

在同时考虑了混凝土表面氯离子浓度、氯离子扩散系数、环境影响修正系数等因素后，最终得到了除冰盐环境下的氯离子扩散模型如式（3）所示，该模型以服役时间和氯离子侵蚀深度为输入值，具有较高的实用性，下文的计算将以该模型为依据进行。

混凝土结构的钢筋初始锈蚀时间被定义为氯离子扩散至钢筋表面，达到临界浓度使钢筋开始锈蚀的时间。根据式（3），当扩散至钢筋表面的氯离子浓度等于钢筋的氯离子临界浓度时，扩散深度和保护层厚度相等时，可推导出除冰盐环境下混凝土结构的钢筋初始锈蚀的时间如式（4）所示：

采用OpenSees软件建立本文所选取的算例桥梁洪善公铁立交桥的有限元动力模型，本文采用弹性梁单元（Elastic Beam Column）模拟主梁结构，盖梁采用弹性梁单元模拟。桥墩截面主要由非约束混凝土纤维，约束混凝土纤维和钢筋纤维构成，具体在OpenSees中采用基于柔度法的非线性梁柱（nonlinear Beam Column）单元来完成建模。本文算例桥梁采用的墩柱为圆形桥墩，纤维划分如图8所

由图11和表4可知，当地震动峰值为0.2g时，桥梁在成桥阶段发生轻微破坏的概率为26%，桥墩服役40年后发生轻微破坏的概率达到58%，当达到设计年限100年时，桥梁发生轻微破坏概率超过85%，由此说明，桥梁的服役时间越长，在相同地震力作用下，桥墩在某种损伤状态下发生破坏的概率越大。

在整个全寿命周期内，相同地震作用下，在同一服役年限内，各损伤状态的易损性曲线之间存在着一定的间隔，从发生轻微破坏到严重破坏的概率值依次降低，说明桥墩在整个服役年限内均表现出较好的延性能力。另外桥墩在发生严重破坏和完全破坏之间的易损性曲线间隔较其他易损性曲线之间的间隔要大，说明当发生地震时，桥墩从严重破坏向完全破坏过渡时表现出更好的延性能力，即桥墩不会很快发生破坏，体现了建筑抗震中大震不倒的设防水准。

（1）以山西省祁临高速公路在役桥梁墩柱的氯离子含量检测数据为依据，并考虑除冰盐环境下各参数的取值，得到了除冰盐环境下的环境影响修正系数=0.845，提出了除冰盐环境下的氯离子扩散修正模型。

（2）结合氯离子侵蚀下钢筋混凝土材料性能退化模型，引入锈蚀钢筋直径、锈蚀钢筋屈服强度、保护层混凝土的抗压强度、约束混凝土峰值应变和极限应变等劣化因素，建立了考虑材料性能劣化的桥墩地震易损性分析模型：

（3）桥梁的服役时间越长，在相同地震力作用下，桥墩在某种损伤状态下发生破坏的概率越大。在整个全寿命周期内发生地震时，桥墩从严重破坏向完全破坏过渡时表现出更好的延性能力，即桥墩不会很快发生破坏。

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