氯离子侵蚀对RC与UHPC墩抗震性能影响对比研究

陈明玉

(湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410082)

0 引言

钢筋混凝土(RC)结构的材料价格低廉和结构设计理论相对成熟，因此在桥梁工程中被广泛采用。随着我国经济的发展，交通基础设施建设逐渐朝海洋、盐碱地等环境恶劣地区发展。目前，我国相继建成了东海大桥、杭州湾跨海大桥、胶州湾跨海大桥、港珠澳大桥等大型跨海工程。然而RC结构的耐久性问题在服役过程中逐渐显现，尤其是建设于海洋、盐碱地等恶劣环境中的桥梁工程。海洋中富含无机盐，其中氯盐含量超过90%。在氯离子的长期侵蚀下，受其影响最大的桥墩表面混凝土被蚀剥，钢筋锈胀，结构承载能力下降，严重影响了桥梁的使用寿命。超高性能混凝土(UHPC)的材料性能优异，其抗压强度是普通混凝土的5～6倍，抗拉强度达30～60 MPa，同时具有超高的抗氯离子渗透、抗碳化及耐磨性能，可作为普通混凝土理想的替代材料。

各国学者对混凝土桥墩的氯离子侵蚀效应展开相关研究工作。DURACRETE模型[1]在Fick第二定律的基础上考虑氯离子扩散系数的时变特性，同时综合材料、环境等因素，提出了改进的氯离子扩散模型。王月[2]对不同时间点的活性粉末混凝土进行研究，测得了其氯离子扩散系数。李涛[3]对UHPC中的钢筋锈蚀进行研究，通过电化学快速锈蚀试验，得到了UHPC的保护层开裂的钢筋锈蚀率的实测结果。RAO[4]等提出了用于氯离子侵蚀作用导致的钢筋混凝土桥墩的性能退化问题的非线性分析建模方法。李立峰[5]等对高墩桥梁在氯离子侵蚀作用下的地震易损性研究结果表明纵筋锈蚀会导致桥墩位移与曲率需求显著增加，地震易损性增大。

本文以海洋环境下的三跨连续箱梁桥为例，在保证外部尺寸一致、抗弯承载能力相近的前提下设计RC与UHPC两种桥墩截面，对钢筋初始锈蚀时间和保护层锈胀时间以及材料退化性能展开研究，采用OpenSees软件建立非线性动力有限元模型，基于易损性定量对比分析氯离子侵蚀作用对RC和UHPC桥墩抗震性能的影响。

1 算例介绍

算例为一座3×70 m连续箱梁桥，桥墩尺寸布置如图1所示。桥墩采用空心墩，墩高20 m。纵筋采用22 mm直径的HRB400钢筋，箍筋采用12mm的HRB335钢筋。两种材料桥墩截面主要参数如下：RC、UHPC桥墩截面保护层厚度分别为60 mm和25 mm，箍筋体积配箍率分别为0.86%和1.38%，纵筋配筋率分别为0.98%和3.19%。

2 氯离子侵蚀效应理论与计算

氯离子对混凝土桥墩的侵蚀过程以钢筋开始锈蚀、保护层开裂和保护层剥落为分界点[6]，分为扩散阶段、锈蚀阶段和退化阶段(见图2)。

图2 氯离子侵蚀过程示意图Figure 2 Process of chloride ion corrosion

2.1 氯离子扩散规律

氯离子在普通混凝土和UHPC中的扩散行为均符合Fick第二定律[2]，其计算模型为：

(1)

式中：Cs为混凝土表面氯离子浓度(%)；erf为误差函数。

Duracrete模型提出了考虑多因素影响的氯离子扩散系数计算方法：

Dc=kektkcD0(t0/t)n

(2)

式中：D0为氧离子扩散系数，取龄期为t0(28 d)时的实测值；ke、kt、kc分别为环境影响、试验方法和养护条件的修正系数；n为时间衰减系数。

Duracrete模型中假定混凝土表面氯离子浓度为与环境和混凝土材料相关的定值：

Cs=Acsw/b+εcs

(3)

式中：Acs和εcs为与环境相关的参数；w/b为水胶比。

2.2 钢筋初始锈蚀时间

钢筋表面氯离子浓度达到锈蚀临界值Ccr时，钝化膜被破坏，钢筋开始锈蚀，由式(4)计算可得钢筋的初始锈蚀时间：

(4)

式中：dc为保护层厚度。

对于RC墩的氯离子侵蚀参数，Duracrete模型以大量试验数据为基础给出了参考取值，限于篇幅，本文不详细列出各参数的参考取值表格，本文所需参数及取值结果如表1所示。

表1 氯离子侵蚀参数分布表Table 1 Distribution of chloride ion corrosion parameters桥墩类型参数分布类型均值标准差Acs/%正态分布7.7581.36εcs正态分布01.105keGamma分布0.9240.155kt正态分布0.8320.024kcBeta(A=0.4,B=1.0)0.7930.102RCnBeta(A=0,B=0.98)0.3620.245D0/mm2·(yr)-1 正态分布220.925.4Ccr/%正态分布0.80.1db/mm定值(箍筋保护层)60—ds/mm定值(纵筋保护层)72—w/b定值0.4—Cs/%正态分布0.50.1Ccr/%正态分布0.140.01UHPCDc/[mm2·(yr)-1]正态分布8.1620.374db/mm定值25—ds/mm定值37—w/b定值0.2—

本文以基于Fick第二定律的标准氯离子扩散模型对UHPC墩的氯离子扩散过程进行分析。主要参数及取值依次说明如下：

① 扩散系数Dc：本文UHPC的氯离子扩散系数取文献[2]在360 d时的实测值8.162 mm2/yr。

② 表面氯离子含量Cs：该值约为混凝土质量的0.5%～0.7%[7]，且与水胶比正相关，UHPC的水胶比较普通混凝土小，本文取0.5%。

③ 临界氯离子浓度Ccr：该参数受混凝土材料和环境影响较大，其值一般为混凝土质量的0.12%～0.14%[8]，UHPC水胶比低、掺辅助胶凝材料有利于延缓钢筋锈蚀，故取0.14%。

根据上述参数，可以确定RC墩和UHPC墩的氯离子侵蚀的钢筋初始锈蚀时间。采用Monte-Carlo抽样方法对RC墩和UHPC墩建立10 000组氯离子侵蚀参数样本，得到RC墩和UHPC墩的钢筋初始锈蚀时间的概率分布如图3所示，RC墩采用对数正态分布拟合效果良好，UHPC墩采用广义极值分布拟合效果较好。RC墩箍筋和纵筋的初始锈蚀时间分别取相应的对数正态分布拟合的均值换算时间为20.57 a和28.41 a；同理，UHPC墩的箍筋和纵筋初始锈蚀时间分别取为29.97 a和65.24 a。

图3 钢筋初始锈蚀时间分布

2.3 钢筋锈蚀规律

氯离子导致钢筋表面碱性弱化而形成一个电化学反应环境，进而发生锈蚀。为量化研究钢筋的锈蚀规律，即图2的折线部分，需确定钢筋的锈蚀速率和导致保护层锈胀的临界钢筋锈蚀深度。

2.3.1钢筋锈蚀计算

钢筋锈蚀的表现主要是直径减小。钢筋在发生锈蚀后的t时刻，锈蚀深度按下式计算：

式中：δs为锈蚀深度mm;λ为锈蚀速率mm/a；δcr为保护层锈裂时的临界锈蚀深度,mm;tcr为保护层锈裂时的时间，a。

钢筋锈蚀模型大多是基于电流密度建立。钢筋在保护层锈裂前后的锈蚀速率可按下式计算[9]：

(6)

式中：icor(t)为电流密度,μA/cm2。

LIU[10]等的在5 a时间中对44个试件进行2 927次测量，通过对实测数据的统计分析得到钢筋锈蚀电流密度与钢筋表面氯离子浓度C(kg/m3)、钢筋表面温度T(K)、 保护层电阻Rc(Ω)和钢筋锈蚀时间t(a)相关的计算模型：

lnicor=8.617+0.618 lnC-3 034/T-

0.000 105Rc+2.32t-0.215

对于本文算例，钢筋表面温度取值参考海洋环境年平均值，取293 K，保护层电阻参考文献[3]的实测值，取RC墩为1 500 Ω，UHPC墩为4 000 Ω。

2.3.2临界钢筋锈蚀深度

《混凝土结构耐久性评估标准》[11]对于普通混凝土保护层开裂的临界钢筋锈蚀深度按下式计算：

δcr=0.015(dc/ds)1.55+0.001 4fcuk+0.016

(7)

式中：dc为保护层厚度，mm；ds为钢筋直径，mm；fcuk为混凝土抗压强度，MPa。

式(7)对UHPC的适用性需要进行验证。采用该式(7)对文献[3]的UHPC开裂时钢筋锈蚀深度值进行预测，试件的保护层厚度为10 mm，钢筋直径12 mm，UHPC实测抗压强度为138.9 MPa，预测结果为221.77 μm，实测结果为223.15 μm，误差为0.62%。

由计算结果可知，式(7)对UHPC试件的临界钢筋锈蚀深度预测效果良好，故采用式(7)对本文算例UHPC桥墩的保护层开裂钢筋锈蚀率进行预测。

2.4 材料性能退化

2.4.1钢筋性能退化

根据2.3节内容计算得RC墩箍筋、纵筋保护层开裂时间分别为34.91、37.72 a，UHPC墩箍筋、纵筋保护层开裂时间分别为50.52、87.46 a。

钢筋锈蚀不仅会导致几何尺寸退化，还会影响其材料强度。DU[12]等对锈蚀钢筋的试验数据进行统计分析得到锈蚀螺纹钢筋的屈服强度计算模型：

fy=(1-0.001 2ρs)fsk

(8)

式中：fsk为钢筋强度标准值,MPa；fy为锈蚀钢筋屈服强度,MPa；ρs为t时刻的钢筋锈蚀率,%。

箍筋和纵筋面积与屈服强度退化曲线如图4所示，由于钢筋面积和屈服强度均与钢筋锈蚀率成线性关系，故两者退化规律一致，以钢筋初始锈蚀和保护层开裂两个时间点为转折点，钢筋的锈蚀退化曲线呈三折线形式，开始锈蚀后较短时间内的钢筋锈蚀速率较快，之后趋于稳定，保护层开裂后的锈蚀速率大幅提高，并基本保持稳定。

(a) 箍筋

2.4.2混凝土性能退化

根据以上计算的箍筋锈蚀剩余面积和屈服强度，通过Mander约束混凝土模型[13]计算核心混凝土的退化规律如图5所示，约束混凝土强度在箍筋保护层开裂后的退化加快。

图5 约束混凝土强度退化曲线Figure 5 Confined concrete strength deterioration curves

3 基于OpenSees的桥墩易损性分析

地震易损性分析是描述结构在不同强度地震作用下发生某一程度损伤的概率。地震易损性可用如下形式表示：

(9)

(10)

式中:a和b为对数拟合系数，可根据回归分析确定。

此时，式(9)的对数标准差βD为：

(11)

式中:N为地震波数量；SD， j为第j条地震波作用下的构件地震需求。

本文按照震级和震中距划分从PEER数据库中随机分散选取100条地震波对算例桥梁进行分析，所选地震波的谱加速度如图6所示。

图6 地震波反应谱加速度图Figure 6 Acceleration diagram of seismic response spectrum

3.1 地震动强度指标

易损性分析中地震动强度指标的选择对分析结果准确十分重要。常用的指标类型有地震波峰值型：PGA、PGV和PGD；反应谱峰值型：PSA、PSV以及PSD；特定周期谱值型：SA等。本文算例桥梁周期为0.75 s，文献[6]研究表明，对于短周期桥梁采用结构自振周期对应谱加速度SA作为地震动强度指标较为合适。

3.2 损伤状态与指标

构件损伤状态的界定和损伤指标的选取对结果有着重要影响。

3.2.1损伤状态

桥梁的损伤状态常用的划分有无损伤、轻微损伤、中等损伤、严重损伤以及完全损伤5个等级[6]。其中轻微损伤为纵筋屈服、截面出现明显裂缝。

然而海工桥梁的保护层开裂会严重影响其耐久性。中国桥涵设计规范[14]对于RC桥墩的裂缝宽度限值为0.15 mm，法国规范[15]对于UHPC墩的裂缝宽度限值为0.1 mm。已有研究[16]表明当裂缝宽度达到上述限值时，受拉区纵筋尚未屈服。对海工桥梁的损伤状态按常用的等级划分显然不能满足其耐久性性能的要求。本文针对海工桥梁，以保护层开裂为损伤状态界定条件，在无损伤与轻微损伤之间新增耐久性损伤状态，于易损性分析中体现桥梁结构的耐久性性能要求。

3.2.2损伤指标

对于本文算例的规则桥梁，采用墩顶位移作为损伤指标。各损伤状态下的墩顶位移值通过OpenSees建立桥墩非线性模型进行Pushover分析得到。桥墩各损伤状态描述及指标如表2所示。

表2 损伤状态及对应损伤指标Table 2 Damage states and corresponding damage index损伤状态损伤描述损伤指标耐久性损伤保护层开裂,耐久性退化Δct≤Δ<Δy1轻微损伤纵筋屈服,保护层开裂严重Δy1≤Δ<Δy中等损伤塑性铰形成,截面刚度明显退化Δy≤Δ<Δc严重损伤桥墩水平承载力下降Δc≤Δ<Δu完全损伤核心混凝土压溃或受拉钢筋断裂Δu≤Δ

表中Δct为保护层开裂时的墩顶位移，以保护层混凝土达到初裂应变时的墩顶位移作为相应的损伤指标，RC墩保护层初裂应变取100 με，UHPC墩保护层初裂应变[16]取1 000 με；Δy1为纵筋屈服时的墩顶位移；Δy为桥墩水平力-位移曲线的等效屈服点对应的墩顶位移；Δc为桥墩水平力-位移曲线峰值对应的墩顶位移；Δu为核心混凝土压碎时或受拉钢筋断裂时的墩顶位移。

RC墩与UHPC墩的墩顶水平力与位移关系曲线见图7。以20 a为时间间隔，给出了RC墩和UHPC墩各7条墩顶水平力-位移曲线，其中RC墩服役20 a、UHPC墩服役20、40、60 a时的材料性能退化不明显，桥墩的承载力的降低程度几乎可以忽略，故在图中没有给出。由图7可知，随着材料的性能退化，桥墩的水平承载力下降，且RC墩的下降幅度大于UHPC墩，桥梁服役100 a，RC墩水平承载力下降29.4%，UHPC墩下降8.7%。

(a) RC墩

RC墩与UHPC墩的损伤指标随时间变化如图8所示。由图8可知，RC墩和UHPC墩的大部分损伤指标值逐年下降，且UHPC的各损伤状态的指标值高于RC墩；两种桥墩的耐久性损伤指标值变化较小，而UHPC的抗裂性能较好，其耐久性指标值高于RC墩；RC与UHPC桥墩的初始轻微损伤基本一致，这是由于两者截面外形尺寸一致且抗弯承载能力相近，故纵筋首次屈服的截面曲率基本相等，墩顶位移值相差很小；RC墩完全损伤指标在100 a前后变化趋势相反，这是由于前期箍筋退化对核心混凝土的极限压应变降低影响较大，后期箍筋退化严重，对核心混凝土影响有限，而纵筋退化对桥墩极限位移有积极影响；而UHPC墩的壁厚小，箍筋约束对混凝土强度的影响有限，其完全损伤状态取决于受拉钢筋，因此随着钢筋性能退化，墩顶极限位移随其下降。

(a) 损伤状态1

3.3 易损性曲线

采用OpenSees软件建立算例桥梁的非线性动力分析模型。桥墩单元采用非线性梁单元，混凝土材料本构采用Concrete04模拟，钢筋本构采用Steel02模拟。UHPC的本构关系参考单波[17]的研究成果。

由钢筋锈蚀退化分析结果可知，RC墩在服役20 a后性能开始明显退化，由桥墩损伤指标随时间变化分析结果可知，UHPC墩在前60 a性能几乎没有退化，故RC墩选取成桥时、40、60、80、100 a的时间节点进行分析，UHPC墩选取成桥时、80、100、120、140 a的时间节点进行分析。RC与UHPC桥墩的各损伤状态的时变易损性曲线如图9所示，其中严重损伤和完全损伤两种状态下的桥墩损伤概率很小，且限于篇幅，未列出相应结果，从左至右分别为RC墩、UHPC墩易损性曲线和指定损伤概率下的对比图。

(a) 耐久性损伤

由图9可知，桥墩在相同地震动作用下损伤概率随时间增长相应增加。耐久性损伤状态下，RC墩的损伤概率增加很小，几乎可以忽略，UHPC墩的损伤概率有小幅增长，但其值小于RC墩，在同一时间点，当两种桥墩的损伤概率为50%时，RC墩对应的地震动强度低于UHPC墩，更易产生损伤；轻微损伤状态下，两者初始的损伤概率相近，随着服役时间的增加，RC墩发生50%损伤概率所需的地震动强度降幅大于UHPC墩；中等损伤状态下，两者损伤概率随时间变化明显，其中RC墩的增幅大于UHPC墩，从成桥到服役100 a，RC墩损伤概率为50%所需的地震动强度下降0.222g，而UHPC墩降幅仅为0.058g。

4 结论

a.UHPC墩的钢筋初始锈蚀时间明显晚于RC墩，特别是对桥墩抗弯性能影响显著的纵筋；RC墩在纵筋锈蚀9.31 a后保护层锈胀开裂，UHPC墩保护层在纵筋锈蚀22.22 a后锈胀开裂，对于设计基准期为100 a的桥梁，采用UHPC墩有助于提高桥梁的耐久性，减少桥梁的维护成本。

b.桥墩水平承载力随着材料在氯离子侵蚀下的退化而下降，其中UHPC墩的下降幅度小于RC墩。

c.对于海洋环境中的桥梁，以保护层开裂来定义其耐久性损伤状态，在相同的地震动强度下，UHPC墩相较RC墩更不易发生耐久性损伤。

d.在同时考虑氯离子侵蚀和地震作用下，UHPC墩相比RC墩在常用损伤状态下的损伤概率小，且损伤概率随桥梁服役时间增长的变化较小，表现出良好的抗震性能。