Page 263 - 《振动工程学报》2025年第9期
P. 263

第 9 期              尹康帅，等：氯离子侵蚀作用下的典型钢筋混凝土梁桥时变抗震性能分析                                        2193

                  对于近海环境和盐湖环境中的桥梁，氯离子侵                          为没有显著影响。此外，还有研究者采用三维细观
              蚀作用导致的钢筋锈蚀是引起结构性能退化问题的                            有限元模型      [21] 、块体单元  [22] 、膜单元  [23]  等对锈蚀  RC
              主要因素    [1-3] ，严重危及桥梁的耐久性和安全性，需要                  结构进行建模，均取得了较好的模拟效果。
              得到足够重视。                                               基于此，本文以一座三跨            RC  连续梁桥为例，结
                  近年来，考虑材料性能劣化与地震的共同作用，                         合现有氯离子侵蚀钢筋混凝土的研究成果，确定纵
              对桥梁结构在全寿命周期内的抗震性能进行评估已                            筋、箍筋、保护层混凝土和核心混凝土性能的劣化
              经成为了研究热点。GHOSH             等 [4]  综合考虑氯离子         规律，其中箍筋性能的劣化表现为对核心混凝土约
              侵蚀作用造成的墩柱纵筋和钢支座性能劣化，进行                            束效果的减弱，以此构建氯离子侵蚀作用下的材料
              了时变地震易损性分析。DEY              等 [5]  提出了改进的钢        性能劣化模型。采用          OpenSees 建立了不同服役时间
              筋时变锈蚀率模型，并通过易损性方法对一座多跨                            点下的梁桥有限元模型，在考虑混凝土性能劣化的
              RC  连续梁桥的时变抗震性能进行评估。ZHONG                  等  [6]  基 础 上， 针 对 不 考 虑 钢 筋 极 限 拉 应 变 劣 化 和 采 用
              以一连续梁桥为例，研究了氯离子侵蚀导致的墩柱                            3  种不同的劣化关系模型考虑钢筋极限拉应变劣化
              纵筋锈蚀对桥梁结构地震易损性的影响，并综合考                            四种情况，通过截面弯矩-曲率分析和地震响应分
              虑施工和运营阶段，量化了桥梁在全寿命周期内的                            析，研究梁桥抗震能力和地震需求随服役时间的变
              地震风险。李超等         [7]  通过  Pushover 分析、增量动力        化规律。

              分析  (incremental dynamic analysis, IDA) 并结合易损性
              分析方法，对一近海连续刚构桥在全寿命周期内的
                                                                1    材  料  性  能  劣  化  模  型
              抗震性能做出评价。李立峰等              [8]  研究了氯离子侵蚀

              对钢筋和混凝土力学性能的影响，得出了材料性能
                                                                1.1    氯离子侵蚀过程
              劣化对高墩刚构桥抗震性能的影响规律。
                  然而，上述研究并没有考虑氯离子侵蚀作用下                              氯离子对钢筋混凝土结构的侵蚀过程主要分为
              钢筋极限拉应变的劣化特性。实际上，国内外大量                            两个阶段：(1) 扩散阶段：氯离子通过混凝土保护层
              拉伸试验的研究结果表明            [9-12] ，锈蚀钢筋的拉伸延性          向结构内部扩散，当钢筋表面的氯离子浓度达到临
              会随着锈蚀程度的增加而显著降低，锈蚀率相同时                            界浓度后，钢筋开始锈蚀，这一时刻为初始锈蚀时
              钢筋的延性损失要明显大于强度损失。此外，虽然                            间；(2) 劣化阶段：钢筋锈蚀进一步发展，混凝土保护
              很多研究者提出了钢筋极限拉应变与钢筋锈蚀程度                            层开裂，钢筋和混凝土力学性能发生劣化。
              的关系模型，但受到试件来源、测试方法、钢筋种                                初始锈蚀时间        T 0 是分析氯离子侵蚀过程的关
              类、统计回归方法等多种因素的影响，这些关系模                            键时刻，其概率分布可根据            DURACRETE   模型  [24]  进行
              型的形式和参数均不相同。DU               等  [9]  通过加速锈蚀       计算：
              试 验 获 取 试 件， 建 立 了 钢 筋 锈 蚀 率 与 极 限 拉 应 变                                               1
                                                                                   [   (       )] −2  1−n
                                                                                                   
                                                                             d 2                  
                                                                          
              之间的线性关系模型。张伟平等               [10]  从  3  种途径获取                  c       −1  C s −C cr     （1）
                                                                    T 0 = X I      erf            
                                                                           4k e k t k c D 0 t n   
                                                                          
                                                                                                   
              锈 蚀 钢 筋 试 件， 通 过 拉 伸 试 验 并 采 用 指 数 型 回 归                             0       C s
              模型得到了钢筋极限拉应变随锈蚀率的变化规律。
                                                                                C s = A cs (w/b)+ε cs     （2）
              BIONDINI 等  [13]  基 于  APOSTOLOPOULOS  等  [11]  的 锈
                                                                式中，X I 为氯离子侵蚀模型的不确定性系数；d c 为混
              蚀钢筋拉伸试验结果，得到了幂函数型的钢筋锈蚀
                                                                凝 土 保 护 层 厚 度； k e 为 环 境 系 数 ； k t 为 试 验 方 法 系
              率和极限拉应变的关系模型。此外，许多研究者通
                                                                数；k c 为养护系数；D 0 为参考时间         t 0 对应的经验扩散
              过 低 周 往 复 加 载 试 验 研 究 了 锈蚀      RC  柱 的 抗 震 性
                                                                系数，参考时间        t 0 一般取为  0.0767  年；n  为时间衰减
              能 [14-18] ，这些试验结果均表明：锈蚀导致的墩柱位移
                                                                        −1
              延性退化比抗弯承载力退化更为严重。                                 系数；erf (·) 为反误差函数；C s 为混凝土表面氯离子
                                                                       r
                  为准确模拟锈蚀        RC  结构在地震作用下的非线                浓度；C c 为钢筋锈蚀的临界氯离子浓度；w/b                为水胶
                                                                         s
              性行为，一些学者开展了数值模拟方面的研究。DIZAJ                        比；A cs 、ε c 为模型参数。报告       [24] 中将钢筋混凝土
              等 [19]  在前人试验研究的基础上，将锈蚀对钢筋和混                      构件的氯离子暴露环境划分为水下区、潮汐区、浪
              凝土力学性能的不利影响纳入到材料本构模型中，                            溅区和大气区四类，不同暴露环境下各参数的概率
              总 结 了 基 于 纤 维 单 元 的 锈蚀      RC  结 构 建 模 方 法 。     分布有所不同。

              DIZAJ 等  [20]  采用纤维单元建模，进一步研究了坑蚀
                                                                1.2    钢筋材料性能劣化
              空间变异性对锈蚀         RC  结构的影响，结果表明：是否
              考虑坑蚀的空间变异性对             RC  结构的整体非线性行                 在初始锈蚀时间后，钢筋锈蚀开始发展，锈蚀模
   258   259   260   261   262   263   264   265   266   267   268