李喜梅, 付阿雄

(1. 蘭州理工大學(xué) 防震減災(zāi)研究所, 甘肅 蘭州 730050; 2. 蘭州理工大學(xué) 甘肅省減震隔震國際合作研究基地, 甘肅 蘭州 730050)

世界各國地震實例表明:整個橋梁結(jié)構(gòu)中最容易遭受地震破壞的就是橋墩，橋墩的破壞已經(jīng)成為橋梁震害最主要特征.橋墩在服役期間不僅要承受上部荷載、車輛荷載和地震等突發(fā)荷載，同時還要承受所在自然環(huán)境的影響.鋼筋混凝土橋墩所面臨耐久性問題是由于遭受了氯離子浸蝕、凍融循環(huán)的作用.凍融循環(huán)作用不僅會造成混凝土構(gòu)件表面剝落，內(nèi)部劣化，同時還加速了氯離子的侵入,從而導(dǎo)致混凝土中的鋼筋過早脫鈍、銹蝕、剛度退化以及黏結(jié)力喪失.

因此現(xiàn)實中的橋墩在服役狀態(tài)下必然存在一定的損傷，由于耐久性不足導(dǎo)致的損傷，往往導(dǎo)致橋墩的承載能力退化，抵抗地震等自然災(zāi)害的能力下降.針對材料性能的退化對橋梁結(jié)構(gòu)性能的影響，不同研究者做出了許多研究成果.牛荻濤[1]基于腐蝕電化學(xué)原理，對銹蝕開裂后鋼筋的銹蝕量進行了分析，考慮環(huán)境條件對銹蝕速度的影響，提出了具體估計銹蝕量的公式；孫叢濤[2]通過試驗研究了海洋水下區(qū)、海洋潮汐區(qū)、海洋大氣區(qū)以及凍融條件下粉煤灰混凝土中氯離子擴散性能，基于可靠性理論對氯離子侵蝕環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)進行了壽命預(yù)測；吳慶[3]通過對模擬人工氣候環(huán)境和恒電流加速銹蝕的鋼筋混凝土構(gòu)件破型所得的56根銹蝕鋼筋進行拉伸試驗，研究兩種加速銹蝕方法對銹蝕鋼筋力學(xué)性能的影響；賈超[4]通過室內(nèi)凍融試驗研究得出了青島海灣大橋橋墩混凝土在凍融循環(huán)作用下的極限抗壓強度等力學(xué)性能指標隨不同凍融循環(huán)次數(shù)的衰退規(guī)律；祝金鵬[5]基于混凝土凍融試驗和混凝土細觀力學(xué)對混凝土凍融后的力學(xué)性能變化進行了研究；張志遠[6]綜合考慮了氯離子滲透作用機理和凍融循環(huán)作用，通過實驗結(jié)果，在已有基礎(chǔ)上給出了凍融循環(huán)下氯離子擴散模型；Xu[7]研究了凍融循環(huán)后鋼筋混凝土柱的抗震性能；邱春杰[8]采用混凝土全應(yīng)變旋轉(zhuǎn)裂縫模型模擬分析了單調(diào)荷載和低周反復(fù)荷載下受腐蝕墩柱的抗震性能；Hanjar[9]基于凍融和氯離子浸蝕環(huán)境下，研究其鋼筋和混凝土之間黏結(jié)性能退化規(guī)律.耐久性問題的研究集中在導(dǎo)致耐久性降低因素及劣化后靜力穩(wěn)定的研究；抗震性能的研究則主要集中在結(jié)構(gòu)無損傷的情況下，對于考慮材料劣化過程的抗震性能，研究相對較少.

以某三跨鋼筋混凝土梁橋為背景，采用材料性能退化的改變來探討該類橋梁在服役過程中抗震性能的變化，結(jié)果表明鋼筋和混凝土強度和剛度的降低對橋梁抗震性能有一定的影響，對設(shè)計人員有一定的參考和借鑒意義.

1 工程概況

以一座九跨鋼筋混凝土連續(xù)梁橋為例，該橋單孔跨徑為30 m，三跨一聯(lián)，在建模時選取其中一聯(lián)為分析對象，主梁截面采用6片單箱單室箱梁，每個箱梁頂部和底部尺寸分別為2.4、1 m，橋墩采用雙柱式矩形墩，長度為1.5 m，墩高9 m.主梁和蓋梁的混凝土強度為C50，墩的混凝土強度為C40.墩柱鋼筋采用HRB400，橋梁結(jié)構(gòu)所在地抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計基本加速度0.2g，設(shè)計地震分組為第三組，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.45 s，場地土類別為中硬土，建筑場地類別為Ⅱ類，橋梁設(shè)計基準期為100 a.

2 材料的本構(gòu)關(guān)系及性能指標

墩柱保護層混凝土采用GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[10]中素混凝土應(yīng)力-應(yīng)變表達式，保護層內(nèi)混凝土采用過鎮(zhèn)海[11]提出的箍筋約束混凝土方柱應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€模型，箍筋銹蝕過程中選用趙瑞華[12]通過試驗研究與理論分析得出的約束混凝土應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€模型.選用位移響應(yīng)作為材料性能退化后抗震性能的評估指標.

關(guān)于目標位移值的計算，采用如下計算方法[13]:

(1)

式中:εy為縱向鋼筋拉應(yīng)變；c為橋截面中和軸到混凝土外皮的距離；D′為橋墩一側(cè)混凝土外皮到另一側(cè)縱向鋼筋中心點的距離；Lp為等效塑性鉸長度；φy為塑性鉸的屈服曲率.

3 鋼筋混凝土材料劣化模型

3.1 混凝土劣化模型

混凝土抗壓強度標準值及彈性模量隨著凍融次數(shù)的退化規(guī)律[4]：式中

式中:fcu為混凝土抗壓強度標準值；E混凝土彈性模量均值；N為凍融循環(huán)次數(shù).

3.2 鋼筋劣化模型

根據(jù)吳慶[3]的研究，銹蝕鋼筋力學(xué)性能指標與鋼筋銹蝕率之間的定量關(guān)系計算如下：

當0<ρ%<5%時，

當ρ%>5%時，

式中:fy,c為銹蝕鋼筋名義屈服強度；Eu,c為銹蝕鋼筋名義彈性模量;fy0為未銹蝕鋼筋的屈服強度；Eu0為未銹蝕鋼筋的彈性模量.

二是要加快開展多線多梯級船閘聯(lián)合調(diào)度相關(guān)技術(shù)標準規(guī)范的研究和制定工作，統(tǒng)一軟硬件標準，規(guī)范多線多梯級船閘的聯(lián)合調(diào)度的管理工作。

選取橋梁服役期的4個時間點分別為25、50、75和100 a，分別計算地震響應(yīng)結(jié)果.4個時間段的材料力學(xué)性能劣化數(shù)據(jù)由式(2～7)計算公式得出，見表1.

表1 不同時間段鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)材料性能

4 數(shù)值模擬與分析模型

4.1 模型的建立

在有限元建立過程中，相應(yīng)的做了一些簡化.實際工程中，左右半幅橋為分離式，所以在模型中只取了對稱結(jié)構(gòu)進行計算.采用有限程序ANSYS建立橋梁有限元計算模型，主梁和蓋梁均采用Beam188單元模擬，支座采用Combin40彈簧單元模擬.墩柱采用混凝土和鋼筋分離式模型，混凝土單元采用Solide65，鋼筋單元采用Link10，不考慮其鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)滑移，橋墩底部不考慮樁-土互相作用，有限元模型見圖1.

4.2 地震波的選擇

選取地震波時應(yīng)考慮地震動強度，地震波的頻譜特性和地震波的持續(xù)時間這3個基本要素，實例橋梁為B類橋梁，根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計細則》，橋梁按9度設(shè)防.計算時采取ANSYS程序中完全瞬態(tài)非線性時程分析，地震激勵采用El-Centro地震波的南北分量及豎向分量，為了保證選擇的地震波符合實際橋梁，將El-Centro地震記錄幅值調(diào)整為0.4g.取地震波前30 s的持續(xù)時間，獲得調(diào)整后的地震波加速度時程曲線見圖2和圖3.

圖2 經(jīng)調(diào)幅后El-Centro地震記錄的橫向波Fig.2 Lateral wave of El-Centro seismic record after amplitude modulation

圖3 經(jīng)調(diào)幅后El-Centro地震記錄的豎向波Fig.3 Vertical wave of El-Centro seismic record after amplitude modulation

4.3 時程分析結(jié)果

選取結(jié)構(gòu)材料性能在無劣化的狀態(tài)下作為研究對象，分別輸入橫向加載、橫向和豎向加載、縱向加載、縱向和豎向加載4種工況地震響應(yīng)的加速度峰值為0.4g的El-Centro地震波，由非線性時程分析計算得到結(jié)構(gòu)在不同地震響應(yīng)下混凝土最大壓應(yīng)力、鋼筋最大拉應(yīng)力、墩頂最大位移見表2.

表2 非線性時程分析地震響應(yīng)結(jié)果

分別對比以上4種地震加載方式的結(jié)果可以看出，相同的地震波，不同的加載方式，結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)也不同.結(jié)構(gòu)在橫向加載下的地震響應(yīng)均比縱向加載更為明顯，而施加豎向地震波后，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力響應(yīng)將明顯增大，相比于縱向加載，橫向加載工況下結(jié)構(gòu)更為危險.所以計算結(jié)構(gòu)的材料性能劣化后的抗震性能時，選用使結(jié)構(gòu)更為危險的加載工況最為合適.此時，由公式(1)可以計算出墩頂屈服位移為123.37 mm.

4.3.1服役期達25 a時橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能分析

由圖4～6可知,服役期達25 a時橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)墩柱混凝土最大壓應(yīng)力為23.87 MPa，鋼筋最大拉應(yīng)力為358.72 MPa，而墩柱混凝土最大壓應(yīng)力部分出現(xiàn)在墩底.在地震荷載作用3.1 s時，橋梁的墩頂位移最大值為109.41 mm，查看表1可得，服役期達25 a時橋梁結(jié)構(gòu)的材料性能比初始服役時材料性能減弱.此時，鋼筋抗拉強度減為380.97 MPa，混凝土抗壓強度減為24.48 MPa.地震響應(yīng)墩柱最大位移值在屈服位移值之內(nèi)，將計算所得的最大應(yīng)力和屈服強度做比較可以得出，服役期達25 a時結(jié)構(gòu)的材料性能均沒有達到屈服強度，滿足規(guī)范抗震設(shè)防的要求.

圖4 橋墩混凝土應(yīng)力云圖(MPa)Fig.4 Stress nephogram of pier concrete (MPa)

圖5 橋墩鋼筋應(yīng)力云圖(MPa)Fig.5 Stress nephogram of steel bar in pier (MPa)

圖6 墩頂位移時程曲線Fig.6 Time history curve of pier top displacement

由圖7～10可知，服役期達50 a時橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)墩柱混凝土最大壓應(yīng)力為22.84 MPa，鋼筋最大拉應(yīng)力為338.41 MPa，而墩柱混凝土最大壓應(yīng)力部分出現(xiàn)在墩底.在地震荷載作用4.4 s時，橋梁的墩頂位移最大值為122.03 mm，查看表1可得，服役期達50 a時橋梁結(jié)構(gòu)的材料性能比初始服役時材料性能減弱.此時，鋼筋抗拉強度減為338.41 MPa，混凝土抗壓強度減為22.84 MPa.地震響應(yīng)墩柱最大位移值在屈服位移值之內(nèi)，將計算所得的最大應(yīng)力和屈服強度做比較可以得出，服役期達50 a時結(jié)構(gòu)的材料性能已經(jīng)開始達到屈服強度，如圖9所示，50 a的開裂可知，墩柱底部出現(xiàn)了部分開裂現(xiàn)象，均為第一條開裂裂縫，橋墩整體未出現(xiàn)混凝土壓碎現(xiàn)象.

圖7 橋墩混凝土應(yīng)力云圖(MPa)Fig.7 Stress nephogram of pier concrete (MPa)

圖8 橋墩鋼筋應(yīng)力云圖(MPa)Fig.8 Stress nephogram of steel bar in pier (MPa)

圖9 橋墩混凝土開裂壓碎圖Fig.9 Cracking and crushing diagram of pier concrete

圖10 墩頂位移時程曲線

4.3.3服役期達75 a時橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能分析

由圖11～14可知,服役期達75 a時橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)墩柱混凝土最大壓應(yīng)力為20.24 MPa，鋼筋最大拉應(yīng)力為248.30 MPa，而墩柱混凝土最大應(yīng)力部分均出現(xiàn)在墩底.在地震荷載作用4.2 s時，橋梁的墩頂位移最大值為124.58 mm，由表1可得，服役期達75 a時橋梁結(jié)構(gòu)的材料性能比初始服役時材料性能減弱.此時，鋼筋抗拉強度減為248.30 MPa，混凝土抗壓強度減為20.24 MPa.地震響應(yīng)墩柱最大位移值大于屈服位移值，將計算所得的最大應(yīng)力和屈服強度做比較可以得出，服役期達75 a時結(jié)構(gòu)的材料性能均已達到屈服強度，由圖13可知，相比于50 a橋墩出現(xiàn)了第二條和第三條裂縫，大部分為開裂后閉合的第一條裂縫，橋墩表面第一條裂縫基本延伸至墩頂，第二條裂縫只局限在墩底，在墩底出現(xiàn)少量的混凝土壓碎現(xiàn)象，第三條裂縫擴展至橋墩中部，而橋墩整體沒有出現(xiàn)混凝土壓碎現(xiàn)象.

圖11 橋墩混凝土應(yīng)力云圖(MPa)Fig.11 Stress nephogram of pier concrete (MPa)

圖12 橋墩鋼筋應(yīng)力云圖(MPa)

圖13 橋墩混凝土開裂壓碎圖Fig.13 Cracking and crushing diagram of pier concrete

圖14 墩頂位移時程曲線Fig.14 Time history curve of pier top displacement

4.3.4服役期達100 a時橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能分析

由圖15～18可知,服役期達100 a時橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)墩柱混凝土最大壓應(yīng)力為16.68 MPa，鋼筋最大拉應(yīng)力為157.16 MPa，而墩柱混凝土最大壓應(yīng)力部分均出現(xiàn)在墩底.在地震荷載作用4.7 s時，橋梁的墩頂位移最大值為133.86 mm.查看表1可得，服役期達100 a時橋梁結(jié)構(gòu)的材料性能比初始服役時材料性能減弱.此時，鋼筋抗拉強度減為157.16 MPa，混凝土抗壓強度減為16.68 MPa.地震響應(yīng)墩柱最大位移值已經(jīng)超過了屈服位移值，將計算所得的最大應(yīng)力和屈服強度做比較可以得出，服役期達100 a時結(jié)構(gòu)的材料性能均已經(jīng)達到屈服強度.圖17可以看出，100 a的開裂可知，與75 a的開裂情況相比，橋墩底部混凝土開裂繼續(xù)加劇，第一、二、三條裂紋繼續(xù)向上延伸，貫穿整個橋墩，橋墩整體出現(xiàn)了裂縫并伴隨有較多混凝土壓碎的情況.

圖15 橋墩混凝土應(yīng)力云圖(MPa)

圖16 橋墩鋼筋應(yīng)力云圖(MPa)Fig.16 Stress nephogram of steel bar in pier (MPa)

圖17 橋墩混凝土開裂壓碎圖Fig.17 Cracking and crushing diagram of pier concrete

4.3.5不同時間段材料性能劣化后橋梁抗震性能分析

由于結(jié)構(gòu)隨著服役時間的增長，鋼筋抗拉強度和彈性模量均在減少.由屈服移位計算方法可知，屈服位移變化很小，假定依然不變.與各個時間段的墩頂最大位移相比較可知，結(jié)構(gòu)服役25 a和50 a時，沒有達到其屈服位移，服役75 a和100 a時結(jié)構(gòu)已經(jīng)達到其屈服狀態(tài).各個時間段分析結(jié)果見表3.

根據(jù)不同性能水準下墩頂位移限值與鋼筋材料拉應(yīng)變的關(guān)系式[10]，可以計算出結(jié)構(gòu)服役各個時間段的目標位移值分別為137.08、136.56、131.72、123.24、115.67 mm.目標位移與結(jié)構(gòu)地震位移響應(yīng)進行對比.

由圖19分析可知25、50 a可以滿足抗震性能要求，服役75 a結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)位移已經(jīng)達到目標位移，100 a時結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)位移已經(jīng)超過目標位移.所以75 a后期結(jié)構(gòu)處于危險期，很容易發(fā)生垮塌事故，建議要定時加固維修，以保證橋梁在使用壽命期間的安全性能.

圖19 墩頂位移對比Fig.19 Contrast of pier top displacement

5 結(jié)論

以三跨鋼筋混凝土梁橋為研究對象，采用有限元分析軟件ANSYS建立橋梁模型，考慮材料性能在各因素下劣化的情況，對橋梁結(jié)構(gòu)在服役期4個時間段下進行了非線性時程分析，可以得到以下結(jié)論:

1) 在地震荷載作用下，橋梁結(jié)構(gòu)服役50 a墩底部出現(xiàn)了部分開裂現(xiàn)象；服役75 a橋墩下半部分出現(xiàn)了裂縫，在墩底出現(xiàn)部分的混凝土壓碎現(xiàn)象；服役100 a橋墩整體出現(xiàn)了裂縫.

2) 橋梁結(jié)構(gòu)服役期25 a時，材料均沒有達到屈服；服役50 a時，材料雖然已經(jīng)開始屈服，但是在地震荷載作用下的位移響應(yīng)小于目標位移；服役75 a時，材料已經(jīng)達到屈服強度，結(jié)構(gòu)已經(jīng)達到目標位移；服役100 a時，結(jié)構(gòu)已經(jīng)超過目標位移.

3) 服役75 a后期為橋梁結(jié)構(gòu)的危險期，抗震性能劣化比較嚴重，需要及時進行科學(xué)的定量檢測，定時加固維修，以保證橋梁在使用壽命期間的安全性能.