康圣雨 姚可梅 張鵬飛

【摘 要】?為評估存在鋼筋銹蝕的簡支梁橋抗震性能，文章以某山區(qū)3×20 m的簡支梁橋為例，采用OpenSees建立了該簡支梁橋的非線性有限元模型，通過修正鋼筋混凝土材料的本構關系模擬鋼筋銹蝕;為考慮地震動的不確定性，根據(jù)橋梁場地類型選取了100條地震動記錄對有限元模型進行了地震響應分析，并采用概率地震需求模型方法建立了鋼筋銹蝕橋墩的地震易損性曲線。通過易損性曲線的對比可知：簡支梁橋地震易損性隨鋼筋銹蝕率的增大而增大;鋼筋銹蝕率在0～10 %時，橋梁地震損傷概率增量相對較小。

【關鍵詞】鋼筋銹蝕; 簡支梁橋; 公路; 地震易損性分析

混凝土結構橋梁中，簡支梁因結構受力簡單、不受支座變位等影響、適用于各種地質情況、施工方便等優(yōu)點而被廣泛應用，但由于受工程結構使用環(huán)境的影響，混凝土結構的材料劣化越來越普遍，尤其是鋼筋銹蝕問題最為嚴重。目前，鋼筋銹蝕已成為全世界最為關注的耐久性問題之一，據(jù)統(tǒng)計，世界各國腐蝕問題引起的平均損失占各國國民生產(chǎn)總值的2 %～4 %，其中鋼筋銹蝕導致的損失占比達到40 %[1]。1999年統(tǒng)計顯示，我國由于鋼筋銹蝕造成的損失高達720～1440億元[2]。目前，我國混凝土橋梁占總橋數(shù)比例約90 %以上，且混凝土橋梁中的簡支梁橋占絕大多數(shù)[4]。隨著橋梁服役時間的增加，混凝土簡支梁橋的鋼筋銹蝕病害情況將逐漸惡化，嚴重時甚至影響橋梁的正常使用[5]。Chalk通過試驗證明[6]：鋼筋銹蝕后結構的耗能性能發(fā)生下降，而抗震設計規(guī)范中忽略了不同銹蝕程度的鋼筋橫截面損失、力學性能變化的影響，并指出鋼筋銹蝕后的結構在大地震中可能造成不可預知的后果。因此，為了更深入掌握鋼筋銹蝕對混凝土簡支梁橋抗震性能的影響規(guī)律，有必要對存在鋼筋銹蝕病害的混凝土簡支梁橋進行地震易損性分析。

本文以某一鋼筋混凝土簡支梁橋為例，通過修正鋼筋銹蝕后鋼筋混凝土材料的本構關系，采用OpenSees軟件建立了銹蝕鋼筋混凝土簡支梁橋非線性有限元模型。以橋墩曲率延性比作為橋梁結構的損傷指標，根據(jù)場地類型選取了100條地震波記錄，對不同鋼筋銹蝕率下的簡支梁橋進行非線性動力分析，通過分析鋼筋銹蝕橋墩的地震易損性曲線探討了銹蝕鋼筋混凝土簡支梁橋的抗震性能。

1 鋼筋銹蝕的考慮方法

銹蝕主要影響鋼筋和混凝土材料力學參數(shù)[7]，本文主要從鋼筋和混凝土兩個方面來考慮鋼筋銹蝕對混凝土簡支梁橋的影響。

1.1 銹蝕對鋼筋的影響

研究表明[8]：鋼筋銹蝕后，其名義強度和平均極限應變均會降低。本文采用Cairns等[9]在前人研究基礎上提出的銹蝕鋼筋本構關系模擬銹蝕鋼筋力學性能，修正后的鋼筋本構關系如圖1所示。銹蝕鋼筋的名義屈服強度、名義極限強度及極限拉應變的計算公式分別如下：

1.2 鋼筋銹蝕對混凝土的影響

鋼筋銹蝕對混凝土的影響主要體現(xiàn)在銹蝕箍筋的截面面積減小及力學性能退化導致箍筋對核心混凝土的約束性能指標下降，影響核心混凝土的本構關系[7]。此外，鋼筋銹蝕后的體積膨脹還將引起保護層混凝土的開裂或脫落[10-11]。因此，本文通過分別修正核心混凝土和保護層混凝土的本構關系來考慮鋼筋銹蝕對混凝土的影響。

核心混凝土本構關系的修正主要通過1.1節(jié)中的公式得到鋼筋銹蝕后箍筋的名義強度和極限應變，按照Mander 等建議的方法計算箍筋約束核心混凝土的效應。修正后的核心混凝土本構關系如圖2所示。圖中，f′cc，c為銹蝕后的核心混凝土峰值壓應力;εcc，c為銹蝕后核心混凝土峰值壓應力對應的壓應變;εcu，c為銹蝕后核心混凝土的極限壓應變。

保護層混凝土本構關系的修正主要采用Coronelli等[12]建議的公式計算鋼筋銹蝕對保護層混凝土的影響。修正后的保護層混凝土本構關系如圖3所示。圖中，圖中fco、fco，c分別為鋼筋未銹蝕、鋼筋銹蝕后保護層混凝土的峰值應力;εco、εco，c分別為鋼筋未銹蝕、鋼筋銹蝕后保護層混凝土的峰值壓應變;εcu、εcu，c分別為鋼筋未銹蝕、鋼筋銹蝕后保護層混凝土的極限壓應變。

2 鋼筋銹蝕的簡支梁橋地震易損性分析

2.1 工程概況

本文以我國某山區(qū)3×20 m的規(guī)則簡支梁橋為例，為討論鋼筋銹蝕對簡支梁橋抗震性能的影響，假設鋼筋銹蝕沿橋墩周長方向和豎向分布均勻，橋墩內所有鋼筋銹蝕情況相同[13]，鋼筋銹蝕率分別取為0 %、5 %、10 %、15 %、20 %。該橋上部結構采用C50混凝土，由12片空心板組成;空心板截面高度為0.85 m，中空心板寬度為0.99 m，邊空心板寬度為0.995 m。橋梁下部結構圓形截面雙柱墩，墩高16 m，墩徑160 cm，雙墩橫向間距700 cm，混凝土等級為C30，縱筋采用HRB335，箍筋采用HPB300，橋墩箍筋加密區(qū)間距為100 mm，非加密區(qū)間距為200 mm。橋墩中間設置一道系梁，尺寸為1 m×1.2 m。橋梁支座采用四氟乙烯滑板支座和板式橡膠支座。

該橋的非線性有限元模型采用OpenSees建立。由于在地震荷載作用下，主梁與蓋梁基本保持線彈性狀態(tài)[14]，因此，主梁和蓋梁采用彈性梁柱單元（ElasticBeamColumn element）模擬;支座選用線彈性彈簧單元模擬;易損構件橋墩和系梁，選取纖維梁柱單元（ForceBeamColumn element）;本文算例簡支梁橋的有限元計算模型如圖4所示。

2.2 鋼筋銹蝕的橋墩抗震能力分析

橋墩鋼筋銹蝕導致鋼筋混凝土材料性能劣化，進而使橋墩抗震能力下降。橋墩抗震能力可由截面彎矩-曲率分析得到[15]。本節(jié)通過得到的鋼筋銹蝕橋墩截面的彎矩-曲率曲線分析了不同鋼筋銹蝕率下橋墩的抗震能力變化情況。各鋼筋銹蝕率下的墩底截面彎矩-曲率曲線對比如圖5所示，相應的變化率如圖6所示。

圖5中的雙折線為等效彎矩-曲率曲線，由圖5、圖6可知：鋼筋銹蝕導致橋墩抗彎能力和延性明顯降低，進而影響橋梁的抗震能力，其原因在于本文同時考慮了縱筋和箍筋的影響，縱筋主要使橋墩抗彎能力下降，箍筋主要使延性顯著降低。與完好無損的橋墩相比，在本文所考慮的銹蝕程度范圍內，截面彎矩降低率最大為21.1 %;截面曲率下降率最大為18.3 %。由此可知進一步分析銹蝕橋墩地震易損性是很有必要的。

2.3 鋼筋銹蝕的橋墩地震易損性曲線

為了模擬地震動的隨機性，本節(jié)按照算例橋梁的場地類型，根據(jù)地震波選取原則[16]從中國國家強震動臺網(wǎng)中心中篩選出100條具有代表性的地震動記錄，采用增量動力分析法（Inceremental Daynamic Ananlysis，IDA）對鋼筋銹蝕簡支梁橋有限元模型進行縱橋向非線性動力時程分析，選用曲率延性比作為橋墩地震損傷指標[16]，通過概率地震需求模型方法計算得到橋梁地震損傷概率，并繪制了相應的易損性曲線，如圖7所示。

由圖7可知，發(fā)生鋼筋銹蝕后的橋墩在地震作用下對應各損傷狀態(tài)的超越概率均隨PGA的增大而增大;鋼筋銹蝕后，橋墩的地震損傷概率均大于未銹蝕的橋墩。在E1地震作用（PGA=0.4g）下，銹蝕率從低到高的橋墩發(fā)生中等損傷的概率依次為30.4 %、36.1 %、42.1 %、64.1 %、88.1 %，相對于完好橋墩而言，概率增量依次為5.7 %、11.7 %、33.7 %、57.7 %。由此可知，銹蝕率在0～10 %時，橋墩的地震損傷概率增量相對較小，銹蝕率在15 %～20 %時，橋墩的地震損傷概率增量相對更大，與銹蝕橋墩的抗震能力變化情況一致。

3 結論

基于已有的鋼筋銹蝕研究成果，綜合考慮有限元模型的準確性和合理性，建立了鋼筋銹蝕的簡支梁橋非線性有限元模型，并選取合理的地震動記錄進行動力時程分析，繪制了不同鋼筋銹蝕率下的簡支梁橋地震易損性曲線，得到的主要結論如下：

（1）鋼筋銹蝕對混凝土結構的影響主要體現(xiàn)在鋼筋和混凝土的力學性能出現(xiàn)退化，可通過修正鋼筋和混凝土的本構關系來模擬鋼筋銹蝕。

（2）鋼筋銹蝕將導致橋墩的抗彎能力和截面曲率顯著下降，從而使簡支梁橋的抗震能力退化;鋼筋銹蝕率在0～20 %范圍內，鋼筋銹蝕引起橋墩抗彎能力下降率最大為21.1 %，引起橋墩截面曲率下降率最大為18.3 %。

（3）隨著鋼筋銹蝕的不斷惡化，在地震作用下簡支梁橋對應各損傷狀態(tài)的超越概率在不斷增大;鋼筋銹蝕率在0～10 %時，橋梁地震損傷概率增大速度相對較緩。

（4）在E1地震作用下，鋼筋銹蝕率在0～20 %時，簡支梁橋發(fā)生中等損傷的概率最大可達88 %，與鋼筋未銹蝕的橋梁相比，其增量可達到57.7 %。

參考文獻

[1] 李剛. 基于鋼筋銹蝕的RC橋墩抗震性能演化分析及地震易損性評估[D]. 青島：青島理工大學， 2018.

[2] 何益斌，張超，鄧鵬，等. 銹蝕鋼筋混凝土橋梁結構地震易損性分析[J]. 北京工業(yè)大學學報. 2014， 40（8）： 1144-1150.

[3] https：//xxgk.mot.gov.cn/2020/jigou/zhghs/202006/t20200630_3321335.html.

[4] 韓璐璐. 基于地震易損性的既有簡支梁橋抗震加固研究[D]. 成都：西南交通大學， 2020.

[5] 丁亞碧. 祁臨高速在役混凝土橋梁耐久性評估及劣化后抗震能力分析[D]. 西安：西安建筑科技大學， 2017.

[6] Chalk A. Mechanical behavior of corroded reinforcing steel bars S500s tempcore under low cycle fatigue [J]. Construction and Building Materials， 2007， 21：1447-1456.

[7] 張偉. 鋼筋銹蝕對混凝土橋墩抗震能力影響的研究[D]. 石家莊： 石家莊鐵道大學， 2018.

[8] 張超. 銹蝕鋼筋混凝土框架結構地震易損性分析[D]. 長沙： 湖南大學， 2014.

[9] Cairns J， Plizzari G A， Du Y， et al. Mechanical properties of corrosion-damaged reinforcement. ACI materials journal， 2005， 102（4）：256-264.

[10] 成虎. 氯離子侵蝕鋼筋混凝土橋墩地震易損性研究[D]. 大連： 大連理工大學， 2019.

[11] Andrade C， Alonso C， Molina M J. Cover cracking as a function of bar corrosion： Part I-Experimental test[J]. Materials & Strictures， 1993， 26（8）： 453-464.

[12] Coronelli D， Gambarova P. Structural Assessment of Corroded Reinforced Concrete Girders： Modeling Guidelines[J]. Journal of Structural Engineering， 2004， 130（8）： 1214-1224.

[13] 陳昉健，易偉建. 銹蝕鋼筋混凝土柱抗震性能的非線性分析[J]. 地震工程與工程振動. 2014， 34（3）： 77-83.

[14] 陳力波. 汶川地區(qū)公路橋梁地震易損性分析研究[D].成都：西南交通大學，2012.

[15] 李立峰，吳文朋，胡思聰，等. 考慮氯離子侵蝕的高墩橋梁時變地震易損性分析[J]. 工程力學. 2016， 33（1）： 163-170.

[16] 何浩祥，李瑞峰，張小福.考慮鋼筋銹蝕影響的橋梁綜合時變地震易損性分析[J].應用基礎與工程科學學報，2018，26（1）：109-121.

3285501908209