摘要：文章基于地震易損性理論，以某一連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)楣こ瘫尘把芯苛瞬煌勰晗尴聵蛄航Y(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震性能的退化規(guī)律，建立了氯離子擴(kuò)散模型，并綜合混凝土和鋼筋的材料劣化機(jī)理和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度退化模型，提出了綜合考慮結(jié)構(gòu)性能退化的易損性分析模型。結(jié)果表明：當(dāng)服役年限低于25年時(shí)，氯離子侵蝕作用對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響較??；當(dāng)服役年限大于25年時(shí)，氯離子侵蝕作用會(huì)顯著影響橋墩的抗震性能，服役年限越長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)不同損傷狀態(tài)的超越概率越高，且當(dāng)?shù)孛娣逯导铀俣戎笜?biāo)越高，結(jié)構(gòu)性能退化對(duì)抗震性能的影響愈發(fā)明顯。

關(guān)鍵詞：橋梁工程；結(jié)構(gòu)抗震；易損性分析；氯離子侵蝕；性能退化

中圖分類號(hào)：U445.7A331114

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，公路橋梁等交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)日趨完善。近年來(lái)，由于全球范圍內(nèi)的地震災(zāi)害頻發(fā)，對(duì)公路橋梁等交通基礎(chǔ)設(shè)施造成了一定的破壞，橋梁工程的抗震性能評(píng)價(jià)成為專家學(xué)者日益關(guān)注的重點(diǎn)。地震易損性分析是評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震性能的重要依據(jù)，通過(guò)建立結(jié)構(gòu)的易損性分析模型，可以預(yù)測(cè)在指定地震動(dòng)強(qiáng)度范圍內(nèi)的，結(jié)構(gòu)達(dá)到或超越某種損傷狀態(tài)的概率。橋梁地震易損性分析方法能夠建立起橋梁結(jié)構(gòu)承載能力和失效概率之間的概率關(guān)系，對(duì)橋梁的加固設(shè)計(jì)策略具有重要意義。因此，準(zhǔn)確地建立橋梁結(jié)構(gòu)的易損性分析模型，是準(zhǔn)確評(píng)價(jià)橋梁抗震性能的前提條件。梁巖等為研究多跨連續(xù)剛構(gòu)橋的地震易損性，基于OpenSEES平臺(tái)建立了橋梁的非線性動(dòng)力有限元模型，分析得到了不同損傷狀態(tài)下橋墩、支座和橋臺(tái)等構(gòu)件的超越概率［1］；李佳璐等充分考慮了橋梁各構(gòu)件地震響應(yīng)參數(shù)的相關(guān)性，引入Nataf變換，提出了改進(jìn)的橋梁系統(tǒng)多維地震易損性分析模型，并結(jié)合工程實(shí)例驗(yàn)證了所提模型的合理性［2］；龍江等采用增量動(dòng)力分析的方法得到了某連續(xù)梁橋的地震易損性曲線，并對(duì)支座的抗震性能展開(kāi)了相關(guān)研究［3］；管嘉達(dá)等考慮了場(chǎng)地條件的特殊性和復(fù)雜性，針對(duì)流水沖刷、斷層、氯鹽等不同場(chǎng)地條件對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)地震易損性進(jìn)行了總結(jié)，分析了不同場(chǎng)地條件對(duì)橋梁地震易損性的影響［4］；萬(wàn)華平等基于系統(tǒng)地震易損性原理，深入研究了橋梁隔震支座的工作原理，根據(jù)支座抗震性能提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)方案［5］。此外，還有一些專家學(xué)者也從地震易損性的角度對(duì)橋梁抗震性能展開(kāi)了相關(guān)研究［6-7］。

綜上，橋梁地震易損性分析在橋梁抗震研究中是十分必要的。但實(shí)際工程中，橋梁往往沒(méi)有處于理想的服役狀態(tài)，環(huán)境因素對(duì)橋梁的侵蝕會(huì)在一定程度上影響橋梁的結(jié)構(gòu)性能，造成橋梁抗震能力下降的情況。本文基于地震易損性分析原理，在考慮氯離子侵蝕對(duì)結(jié)構(gòu)性能退化的基礎(chǔ)上，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件易損性展開(kāi)分析研究，可為橋梁結(jié)構(gòu)性能退化后的易損性變化規(guī)律提供一定的參考。

1 結(jié)構(gòu)易損性分析原理

1.1 易損性分析理論

傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震性能分析方法一般是選取幾條典型的地震波進(jìn)行確定性分析，該方法可以在一定程度上計(jì)算出結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震性能，但其不足在于現(xiàn)實(shí)中的地震波往往呈現(xiàn)出高度非線性和隨機(jī)性，使抗震分析結(jié)果存在一定的局限性。地震易損性分析是基于概率需求分析的方式建立結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震性能評(píng)估模型，其主要研究方向是評(píng)估結(jié)構(gòu)構(gòu)件在不同強(qiáng)度地震波下的結(jié)構(gòu)損傷超越概率。結(jié)構(gòu)構(gòu)件的易損性概率如式（1）所示。

式中：Pf——結(jié)構(gòu)構(gòu)件在地震下超過(guò)規(guī)定極限狀態(tài)的概率；

SD——地震需求，即結(jié)構(gòu)構(gòu)件在地震動(dòng)作用下的響應(yīng)；

LSi——結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷狀態(tài)為L(zhǎng)Si下的抗震能力；

IM——地震動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)。

1.2 地震易損性曲線的建立

基于地震易損性分析理論可以建立結(jié)構(gòu)構(gòu)件的時(shí)變地震易損性曲線。目前常用的易損性曲線建立方式包括反應(yīng)譜法、增量動(dòng)力分析法（IDA）、非線性時(shí)程分析法等。其中，非線性時(shí)程分析法建立的地震易損性曲線精度較高，在實(shí)際工程中應(yīng)用較廣。首先根據(jù)震中距和震級(jí)等指標(biāo)參數(shù)選取典型地震動(dòng)數(shù)據(jù)；其次建立橋梁的非線性有限元數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)篩選地震動(dòng)下的橋梁地震響應(yīng)展開(kāi)非線性時(shí)程分析，得到橋梁在不同地震作用下的動(dòng)力時(shí)程曲線，獲取橋梁的地震響應(yīng)峰值，即地震需求SD；再選取合適的地震動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)IM，建立該結(jié)構(gòu)在地震動(dòng)作用下的概率需求模型，確定IM和S[TX-*8]D之間的關(guān)系，并計(jì)算其他相關(guān)參數(shù)；最后根據(jù)式（2）建立結(jié)構(gòu)構(gòu)件的地震易損性曲線。具體流程如圖1所示。

結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)的準(zhǔn)確描述是精確計(jì)算易損性曲線的前提，本文采取輕微損傷、中等損傷、嚴(yán)重?fù)p傷和完全損傷4個(gè)狀態(tài)構(gòu)件損傷狀態(tài)，具體損傷指標(biāo)參考文獻(xiàn)［8］建立。

2 考慮氯離子侵蝕的結(jié)構(gòu)退化分析

2.1 氯離子擴(kuò)散模型

橋梁在運(yùn)營(yíng)階段受到不利環(huán)境因素的影響，混凝土或鋼筋等材料會(huì)受到化學(xué)腐蝕。在實(shí)際工程中，鋼筋銹蝕是結(jié)構(gòu)抗力衰減最顯著的原因，準(zhǔn)確地判斷混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋銹蝕機(jī)理，是判斷結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)的前提條件。鋼筋與混凝土之間的粘接作用為橋梁結(jié)構(gòu)提供了足夠的延性，但理想條件下的結(jié)構(gòu)狀態(tài)往往不能反映橋梁結(jié)構(gòu)的真實(shí)抗震性能，故對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行地震易損性分析時(shí)，需要考慮鋼筋銹蝕對(duì)結(jié)構(gòu)退化的影響。

對(duì)于不存在宏觀裂縫的橋梁結(jié)構(gòu)，氯離子的擴(kuò)散侵蝕作用是影響結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)退化的主要因素之一［9］。根據(jù)文獻(xiàn)［10］的研究，氯離子在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的侵蝕作用主要分為3個(gè)階段：擴(kuò)散階段、銹蝕階段和退化階段。擴(kuò)散階段的混凝土內(nèi)部氯離子濃度逐步升高，直至穿透保護(hù)層接觸鋼筋發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，開(kāi)始銹蝕作用，產(chǎn)生銹脹裂縫，導(dǎo)致保護(hù)層脫落，最終鋼筋完全裸露，材料性能顯著退化。

本文采用Duracrete模型描述氯離子侵蝕鋼筋致使材料性能退化的過(guò)程，Duracrete模型對(duì)氯離子擴(kuò)散的表達(dá)模型如式（3）所示。

3 工程算例

3.1 工程概況

以國(guó)內(nèi)某高速公路上一大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋橋?yàn)楣こ瘫尘?，設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為公路-Ⅰ級(jí)，橋梁跨徑組合為（70+130+70） m，主橋全長(zhǎng)270 m，各分跨線與道路設(shè)計(jì)線成正交90°。主墩為矩形雙薄壁墩，過(guò)渡墩為柱式墩。主梁采用C55混凝土，墩身采用C50混凝土，蓋梁、承臺(tái)、系梁、樁基等采用C30混凝土。主梁縱筋采用直徑12 mm、16 mm和20 mm的HRB335級(jí)鋼筋，箍筋采用6 mm、10 mm的R235級(jí)鋼筋。橋型布置如圖2所示。

采用有限元軟件建立結(jié)構(gòu)的非線性動(dòng)力分析模型，采用彈性梁?jiǎn)卧M主梁及墩柱構(gòu)件，考慮到地震動(dòng)的選取對(duì)橋梁地震易損性曲線的計(jì)算精度影響較大，本文充分考慮了地震破的隨機(jī)性，根據(jù)場(chǎng)地特性等信息從太平洋地震研究中心篩選出50條實(shí)測(cè)地震波，以地面峰值加速度（PGA）為地震動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)，地震動(dòng)強(qiáng)度篩選范圍為0.1～1.0 g。

3.2 地震易損性分析

如圖3～7所示分別給出了橋梁在服役0年、25年、50年、75年和100年下的橋墩地震易損性曲線。從圖3～7可以看出，橋梁在完全健康服役狀態(tài)下，當(dāng)?shù)孛娣逯导铀俣萈GA＜0.1 g時(shí)，受到損傷的概率較小，橋梁整體服役狀態(tài)仍較為健康，服役25年后，橋墩輕微損傷的概率仍＜10%，而當(dāng)服役年限＞25年后，橋墩受到輕微損傷的概率越來(lái)越高，且中等損傷概率也隨之增加，在服役100年后，橋墩中等損傷概率＞10%。

觀察橋墩嚴(yán)重?fù)p傷的易損性曲線變化規(guī)律可知，服役前25年，嚴(yán)重?fù)p傷的易損性曲線與輕微損傷、中等損傷存在明顯差距，當(dāng)服役年限＞50年后，PGA越大，嚴(yán)重?fù)p傷的超越概率與輕微損傷、中等損傷的超越概率越接近。

觀察橋墩完全破壞的易損性曲線變化規(guī)律可知，當(dāng)橋梁服役年限＜50年時(shí)，橋梁受到完全破壞的可能性較低，而當(dāng)橋梁服役年限＞50年后，完全破壞的概率增長(zhǎng)速率較快，且開(kāi)始出現(xiàn)完全破壞概率的橫坐標(biāo)顯著前移，由0.8 g提早至0.4 g，說(shuō)明結(jié)構(gòu)性能退化嚴(yán)重，當(dāng)PGA＞0.4 g時(shí)，結(jié)構(gòu)存在完全破壞的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)比不同服役時(shí)期完全破壞的易損性曲線可知，氯離子的侵蝕作用對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響十分明顯，當(dāng)結(jié)構(gòu)處于健康服役狀態(tài)時(shí)，PGA=1.0 g下結(jié)構(gòu)完全破壞的最大概率為3.6%，當(dāng)結(jié)構(gòu)服役100年后，該概率上升至58.5%，證明了氯離子對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震性能的影響不可忽視。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以某大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)楣こ瘫尘?，分析考慮了氯離子對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的侵蝕作用，建立了考慮結(jié)構(gòu)性能退化的橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件地震易損性分析模型，并進(jìn)行了計(jì)算分析，得到結(jié)論如下：

（1）氯離子對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件的侵蝕作用主要體現(xiàn)在對(duì)鋼筋的腐蝕，通過(guò)鋼筋腐蝕銹脹與混凝土間產(chǎn)生裂縫，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強(qiáng)度退化。

（2）建立了考慮結(jié)構(gòu)性能退化的易損性分析模型，引入處于服役狀態(tài)橋梁的結(jié)構(gòu)性能表征參數(shù)。

（3）分析了不同服役年限下PGA取0.1～1.0 g時(shí)的橋墩構(gòu)件地震易損性曲線，當(dāng)橋梁服役年限＜25年時(shí)氯離子侵蝕作用對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響較小，當(dāng)橋梁服役年限＞25年時(shí)結(jié)構(gòu)性能退化對(duì)橋梁抗震能力的影響較大，不同損傷的超越概率均大幅增長(zhǎng)。

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收稿日期：2023-10-13

作者簡(jiǎn)介：謝昌祺（1986—），工程師，主要從事高速公路工程項(xiàng)目施工管理和物資設(shè)備管理工作。