考慮鋼筋銹蝕的鋼筋混凝土橋梁地震易損性分析

考慮鋼筋銹蝕的鋼筋混凝土橋梁地震易損性分析

鋼筋腐蝕是混凝土結(jié)構(gòu)性能惡化的主要原因。根據(jù)美國(guó)土木工程行業(yè)協(xié)會(huì)的研究，美國(guó)26%的橋梁結(jié)構(gòu)受損。根據(jù)拉赫德赫和其他在亞太地區(qū)進(jìn)行的研究，鋼筋腐蝕是導(dǎo)致工程結(jié)構(gòu)競(jìng)爭(zhēng)力惡化的主要原因。據(jù)推測(cè)，中國(guó)1999年1月，鋼筋侵蝕造成的損失達(dá)到720440萬(wàn)元。影響鋼筋腐蝕的主要外部因素包括氯鹽侵蝕、堿骨料反應(yīng)和鈣化。結(jié)果表明，鋼筋腐蝕可導(dǎo)致保護(hù)混凝土結(jié)構(gòu)的坍塌、鋼筋混凝土粘附結(jié)構(gòu)的退化、鋼筋延伸度的退化和鋼筋延伸度的退化。這些因素導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)的抗逆性差。因此，有必要研究鋼筋侵蝕對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)抗逆性的影響。連續(xù)梁橋是一種廣泛采用的橋梁形式,是重要的生命線工程.地震中橋梁的安全將直接影響抗震救災(zāi)的開(kāi)展.地震易損性分析是評(píng)估橋梁抗震性能的重要途徑.國(guó)內(nèi)外的學(xué)者已經(jīng)開(kāi)展了大量的橋梁結(jié)構(gòu)地震易損性研究,然而,對(duì)于銹蝕鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的易損性研究報(bào)道比較少.Simon等對(duì)一個(gè)單墩兩跨橋梁進(jìn)行了地震易損性分析,并考察了4種典型的鋼筋銹蝕損傷狀態(tài)下的橋梁結(jié)構(gòu)的地震易損性曲線,然而,其所采用的橋梁結(jié)構(gòu)非線性分析模型忽略了很多因素,如鋼筋延性退化、鋼筋混凝土黏結(jié)退化等.本文通過(guò)對(duì)一個(gè)簡(jiǎn)化的單墩體系進(jìn)行分析來(lái)考察鋼筋腐蝕損傷對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)地震易損性的影響.通過(guò)修正材料單軸本構(gòu)關(guān)系,建立可以較為全面考慮鋼筋銹蝕損傷的橋梁結(jié)構(gòu)非線性分析模型.定義不同鋼筋銹蝕率鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的4個(gè)損傷指標(biāo).考慮地震動(dòng)的不確定性,對(duì)不同鋼筋銹蝕率鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震易損性分析,并討論鋼筋銹蝕率對(duì)鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能影響.1健全與結(jié)構(gòu)模型相關(guān)的分析點(diǎn)點(diǎn)點(diǎn)易損性為不同強(qiáng)度地震作用下結(jié)構(gòu)達(dá)到各種損傷狀態(tài)的條件概率.橋梁結(jié)構(gòu)的地震易損性通常可以用易損性曲線來(lái)表示.本文采用基于可靠度概率分析方法形成易損性曲線,基本步驟如下:1)通過(guò)修正材料單軸本構(gòu)關(guān)系,建立銹蝕鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)非線性分析模型;2)根據(jù)場(chǎng)地類(lèi)型,選取50條地震波記錄,模擬地震動(dòng)的不確定性;3)分別建立不同鋼筋銹蝕率的橋梁結(jié)構(gòu)分析樣本,通過(guò)彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析,獲得一系列橋梁結(jié)構(gòu)反應(yīng)數(shù)據(jù);4)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)反應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,建立地震需求參數(shù)與地震動(dòng)參數(shù)之間的關(guān)系;5)分別定義不同鋼筋銹蝕率的橋梁結(jié)構(gòu)的損傷指標(biāo);6)分別計(jì)算不同鋼筋銹蝕率的橋梁結(jié)構(gòu)需求超過(guò)能力的概率,繪制易損性曲線.2鋼筋微機(jī)械hrb335鋼筋罪犯,主要關(guān)注鋼筋微機(jī)械如圖2為簡(jiǎn)化起見(jiàn),以單墩體系為研究對(duì)象.橋墩高為6m,采用C40混凝土,為直徑1.1m的實(shí)心圓柱,保護(hù)層厚度為60mm.縱向鋼筋和箍筋均采用HRB335鋼筋,直徑分別為32mm和12mm.縱向配筋率為2%,總根數(shù)為24根.配箍率為0.46%,間距為80mm.上部結(jié)構(gòu)集中質(zhì)量為315t.地質(zhì)條件是Ⅲ類(lèi)場(chǎng)地.本文分別取鋼筋銹蝕率為0%、5%、10%、15%四組橋梁結(jié)構(gòu)模型來(lái)討論鋼筋銹蝕率對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)地震易損性的影響.在此需要指出:本文假定沿橋墩鋼筋銹蝕狀態(tài)相同,鋼筋銹蝕率即平均鋼筋截面損失率,包括了全面均勻銹蝕損失和點(diǎn)蝕損失.2.1鋼筋-混凝土黏結(jié)滑移效應(yīng)分析采用通用有限元軟件OpenSees建立銹蝕鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)非線性分析模型.采用基于位移的梁柱單元(displacement-basedbeam-columnelement)模擬橋梁墩柱.鋼筋-混凝土黏結(jié)滑移效應(yīng)通過(guò)墩柱底部塑性鉸區(qū)域應(yīng)變滲透效應(yīng)近似考慮,采用零長(zhǎng)度單元(zero-lengthsectionelement)模擬.通過(guò)修正鋼筋、混凝土和零長(zhǎng)度單元的輸入?yún)?shù)模擬鋼筋銹蝕損傷.模型如圖1所示.2.2鋼筋截面平均損失率研究表明[12,13,14,15,16,17]:銹蝕后鋼筋的實(shí)際強(qiáng)度變化不大,但是極限應(yīng)變降低較為顯著.因此,需要對(duì)鋼筋的單軸本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行修正.本文采用CAIRNS等提出的經(jīng)驗(yàn)公式修正鋼筋的單軸受拉本構(gòu)關(guān)系.銹蝕鋼筋的名義屈服強(qiáng)度、名義極限強(qiáng)度和極限應(yīng)變的計(jì)算公式分別為式中:fyt、fut和εut分別為未銹蝕鋼筋的屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度和極限應(yīng)變;Qcor為鋼筋截面平均損失率(%);αy、αu和α1為與鋼筋銹蝕環(huán)境有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù),對(duì)于大氣環(huán)境,可采用0.017、0.018和0.06.另外,Kashani等觀察到銹蝕后鋼筋的受壓屈曲承載力顯著降低.本文采用文獻(xiàn)[19-20]提出的公式修正鋼筋單軸受壓本構(gòu)關(guān)系.修正后的鋼筋本構(gòu)關(guān)系如圖2所示.圖2中:εyt、εyc分別為未銹蝕鋼筋受拉、受壓屈服應(yīng)變;εyt,cor、εyc,cor分別為銹蝕后鋼筋受拉、受壓屈服應(yīng)變;fyc、fyc,cor分別為未銹蝕、銹蝕后鋼筋的屈服強(qiáng)度.2.3未腐蝕保水性鋼筋銹蝕可以引發(fā)保護(hù)層混凝土產(chǎn)生微裂縫甚至整體剝落.本文采用Coronelli等建議的公式計(jì)算鋼筋銹蝕對(duì)保護(hù)層混凝土的影響.圖3為修正后的保護(hù)層混凝土本構(gòu)關(guān)系.圖3中:fbc、εbo和εbu分別為未銹蝕保護(hù)層混凝土峰值壓應(yīng)力、峰值壓應(yīng)變和極限壓應(yīng)變;fbc,cor、εbo,cor和εbu,cor分別為銹蝕后保護(hù)層混凝土峰值壓應(yīng)力、峰值壓應(yīng)變和極限壓應(yīng)變.銹蝕后箍筋的強(qiáng)度和極限應(yīng)變均會(huì)降低.按照Mander等建議的方法,采用第2.1節(jié)中修正后鋼筋本構(gòu)關(guān)系計(jì)算箍筋約束核心混凝土效應(yīng).圖4為修正后的核心混凝土本構(gòu)關(guān)系.圖4中:fcc、εco和εcu分別為未銹蝕核心混凝土峰值壓應(yīng)力、峰值壓應(yīng)變和極限壓應(yīng)變;fcc,cor、εco,cor和εcu,cor分別為銹蝕后核心混凝土峰值壓應(yīng)力、峰值壓應(yīng)變和極限壓應(yīng)變.2.4鋼筋侵蝕率的計(jì)算黏結(jié)滑移對(duì)結(jié)構(gòu)的影響可以通過(guò)零長(zhǎng)度單元近似考慮,但是零長(zhǎng)度單元的輸入?yún)?shù)局限于有充足錨固長(zhǎng)度的未銹蝕鋼筋.本文通過(guò)調(diào)整零長(zhǎng)度單元的輸入?yún)?shù)來(lái)模擬銹蝕后鋼筋的滑移效應(yīng).采用Filippou等建議的數(shù)學(xué)模型計(jì)算不同鋼筋銹蝕率零長(zhǎng)度單元的輸入?yún)?shù),數(shù)學(xué)表達(dá)式為式中:d為鋼筋直徑;x為沿著鋼筋長(zhǎng)度方向坐標(biāo);u為鋼筋與混凝土之間的相對(duì)滑移量;f為銹蝕后鋼筋本構(gòu)關(guān)系,見(jiàn)第2.1節(jié);g為銹蝕后鋼筋-混凝土黏結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系,采用Hanjari等建議的通用模型.微分方程的邊界條件為采用Matlab中的BVP4C求解微分方程,分別獲得鋼筋屈服時(shí)和達(dá)到極限應(yīng)變時(shí)滑移量等零長(zhǎng)度單元的輸入?yún)?shù).3結(jié)構(gòu)概率需求分析3.1橋梁-地震動(dòng)分析為了模擬地震動(dòng)的隨機(jī)性,按照實(shí)際橋梁場(chǎng)地類(lèi)型,在美國(guó)太平洋地震工程研究中心(PEER)強(qiáng)震數(shù)據(jù)庫(kù)選取地震波.根據(jù)文獻(xiàn),本文采用50條地震波記錄作為地震動(dòng)輸入,震中距均大于10km.圖5為以阻尼比為5%計(jì)算得到的50條地震波的彈性地震影響系數(shù)譜曲線.根據(jù)之前建立的不同鋼筋銹蝕率的4組橋梁分析樣本,每個(gè)橋梁分析樣本分別對(duì)應(yīng)50條地震波,這樣就可以形成200組橋梁-地震動(dòng)分析樣本.3.2結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)梁結(jié)構(gòu)的地震動(dòng)影響采用有限元軟件OpenSees對(duì)200組橋梁-地震動(dòng)分析樣本進(jìn)行彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析.對(duì)于單墩體系,結(jié)構(gòu)的第一模態(tài)起主導(dǎo)作用,宜采用結(jié)構(gòu)的第一自振周期對(duì)應(yīng)的譜加速度SA作為地震動(dòng)參數(shù).表1為不同鋼筋銹蝕率橋梁結(jié)構(gòu)的基本周期.本文選用頂點(diǎn)位移角δ(%)作為地震需求參數(shù).地震動(dòng)參數(shù)與地震動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)均滿(mǎn)足對(duì)數(shù)正態(tài)分布.通過(guò)對(duì)200組橋梁-地震動(dòng)分析樣本分別進(jìn)行回歸分析,獲得不同鋼筋銹蝕率橋梁結(jié)構(gòu)地震需求參數(shù)與地震動(dòng)參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系.鋼筋未銹蝕:鋼筋銹蝕率5%:鋼筋銹蝕率10%:鋼筋銹蝕率15%:4混凝土橋梁結(jié)構(gòu)基于文獻(xiàn)的研究,將橋梁結(jié)構(gòu)的損傷指標(biāo)劃分為輕微損傷、中等損傷、嚴(yán)重?fù)p傷和完全破壞4個(gè)損傷狀態(tài).對(duì)于不同鋼筋銹蝕率鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu),輕微損傷、中等損傷和嚴(yán)重?fù)p傷對(duì)應(yīng)的橋墩頂點(diǎn)位移角均值分別取為1%、2%和4%.根據(jù)文獻(xiàn)[27-28],定義結(jié)構(gòu)的水平荷載承載力降低20%時(shí)的頂點(diǎn)位移角為完全破壞損傷狀態(tài)的位移限值.本文采用推倒分析獲得完全破壞對(duì)應(yīng)的橋墩頂點(diǎn)位移角.圖7為不同鋼筋銹蝕率橋墩的能力曲線.表2為完全破壞損傷狀態(tài)的橋墩頂點(diǎn)位移角.圖8為鋼筋滑移引起的頂點(diǎn)位移量.5鋼筋嘴唇型的易損性曲線特征易損性曲線表示在不同強(qiáng)度地震作用下結(jié)構(gòu)反應(yīng)超過(guò)規(guī)定損傷狀態(tài)所定義結(jié)構(gòu)承載能力的條件概率為式中:δc為結(jié)構(gòu)承載能力;δd為結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)需求.由于δc和δd均滿(mǎn)足對(duì)數(shù)正態(tài)分布,特定損傷狀態(tài)的失效概率可以按照由圖9可知,不同鋼筋銹蝕率的橋梁結(jié)構(gòu)在地震作用下對(duì)應(yīng)各損傷狀態(tài)的超越概率均隨譜加速度SA的增大而增大;不同鋼筋銹蝕率的橋梁結(jié)構(gòu)的易損性曲線的趨勢(shì)基本一致.圖10所示為不同鋼筋銹蝕率的易損性曲線對(duì)比.由圖10可知,鋼筋銹蝕后橋梁結(jié)構(gòu)在地震作用下各損傷狀態(tài)的超越概率均大于未銹蝕橋梁結(jié)構(gòu).在譜加速度為1.5g的地震作用下,鋼筋銹蝕率為10%和15%的橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生中等損傷的概率均為44%,而鋼筋銹蝕率為5%和未銹蝕的橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生中等損傷的概率分別為36%和28%.因此,當(dāng)鋼筋銹蝕率在10%以?xún)?nèi),鋼筋銹蝕損傷可以明顯地增大橋梁結(jié)構(gòu)的地震易損性.然而,鋼筋銹蝕率為10%和15%的橋梁結(jié)構(gòu)的易損性曲線基本相同.此時(shí),鋼筋銹蝕率的增加并沒(méi)有顯著地增大橋梁結(jié)構(gòu)的地震易損性.這一點(diǎn)可以通過(guò)能力和需求2個(gè)方面來(lái)說(shuō)明.從第3.2節(jié)的模態(tài)分析可以看出,鋼筋銹蝕率為10%和15%的橋梁結(jié)構(gòu)的基本周期相差不大.對(duì)于單墩體系,結(jié)構(gòu)的第一模態(tài)起控制作用.因此鋼筋銹蝕率10%和15%的地震需求函數(shù)相差不大.此外,從表2可看出,鋼筋銹蝕率為10%和15%的橋梁結(jié)構(gòu)的能力函數(shù)差別不大.因此,二者的能力和需求均相差不