考虑钢筋锈蚀的钢筋混凝土桥梁地震易损性分析

考虑钢筋锈蚀的钢筋混凝土桥梁地震易损性分析

钢筋腐蚀是混凝土结构性能恶化的主要原因。根据美国土木工程行业协会的研究，美国26%的桥梁结构受损。根据拉赫德赫和其他在亚太地区进行的研究，钢筋腐蚀是导致工程结构竞争力恶化的主要原因。据推测，中国1999年1月，钢筋侵蚀造成的损失达到720440万元。影响钢筋腐蚀的主要外部因素包括氯盐侵蚀、碱骨料反应和钙化。结果表明，钢筋腐蚀可导致保护混凝土结构的坍塌、钢筋混凝土粘附结构的退化、钢筋延伸度的退化和钢筋延伸度的退化。这些因素导致混凝土结构的抗逆性差。因此，有必要研究钢筋侵蚀对混凝土结构抗逆性的影响。连续梁桥是一种广泛采用的桥梁形式,是重要的生命线工程.地震中桥梁的安全将直接影响抗震救灾的开展.地震易损性分析是评估桥梁抗震性能的重要途径.国内外的学者已经开展了大量的桥梁结构地震易损性研究,然而,对于锈蚀钢筋混凝土桥梁结构的易损性研究报道比较少.Simon等对一个单墩两跨桥梁进行了地震易损性分析,并考察了4种典型的钢筋锈蚀损伤状态下的桥梁结构的地震易损性曲线,然而,其所采用的桥梁结构非线性分析模型忽略了很多因素,如钢筋延性退化、钢筋混凝土黏结退化等.本文通过对一个简化的单墩体系进行分析来考察钢筋腐蚀损伤对桥梁结构地震易损性的影响.通过修正材料单轴本构关系,建立可以较为全面考虑钢筋锈蚀损伤的桥梁结构非线性分析模型.定义不同钢筋锈蚀率钢筋混凝土桥梁结构的4个损伤指标.考虑地震动的不确定性,对不同钢筋锈蚀率钢筋混凝土桥梁结构进行地震易损性分析,并讨论钢筋锈蚀率对钢筋混凝土桥梁结构的抗震性能影响.1健全与结构模型相关的分析点点点易损性为不同强度地震作用下结构达到各种损伤状态的条件概率.桥梁结构的地震易损性通常可以用易损性曲线来表示.本文采用基于可靠度概率分析方法形成易损性曲线,基本步骤如下:1)通过修正材料单轴本构关系,建立锈蚀钢筋混凝土桥梁结构非线性分析模型;2)根据场地类型,选取50条地震波记录,模拟地震动的不确定性;3)分别建立不同钢筋锈蚀率的桥梁结构分析样本,通过弹塑性动力时程分析,获得一系列桥梁结构反应数据;4)对桥梁结构反应数据进行回归分析,建立地震需求参数与地震动参数之间的关系;5)分别定义不同钢筋锈蚀率的桥梁结构的损伤指标;6)分别计算不同钢筋锈蚀率的桥梁结构需求超过能力的概率,绘制易损性曲线.2钢筋微机械hrb335钢筋罪犯,主要关注钢筋微机械如图2为简化起见,以单墩体系为研究对象.桥墩高为6m,采用C40混凝土,为直径1.1m的实心圆柱,保护层厚度为60mm.纵向钢筋和箍筋均采用HRB335钢筋,直径分别为32mm和12mm.纵向配筋率为2%,总根数为24根.配箍率为0.46%,间距为80mm.上部结构集中质量为315t.地质条件是Ⅲ类场地.本文分别取钢筋锈蚀率为0%、5%、10%、15%四组桥梁结构模型来讨论钢筋锈蚀率对桥梁结构地震易损性的影响.在此需要指出:本文假定沿桥墩钢筋锈蚀状态相同,钢筋锈蚀率即平均钢筋截面损失率,包括了全面均匀锈蚀损失和点蚀损失.2.1钢筋-混凝土黏结滑移效应分析采用通用有限元软件OpenSees建立锈蚀钢筋混凝土桥梁结构非线性分析模型.采用基于位移的梁柱单元(displacement-basedbeam-columnelement)模拟桥梁墩柱.钢筋-混凝土黏结滑移效应通过墩柱底部塑性铰区域应变渗透效应近似考虑,采用零长度单元(zero-lengthsectionelement)模拟.通过修正钢筋、混凝土和零长度单元的输入参数模拟钢筋锈蚀损伤.模型如图1所示.2.2钢筋截面平均损失率研究表明[12,13,14,15,16,17]:锈蚀后钢筋的实际强度变化不大,但是极限应变降低较为显著.因此,需要对钢筋的单轴本构关系进行修正.本文采用CAIRNS等提出的经验公式修正钢筋的单轴受拉本构关系.锈蚀钢筋的名义屈服强度、名义极限强度和极限应变的计算公式分别为式中:fyt、fut和εut分别为未锈蚀钢筋的屈服强度、极限强度和极限应变;Qcor为钢筋截面平均损失率(%);αy、αu和α1为与钢筋锈蚀环境有关的经验系数,对于大气环境,可采用0.017、0.018和0.06.另外,Kashani等观察到锈蚀后钢筋的受压屈曲承载力显著降低.本文采用文献[19-20]提出的公式修正钢筋单轴受压本构关系.修正后的钢筋本构关系如图2所示.图2中:εyt、εyc分别为未锈蚀钢筋受拉、受压屈服应变;εyt,cor、εyc,cor分别为锈蚀后钢筋受拉、受压屈服应变;fyc、fyc,cor分别为未锈蚀、锈蚀后钢筋的屈服强度.2.3未腐蚀保水性钢筋锈蚀可以引发保护层混凝土产生微裂缝甚至整体剥落.本文采用Coronelli等建议的公式计算钢筋锈蚀对保护层混凝土的影响.图3为修正后的保护层混凝土本构关系.图3中:fbc、εbo和εbu分别为未锈蚀保护层混凝土峰值压应力、峰值压应变和极限压应变;fbc,cor、εbo,cor和εbu,cor分别为锈蚀后保护层混凝土峰值压应力、峰值压应变和极限压应变.锈蚀后箍筋的强度和极限应变均会降低.按照Mander等建议的方法,采用第2.1节中修正后钢筋本构关系计算箍筋约束核心混凝土效应.图4为修正后的核心混凝土本构关系.图4中:fcc、εco和εcu分别为未锈蚀核心混凝土峰值压应力、峰值压应变和极限压应变;fcc,cor、εco,cor和εcu,cor分别为锈蚀后核心混凝土峰值压应力、峰值压应变和极限压应变.2.4钢筋侵蚀率的计算黏结滑移对结构的影响可以通过零长度单元近似考虑,但是零长度单元的输入参数局限于有充足锚固长度的未锈蚀钢筋.本文通过调整零长度单元的输入参数来模拟锈蚀后钢筋的滑移效应.采用Filippou等建议的数学模型计算不同钢筋锈蚀率零长度单元的输入参数,数学表达式为式中:d为钢筋直径;x为沿着钢筋长度方向坐标;u为钢筋与混凝土之间的相对滑移量;f为锈蚀后钢筋本构关系,见第2.1节;g为锈蚀后钢筋-混凝土黏结滑移本构关系,采用Hanjari等建议的通用模型.微分方程的边界条件为采用Matlab中的BVP4C求解微分方程,分别获得钢筋屈服时和达到极限应变时滑移量等零长度单元的输入参数.3结构概率需求分析3.1桥梁-地震动分析为了模拟地震动的随机性,按照实际桥梁场地类型,在美国太平洋地震工程研究中心(PEER)强震数据库选取地震波.根据文献,本文采用50条地震波记录作为地震动输入,震中距均大于10km.图5为以阻尼比为5%计算得到的50条地震波的弹性地震影响系数谱曲线.根据之前建立的不同钢筋锈蚀率的4组桥梁分析样本,每个桥梁分析样本分别对应50条地震波,这样就可以形成200组桥梁-地震动分析样本.3.2结构参数对梁结构的地震动影响采用有限元软件OpenSees对200组桥梁-地震动分析样本进行弹塑性动力时程分析.对于单墩体系,结构的第一模态起主导作用,宜采用结构的第一自振周期对应的谱加速度SA作为地震动参数.表1为不同钢筋锈蚀率桥梁结构的基本周期.本文选用顶点位移角δ(%)作为地震需求参数.地震动参数与地震动强度指标均满足对数正态分布.通过对200组桥梁-地震动分析样本分别进行回归分析,获得不同钢筋锈蚀率桥梁结构地震需求参数与地震动参数之间的函数关系.钢筋未锈蚀:钢筋锈蚀率5%:钢筋锈蚀率10%:钢筋锈蚀率15%:4混凝土桥梁结构基于文献的研究,将桥梁结构的损伤指标划分为轻微损伤、中等损伤、严重损伤和完全破坏4个损伤状态.对于不同钢筋锈蚀率钢筋混凝土桥梁结构,轻微损伤、中等损伤和严重损伤对应的桥墩顶点位移角均值分别取为1%、2%和4%.根据文献[27-28],定义结构的水平荷载承载力降低20%时的顶点位移角为完全破坏损伤状态的位移限值.本文采用推倒分析获得完全破坏对应的桥墩顶点位移角.图7为不同钢筋锈蚀率桥墩的能力曲线.表2为完全破坏损伤状态的桥墩顶点位移角.图8为钢筋滑移引起的顶点位移量.5钢筋嘴唇型的易损性曲线特征易损性曲线表示在不同强度地震作用下结构反应超过规定损伤状态所定义结构承载能力的条件概率为式中:δc为结构承载能力;δd为结构的地震反应需求.由于δc和δd均满足对数正态分布,特定损伤状态的失效概率可以按照由图9可知,不同钢筋锈蚀率的桥梁结构在地震作用下对应各损伤状态的超越概率均随谱加速度SA的增大而增大;不同钢筋锈蚀率的桥梁结构的易损性曲线的趋势基本一致.图10所示为不同钢筋锈蚀率的易损性曲线对比.由图10可知,钢筋锈蚀后桥梁结构在地震作用下各损伤状态的超越概率均大于未锈蚀桥梁结构.在谱加速度为1.5g的地震作用下,钢筋锈蚀率为10%和15%的桥梁结构发生中等损伤的概率均为44%,而钢筋锈蚀率为5%和未锈蚀的桥梁结构发生中等损伤的概率分别为36%和28%.因此,当钢筋锈蚀率在10%以内,钢筋锈蚀损伤可以明显地增大桥梁结构的地震易损性.然而,钢筋锈蚀率为10%和15%的桥梁结构的易损性曲线基本相同.此时,钢筋锈蚀率的增加并没有显著地增大桥梁结构的地震易损性.这一点可以通过能力和需求2个方面来说明.从第3.2节的模态分析可以看出,钢筋锈蚀率为10%和15%的桥梁结构的基本周期相差不大.对于单墩体系,结构的第一模态起控制作用.因此钢筋锈蚀率10%和15%的地震需求函数相差不大.此外,从表2可看出,钢筋锈蚀率为10%和15%的桥梁结构的能力函数差别不大.因此,二者的能力和需求均相差不