考慮材料劣化的鋼筋混凝土橋梁抗震性能研究

趙啟琛 劉文會 郭 超 劉長彬

（吉林建筑大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院，長春 130118）

0 引言

鋼筋混凝土橋梁在氯離子環(huán)境中，要比在碳化和凍融環(huán)境下對橋梁抗震性能產(chǎn)生相對較大的影響，氯離子也是影響橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的重要原因[1]。在大氣環(huán)境中，當(dāng)氯離子的濃度達到一定的程度就會對鋼筋混凝土材料進行銹蝕，從而降低橋梁結(jié)構(gòu)的承載力，而橋梁的維修加固也需要高昂的費用[2]，所以氯離子引起的材料劣化會影響橋梁的安全性和經(jīng)濟性，對這種劣化作用的研究也有重要的意義。本文以高墩大跨橋梁為例，研究在大氣環(huán)境下材料劣化對橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。

1 背景工程

某大橋為120m+220m+120m 的三跨連續(xù)剛構(gòu)橋，橋長460m，橋?qū)?2m，主梁為3.2m-12.5m 單箱單室變截面箱梁，主梁截面高度按1.7 次拋物線變化，采用C50 混凝土，橋墩為8m×3.3m 的空心雙肢薄壁墩，雙肢凈距為9.7m，采用C40 混凝土，橋墩高88m，梁端采用盆式支座，混凝土保護層為50mm，如圖1 所示。

圖1 橋型布置圖(單位：cm)

2 材料劣化參數(shù)

2.1 混凝土

氯離子對橋梁構(gòu)件的銹蝕最先作用于構(gòu)件的保護層混凝土上，隨著氯離子濃度越來越大，保護層混凝土裂縫開展越來越大，直到達到了鋼筋的臨界氯離子銹蝕濃度，鋼筋開始發(fā)生銹蝕。保護層混凝土?xí)r變抗壓強度由下式表示[3]。

混凝土裂縫發(fā)展和鋼筋截面損失存在如下的關(guān)系[5]。

核心混凝土在軟件模擬中，采用Concrete04 材料Mander 模型模擬。因為核心混凝土主要是由于箍筋的加強作用，所以通過箍筋劣化模擬遞減的核心混凝土，箍筋劣化在下文指出。

2.2 鋼筋

在本文中，縱筋是HRB335 級32mm 的鋼筋，在軟件模擬中采用Steel02材料模擬，根據(jù)氯離子銹蝕公式[6]得出鋼筋在均勻腐蝕下的參數(shù)劣化如下。公式中的參數(shù)是在抽取了10000 組樣本下得到的均值[7]。

箍筋是HRB335 級12mm 的鋼筋，箍筋的劣化也用上述公式計算。箍筋對混凝土提供加強作用，所以將箍筋的性能換算到核心混凝土即可，不再對箍筋進行模擬。再加上Mander 模型中核心混凝土參數(shù)計算比較困難，所以用一種新的方法加以代替修正[9,10]，下面將給出在服役年限內(nèi)核心混凝土加強參數(shù)“K”值修正后的變化表。

表1 “K”值變化表

圖2 鋼筋直徑時變圖

圖3 鋼筋強度時變圖

3 地震動輸入

本橋橋址區(qū)屬8 度區(qū)，場地類型為Ⅱ類，設(shè)計基本加速度峰值為0.2g，本文從地震動數(shù)據(jù)庫下載了三條地震波進行地震響應(yīng)分析，地震響應(yīng)結(jié)果取三條波的最大值[11]。

4 地震響應(yīng)

在地震作用下，橋墩發(fā)生的損害要比橋梁上部結(jié)構(gòu)更大，因此選擇橋墩為關(guān)鍵結(jié)構(gòu)加以研究。由于篇幅原因，本文下面只給出1#墩的地震響應(yīng)曲線。

由圖4 可知，左右兩肢在墩底和墩頂彎矩最大。左肢在距墩底42m 這一段中，彎矩大幅降低，而后在墩高42m 到墩頂這一段中，彎矩大幅增加。右肢和左肢的走向是基本一致的，即先大幅降低，最后大幅增加。從0 年劣化到80 年，左肢彎矩最大降幅為23.7%，右肢彎矩最大降幅為19.8%。

圖4 1#薄壁墩彎矩沿墩高變化曲線

由圖5 可知，左肢和右肢位移趨勢基本一致，自墩底到墩頂持續(xù)增大，在地震作用下墩頂最大位移已經(jīng)達到了0.7m 左右。氯離子侵蝕作用開始時，墩頂位移就出現(xiàn)了變化。從0 年劣化到80 年，位移一直在增加，左肢墩頂位移最大增幅為21.9%，右肢墩頂位移最大增幅為20.7%。

圖5 1#薄壁墩位移沿墩高變化曲線

5 結(jié)論

1、在氯離子侵蝕作用下，隨著服役年限的增加，橋墩彎矩最大降幅達到了23.7%，位移最大增幅達到了21.9%。

2、大氣環(huán)境下，連續(xù)剛構(gòu)橋從成橋時(0 年)至80 年，雙肢薄壁墩地震響應(yīng)彎矩在持續(xù)減小，位移不斷增大，橋梁的抗震性能隨之明顯減弱。所以在橋梁的服役周期內(nèi)要加以考慮因氯離子產(chǎn)生的侵蝕作用對墩柱抗震性能的影響。