氯离子腐蚀环境下桥梁抗震性能分析

杨 帆，杨翠娟

（1.青岛理工大学 土木工程学院 青岛市 266033；2.福建六建集团有限公司 福州市 350000）

0 引言

海洋环境下钢筋混凝土桥梁的主要劣化机理是氯离子腐蚀，氯离子腐蚀引起保护层混凝土的开裂和剥落、核心混凝土的强度退化，混凝土与钢筋之间的粘结损失，导致混凝土性能的不断下降［1-2］。并且近年来，对腐蚀环境条件下RC桥的使用寿命抗震性能评估成为研究的热点，这些研究主要集中在地震易损性和可靠性分析上。朱炯［3］对不同结构体系的钢筋混凝土桥梁在长期氯离子作用下的时变可靠度进行了研究，发现除冰盐环境严重威胁结构的安全性，增大结构的失效概率。Gardoni［4］等为了评估腐蚀对钢筋混凝土构件和整体系统响应的一般影响，考虑了累积地震破坏和腐蚀退化对RC桥梁寿命周期成本的共同影响。Choe［5］等为研究钢筋混凝土桥梁抗震效果，研究了桥梁在不同使用寿命时间点的易损性曲线。

提出了一种基于非线性静力分析的腐蚀环境下桥梁抗震评估的新思路。在此框架中，首先计算桥梁墩柱的腐蚀开始时间，然后为了分析桥梁使用寿命对结构行为的腐蚀影响，建立了材料模型。该模型考虑了桥梁结构中纵筋腐蚀、箍筋腐蚀和纵箍筋一起腐蚀三种情况的影响，完成桥梁墩柱的弯矩-曲率分析，最后通过拟静力循环往复加载方式，研究三种情况下桥墩结构的滞回耗能能力的变化规律。

1 腐蚀对材料性能的影响

1.1 腐蚀开始时间和腐蚀程度

氯离子的扩散是由混凝土的表面和内部之间的氯化物浓度差引起的，根据Fick的第二定律［6］可得到混凝土内部氯化物浓度：

其中：C（x，t）是t年来混凝土保护层表面x深度的氯化物浓度；Cs是表面氯化物浓度；Dc是氯离子扩散系数；erf（）是误差函数。

当氯化物浓度达到阈值浓度时，混凝土中的钢筋将开始腐蚀。腐蚀开始时间和钢筋直径的减小［7］计算如下所示：

其中：Tcorr是腐蚀开始时间（年）；dc是覆盖深度（mm）；B1和C1是系数，它们取决于用于混凝土混合设计的水和水泥比；db是腐蚀钢筋直径；dbi是初始钢筋直径；w／c是混凝土混合料设计中的水与水泥比。

1.2 保护层混凝土的腐蚀影响

一旦腐蚀开始，腐蚀产物积聚在钢筋周围。当腐蚀产物的体积大于原始体积时，它会在钢筋周围的混凝土上产生径向应变（εr），可表示如下［8］：

其中：bo是RC截面的周长；wd（t）是腐蚀桥梁截面使用寿命中任何时间点的覆盖混凝土裂缝宽度；w0是最初可见的裂缝宽度（0.05mm）；bc等于0.0086mm／μm；氯化物诱导腐蚀的γb等于1；p（t）是腐蚀渗透；p0是生产所需的腐蚀渗透。

1.3 钢筋的腐蚀效应

在桥梁正常使用期间，由于腐蚀效应，钢筋的屈服和极限应力以及极限应变会发生变化。该过程导致钢筋的应力-应变关系的改变，其用作桥梁柱弯曲分析的输入。腐蚀过程中屈服应力、极限应力和极限应变的减小可由下式计算：

其中：fy（t）、fu（t）和εu分别是腐蚀钢筋的屈服应力、极限应力和极限应变；Δcorr是腐蚀程度；fy0、fu0和εu0是初始钢筋的屈服应力、极限应力和极限应变。

1.4 核心混凝土的腐蚀效应

横向钢筋的面积损失通过约束混凝土强度的降低而反映出来。约束混凝土的参数可由如下计算［9］：

其中：ρs（t）是腐蚀横向钢筋的体积比；fyh是横向钢筋的屈服应力；fc是无约束混凝土抗压强度；K（t）是时间相关的约束因子。

2 抗震性能分析

2.1 抗弯能力分析

钢筋混凝土桥梁在腐蚀以后，会对其材料性能造成影响，即上节所分析的核心混凝土，横向和纵向钢筋的退化，以及混凝土和钢筋之间的粘合能力。最终导致钢筋混凝土桥梁抗震水平下降，最常用的是用曲率延性系数指标μφ［9］来评价：

式中：φy、φn分别为塑性铰区截面的屈服曲率和极限曲率。并采用OpenSees有限元软件对截面进行弯矩—曲率分析，结果如图1所示。

由图1可知：仅考虑箍筋腐蚀情况，桥墩结构抗弯承载能力基本不变，但极限曲率下降明显；仅考虑纵筋腐蚀情况，桥墩结构抗弯承载能力下降十分显著，但极限曲率相对有所增长；考虑纵筋和箍筋一起腐蚀，桥墩结构的抗弯承载能力和极限曲率均下降十分显著；并且对桥梁结构使用30年时进行分析，发现当桥梁结构服役30年时，考虑纵箍筋一起腐蚀情况下，其抗震能力下降十分显明。因此在对桥梁结构进行设计评估时，优先考虑桥墩结构内纵筋和箍筋的腐蚀以及随着使用寿命的增加，桥梁结构的抗弯能力会受此影响。

2.2 滞回耗能分析

根据以上建立的材料性能退化模型，利用OpenSees有限元软件对桥墩结构不同使用寿命30年、60年、90年进行拟静力循环往复分析，通过位移加载的方式，获取桥墩结构不同使用寿命时墩底剪力和墩顶位移，得到桥墩结构的滞回曲线如图2所示。

由图2可知，桥墩结构在仅考虑箍筋腐蚀、仅考虑纵筋腐蚀和考虑纵箍筋一起腐蚀三种情况下，随着使用寿命的增加，其墩底剪力都表现为减小的趋向；其中考虑箍筋和纵筋锈蚀时，桥墩结构的墩底剪力在服役90年时其下降速度最快；仅考虑箍筋锈蚀时，桥墩结构的墩底剪力在服役90年时其下降速度最慢。并且桥墩结构考虑纵箍筋一起锈蚀时，对桥墩结构的滞回耗能能力影响最为显著，因此在评估桥梁结构时，应对纵箍筋一起锈蚀情况加以重视。

3 结论

结合提出的一种基于非线性静力分析的腐蚀环境下桥梁抗震评估的新思路。首先计算钢筋混凝土桥梁墩柱结构的腐蚀开始时间，然后建立了考虑腐蚀对覆盖混凝土、核心混凝土和钢筋粘结影响的材料模型，最后对建立的不同寿命阶段的桥梁算例模型进行抗震性能分析，可以得出：

（1）腐蚀开始的时间和程度由覆盖层混凝土的深度来决定，在海洋地区的钢筋混凝土结构应增加覆盖层混凝土的深度来延迟腐蚀开始的时间以达到保护钢筋混凝土结构目的。腐蚀开始以后，腐蚀水平决定钢筋混凝土结构的剩余服役时间。

（2）由钢筋混凝土桥墩的抗弯能力分析可知在海洋地区钢筋混凝土结构腐蚀以后，会引起箍筋和纵筋的腐蚀，并且箍筋更容易发生腐蚀。箍筋的腐蚀会造成桥墩延性能力的下降，纵筋的腐蚀会造成桥墩抗弯能力的下降。

（3）由钢筋混凝土桥墩的滞回耗能分析可知桥墩结构在氯离子腐蚀以后，随着使用寿命的增加，考虑纵箍筋一起腐蚀的情况下，滞回耗能能力比仅考虑箍筋腐蚀或仅考虑纵筋腐蚀情况下降速度更加显著。

（4）使用提出的基于非线性静力分析的腐蚀环境下桥抗震评估的框架，可以有效地评估钢筋混凝土桥梁结构在氯离子腐蚀作用下引起的材料性能退化，进而分析钢筋混凝土桥梁结构腐蚀以后的抗震能力，对桥梁正常服役期间的性能评定具有重要的意义。