考虑材料劣化的钢筋混凝土桥梁抗震性能研究

赵启琛 刘文会 郭 超 刘长彬

（吉林建筑大学 交通科学与工程学院，长春 130118）

0 引言

钢筋混凝土桥梁在氯离子环境中，要比在碳化和冻融环境下对桥梁抗震性能产生相对较大的影响，氯离子也是影响桥梁结构耐久性的重要原因[1]。在大气环境中，当氯离子的浓度达到一定的程度就会对钢筋混凝土材料进行锈蚀，从而降低桥梁结构的承载力，而桥梁的维修加固也需要高昂的费用[2]，所以氯离子引起的材料劣化会影响桥梁的安全性和经济性，对这种劣化作用的研究也有重要的意义。本文以高墩大跨桥梁为例，研究在大气环境下材料劣化对桥梁结构抗震性能的影响。

1 背景工程

某大桥为120m+220m+120m 的三跨连续刚构桥，桥长460m，桥宽12m，主梁为3.2m-12.5m 单箱单室变截面箱梁，主梁截面高度按1.7 次抛物线变化，采用C50 混凝土，桥墩为8m×3.3m 的空心双肢薄壁墩，双肢净距为9.7m，采用C40 混凝土，桥墩高88m，梁端采用盆式支座，混凝土保护层为50mm，如图1 所示。

图1 桥型布置图(单位：cm)

2 材料劣化参数

2.1 混凝土

氯离子对桥梁构件的锈蚀最先作用于构件的保护层混凝土上，随着氯离子浓度越来越大，保护层混凝土裂缝开展越来越大，直到达到了钢筋的临界氯离子锈蚀浓度，钢筋开始发生锈蚀。保护层混凝土时变抗压强度由下式表示[3]。

混凝土裂缝发展和钢筋截面损失存在如下的关系[5]。

核心混凝土在软件模拟中，采用Concrete04 材料Mander 模型模拟。因为核心混凝土主要是由于箍筋的加强作用，所以通过箍筋劣化模拟递减的核心混凝土，箍筋劣化在下文指出。

2.2 钢筋

在本文中，纵筋是HRB335 级32mm 的钢筋，在软件模拟中采用Steel02材料模拟，根据氯离子锈蚀公式[6]得出钢筋在均匀腐蚀下的参数劣化如下。公式中的参数是在抽取了10000 组样本下得到的均值[7]。

箍筋是HRB335 级12mm 的钢筋，箍筋的劣化也用上述公式计算。箍筋对混凝土提供加强作用，所以将箍筋的性能换算到核心混凝土即可，不再对箍筋进行模拟。再加上Mander 模型中核心混凝土参数计算比较困难，所以用一种新的方法加以代替修正[9,10]，下面将给出在服役年限内核心混凝土加强参数“K”值修正后的变化表。

表1 “K”值变化表

图2 钢筋直径时变图

图3 钢筋强度时变图

3 地震动输入

本桥桥址区属8 度区，场地类型为Ⅱ类，设计基本加速度峰值为0.2g，本文从地震动数据库下载了三条地震波进行地震响应分析，地震响应结果取三条波的最大值[11]。

4 地震响应

在地震作用下，桥墩发生的损害要比桥梁上部结构更大，因此选择桥墩为关键结构加以研究。由于篇幅原因，本文下面只给出1#墩的地震响应曲线。

由图4 可知，左右两肢在墩底和墩顶弯矩最大。左肢在距墩底42m 这一段中，弯矩大幅降低，而后在墩高42m 到墩顶这一段中，弯矩大幅增加。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。从0 年劣化到80 年，左肢弯矩最大降幅为23.7%，右肢弯矩最大降幅为19.8%。

图4 1#薄壁墩弯矩沿墩高变化曲线

由图5 可知，左肢和右肢位移趋势基本一致，自墩底到墩顶持续增大，在地震作用下墩顶最大位移已经达到了0.7m 左右。氯离子侵蚀作用开始时，墩顶位移就出现了变化。从0 年劣化到80 年，位移一直在增加，左肢墩顶位移最大增幅为21.9%，右肢墩顶位移最大增幅为20.7%。

图5 1#薄壁墩位移沿墩高变化曲线

5 结论

1、在氯离子侵蚀作用下，随着服役年限的增加，桥墩弯矩最大降幅达到了23.7%，位移最大增幅达到了21.9%。

2、大气环境下，连续刚构桥从成桥时(0 年)至80 年，双肢薄壁墩地震响应弯矩在持续减小，位移不断增大，桥梁的抗震性能随之明显减弱。所以在桥梁的服役周期内要加以考虑因氯离子产生的侵蚀作用对墩柱抗震性能的影响。