陳 光， 陳俊成， 周 彤， 蘭大磊， 黃海新

(1.中電建冀交高速公路投資發(fā)展有限公司， 河北 石家莊 050000； 2.河北工業(yè)大學 土木與交通學院， 天津 300401)

0 引言

橋梁作為交通基礎設施的關鍵性樞紐工程，在社會經(jīng)濟生活中發(fā)揮著舉足輕重的作用。然而，由于自然環(huán)境和人為因素的影響，部分橋梁出現(xiàn)了鋼筋銹蝕病害，難以滿足結構正常使用需求，尤其是橋梁墩柱鋼筋銹蝕會危及結構抗震安全，這已引發(fā)眾多學者的關注。其中，在橋墩抗震銹蝕位置研究方面，劉婕[1]和李剛[2]分別采用有限元方式進行了數(shù)值模擬，并發(fā)現(xiàn)墩底鋼筋銹蝕導致橋墩塑性變形增大，承載能力降低，但其研究成果并未進行試驗驗證，同時亦未對橋墩的抗震風險進行評估。NI CHOINE[3]和AKIYAMA[4]雖采用易損性方法進行了銹蝕鋼筋混凝土橋墩抗震安全性評定，但研究因素僅限于使用年限和鋼筋銹蝕程度，并未考慮銹蝕位置變化對結構抗震安全可能帶來的不同影響。在軸壓比對鋼筋混凝土墩柱的抗震性能影響研究方面，趙建鋒[5]通過建立模型分析了無銹蝕狀態(tài)下軸壓比對RC橋墩易損性的影響。鄭山鎖[6]考慮了橋墩的銹蝕問題，重點分析了銹蝕條件下軸壓比對試件抗震性能指標的影響，但尚未研究不同程度破壞狀態(tài)下結構對應的失效概率。

綜上可見，當前關于銹蝕位置和軸壓比對銹蝕RC橋墩抗震性能影響的研究主要以數(shù)值模擬為主，試驗數(shù)據(jù)尚不充分，且未能深入分析結構的易損性。鑒于此，本文設計制作3個不同軸壓比和不同銹蝕位置的銹蝕RC矩形橋墩構件，基于擬靜力試驗分析了軸壓比和銹蝕位置對其抗震性能的影響，并進一步研討了易損性曲線的變化規(guī)律，以期為銹蝕RC橋墩的地震風險評估提供參考。

1 鋼筋銹蝕墩柱擬靜力試驗設計

1.1 墩柱構件尺寸和材料選取

依據(jù)表1擬定的銹蝕位置和軸壓比參數(shù)，試驗設計制作了編號分別為A1、A2和A3的鋼筋混凝土墩柱試件，其具體構造和尺寸如圖1所示。試件采用強度等級為C30的混凝土，縱筋和箍筋分別選用HRB335 和HPB235 鋼筋，箍筋間距100 mm，鋼筋材料具體規(guī)格和實測強度值見表2。

表1 試件試驗參數(shù)設計Table 1 Test parameters design試件編號軸壓比銹蝕位置/mmA10.100～400A20.150～400A30.15500～900

圖1 試件尺寸圖(單位： mm)Figure 1 Dimensional drawing of the test piece(Unit： mm)

表2 鋼筋材料參數(shù)Table 2 Reinforcement material parameters類型鋼筋材料直徑/mm屈服強度/MPa極限強度/MPa縱筋HRB33520384528箍筋HPB2358325434

1.2 墩柱鋼筋局部銹蝕模擬

本試驗采用基于氯離子的電化學加速方法模擬鋼筋的銹蝕。如圖2所示，試件養(yǎng)護完成后將待銹蝕區(qū)域置于5%濃度的NaCl溶液中，電源陽極與待銹蝕鋼筋連接，陰極則連接安放在溶液中的銅絲網(wǎng)，這樣在電流的催化作用下，具有極強氧化性的氯離子會破壞鋼筋表面的鈍化膜[7]，增大混凝土孔隙中溶液的導電性，加速電子流動，促進鋼筋銹蝕。

圖2 構件鋼筋銹蝕模擬圖Figure 2 Steel corrosion simulation diagram of test specimen

1.3 擬靜力試驗裝置與加載方式

如圖3所示，銹蝕RC墩柱試件底座通過栓接固定于地面，豎向軸力由支撐于門架上的豎向千斤頂施加，水平往復荷載由水平作動器施加，豎向和水平加載裝置與試件間均設置壓力傳感器。試驗采用位移分級循環(huán)控制加載的方式，加載前期以5 mm為初始位移并以5 mm逐級遞增，循環(huán)加載兩次，當累計位移到20 mm時，調整后期增量為10 mm，循環(huán)加載3次。試驗中，當水平承載力降低至0.85倍的峰值承載力時，判定構件失效破壞，停止加載。

圖3 墩柱試件擬靜力加載Figure 3 Pseudo-static loading of test specimen

1.4 試驗量測項目及測點布置

混凝土澆筑前，對每個試件8根縱筋在距墩柱底面50 mm和250 mm位置處均打磨、粘貼應變片，同時在墩柱底面上方100 mm和300 mm處的箍筋上布置4個應變片，單個試件鋼筋共計設24個測點。墩頂力和墩頂水平位移通過壓力傳感器和電子位移計連接到電腦，實時連續(xù)采集試驗構件反應數(shù)據(jù)。此外，將試件柱身的4個面用白乳漆均勻覆蓋并繪出50 mm×50 mm 的方格，試驗過程中時刻觀察、記錄裂縫寬度，同時用不同顏色的彩筆標記出裂縫的擴展軌跡，掌握試件在擬靜力加載過程中裂縫的時變演化特點。

2 擬靜力試驗結果與分析

2.1 試件破壞表征

觀察試件開裂破壞過程發(fā)現(xiàn)，A1、A2試件首條裂縫均在水平位移達到5 mm幅值時出現(xiàn)，但顯現(xiàn)位置及寬度并不相同，二者分別發(fā)生在距墩底截面10 mm和20 mm處，對應縫寬依次為0.05 mm和0.1 mm，A3試件在水平位移幅值達到10 mm距墩底截面20 mm處初現(xiàn)裂縫，縫寬為0.05 mm；隨水平位移幅值增加，新的裂縫不斷產(chǎn)生，已出現(xiàn)裂縫逐漸向兩側水平延伸，寬度逐漸增加；水平位移幅值達到30 mm時，A1試件開始出現(xiàn)斜裂縫，同時已有裂縫開始向不同方向延伸，而A2、A3試件在水平位移幅值達到40 mm時出現(xiàn)斜裂縫；水平位移幅值分別達到50、50、60 mm時，A1、A2、A3試件底部混凝土逐漸被壓碎；水平位移幅值達到80 mm時，3個試件側向力降低至最大數(shù)值的85%，達到極限狀態(tài)，墩柱試件破壞失效。

(a) A1構件

可以看出，在銹蝕位置相同的情況下，軸壓比越小，試件開裂越早，裂縫越多，但裂縫寬度較小；軸壓比相同時，墩底銹蝕試件比墩頂銹蝕試件更易開裂，且裂縫開展寬度更大。

2.2 試件滯回特性和延性分析

橋墩試件滯回曲線見圖5。從中可見，剛開始加載時，水平位移幅值較小，構件處于彈性階段，其滯回曲線上升速度較快，斜率較大；隨著水平位移幅值增大，混凝土逐漸開裂，滯回曲線呈現(xiàn)梭型；達到最大墩頂側向力后，滯回曲線上升幅度變緩，強度逐步下降，且隨循環(huán)次數(shù)越多，下降速率越快。對比3個試件的滯回曲線圖，可以發(fā)現(xiàn):銹蝕位置一定時，軸壓比越大，最大墩底側向力越大，但墩頂側向力退化較快，滯回環(huán)面積明顯減??；軸壓比一定時，銹蝕發(fā)生在墩柱中部較銹蝕發(fā)生在墩底處時，墩頂最大側向力增大，滯回環(huán)面積也明顯增大，且剛度退化減慢。

(a) A1構件

橋墩試件的骨架曲線對比情況見圖6，骨架曲線的特征點數(shù)據(jù)見表4。表4中，F(xiàn)y、Fmax、Fu分別為屈服強度、墩頂最大側向力和極限強度(最大側向力的85%)；Δy、Δmax和Δu分別為其對應的位移；μ表示位移延性系數(shù)，其值等于Δu/Δy[8]。

圖6 橋墩試件骨架曲線

表4 橋墩試件特征點數(shù)值Table 4 Values of characteristic points of bridge piers構件Δy/mmΔmax /mmΔu/mmFy/kNFmax/kNFu/kNμA122.9849.1480.43139.54169.31143.913.66A222.0240.9076.47118.87142.07120.763.47A321.8840.0480.12115.60130.33110.783.51

從圖6中可見，銹蝕位置一定時，軸壓比越大，銹蝕RC橋墩屈服強度和最大墩頂側向力越大，分別提升2.8%和9.1%，說明軸壓比對銹蝕鋼筋混凝土橋墩的最大墩頂側向力影響比屈服強度大；相反，軸壓比越小，屈服位移越小，極限位移越大，表明其變形能力越大，延性越好；軸壓比一定時，銹蝕位置處在墩底時RC矩形橋墩抗震性能下降最大，隨著銹蝕位置由墩底向上移動，性能下降的速度逐步減緩，屈服強度和最大側向力增大。此外，A3構件同A2構件對比，屈服強度提升17.4%，最大側向力提升19.2%，說明屈服強度比最大側向力更易受鋼筋銹蝕影響。

從表4可知，銹蝕位置一定時，A1構件比A2構件的位移延性系數(shù)提升了5.48%，表明軸壓比越大，延性越差，塑性變形能力越差；軸壓比一定時，隨著銹蝕位置由墩底上移，位移延性系數(shù)有所上升，增大約1.2%，表明隨著銹蝕位置由墩底向上移動，鋼筋銹蝕對橋墩延性的影響能力下降。

2.3 試件剛度退化性能分析

圖7為由試驗數(shù)據(jù)得到橋墩的剛度退化曲線,圖中參數(shù)K0表示墩柱試件的初始剛度，Ki表示第i級循環(huán)下墩柱試件的剛度，二者的比值大小即為第i級循環(huán)下墩柱試件的剛度退化情況[9]。

圖7 剛度退化曲線

如圖7所示，A1構件與A2構件相比，前期剛度退化較慢，說明軸壓比越大，構件前期剛度退化越快。但位移幅值達到30 mm以后，二者退化速率趨于一致，說明此時軸壓比對剛度退化的影響較??；銹蝕RC矩形橋墩試件的剛度均隨位移幅值增大而減小，且隨銹蝕位置由墩底上移，試件剛度退化速率減慢，說明隨銹蝕位置由墩底上移，鋼筋銹蝕對鋼筋混凝土橋墩剛度退化的影響減弱。

2.4 試件耗能能力分析

等效粘滯阻尼比是工程結構抗震領域衡量結構耗能能力的重要指標，按其數(shù)值大小比較結構耗能能力的強弱[10]，結合圖8定義如下：

(1)

圖8 粘滯阻尼系數(shù)定義圖示Figure 8 Definition of viscous damping coefficient

等效粘滯阻尼系數(shù)隨軸壓比的變化見圖9。由圖9可知，軸壓比越小的A1構件等效粘滯阻尼系數(shù)越顯著大于軸壓比較大的A2構件。當反復位移荷載處于0～15 mm區(qū)間時，等效粘滯阻尼系數(shù)出現(xiàn)下降的現(xiàn)象，且銹蝕位置越遠離墩底，下降幅度和速度越快，之后隨位移增大，等效粘滯阻尼系數(shù)迅速提升。軸壓比一定時，等效粘滯阻尼系數(shù)隨銹蝕位置由墩底上移并增大。說明隨著銹蝕位置由墩底上移，鋼筋銹蝕對于橋墩耗能能力的影響減弱。

圖9 粘滯阻尼系數(shù)曲線

3 鋼筋銹蝕墩柱易損性有限元分析

3.1 有限元模型建立

采用OpenSees建立有限元數(shù)值模型，模型所用參數(shù)基于試驗結果確定，混凝土本構采用Concrete 01模型，鋼材本構關系采用ReinforcingSteel本構模型，并采用Lee[11]提出的銹蝕鋼筋退化效應修正鋼筋銹蝕對模型的影響。圖10為數(shù)值模型和試驗的滯回曲線對比，可以看出，二者整體較為吻合，各特征點數(shù)值相近，總體軌跡吻合度較高，可以認為擬合效果較好，能夠進行下一步分析。

(a)A1構件

3.2 易損性量化指標的選取

易損性曲線是地震動參數(shù)與結構失效概率的關系曲線，用來表示結構在不同強度的地震動作用下達到某一破壞狀態(tài)的概率[12]，一般用條件概率表示如下 :

(2)

式中:Pf表示結構失效概率；Dd表示結構需求；Dc表示結構抗力；IM表示地震動強度參數(shù)。

在實施中，一般采用下式計算結構失效概率：

(3)

由于鋼筋混凝土橋墩結構的相關特性及產(chǎn)生的震害大部分由墩頂水平位移表現(xiàn)，且在試驗過程及IDA分析過程中，墩頂水平位移易于測量和讀取，故這里采用墩頂漂移率作為損傷狀態(tài)的量化指標，由實驗測得具體數(shù)值見表5。

表5 損傷指標量化值Table 5 Quantitative damage index試件編號DrDyDmDuA10.311.372.505.01A20.311.382.564.78A30.621.443.075.03 注:根據(jù)HAZUS99中的定義[14],破壞狀態(tài)可分為無破壞、輕微破壞、中等破壞、嚴重破壞與倒塌破壞共5類,其兩兩之間臨界值可分別對應混凝土首次開裂、縱筋屈服、達到最大側向力、達到極限位移時的墩頂漂移率。

(4)

式中:D表示墩頂漂移率；Deq表示地震動作用下墩頂?shù)淖畲笪灰?；H表示墩高。

3.3 易損性參數(shù)分析

文獻[15]研究指出，僅選擇單一的地震動強度指標時所得出的地震動強度參數(shù)與結構反應關系數(shù)據(jù)離散性較大，但是采用PGA作為強度指標進行調幅時，得到的地震動強度參數(shù)與結構反應關系數(shù)據(jù)相關性要高于其它指標。為此，本文以峰值加速度(PGA)為地震動參數(shù)，選擇II類場地的10條地震動記錄，對銹蝕RC橋墩進行IDA分析。每條地震動加速度調幅分為8個等級，繪制IDA 曲線如圖11所示。

(a)A1構件

從圖11中可見，銹蝕RC橋墩的漂移率隨著軸壓比的增加而緩慢加大，而隨著銹蝕位置的上移則有所降低。

結構需求(Dd)與地震動參數(shù)(IM)之間的關系如下:

Dd=aIMb

(5)

對式(5)兩邊取對數(shù)，得:

In(Dd)=In(a)+bIn(IM)=

A+BIn(IM)

(6)

式中:a、b、A和B為常數(shù)系數(shù)。

依據(jù)式(6)對計算數(shù)值進行回歸分析，結果如圖12所示。從中可見，結構需求與PGA間大致服從線性關系，回歸曲線截距和斜率隨軸壓比越小而減小，且隨著銹蝕位置由墩底向上移動亦呈減小的趨勢。

3.4 易損性失效概率評價

把圖12擬合得到的回歸方程帶入式(3)，可據(jù)此求得易損性失效概率，其對應的曲線如圖13和圖14所示。

(a)A1構件

(a) 輕微破壞

(a) 輕微破壞

由圖13可見，不同軸壓比下RC橋墩各個不同破壞狀態(tài)對應的失效概率隨地面峰值加速度PGA的增大而增大。發(fā)生輕微破壞時，相同PGA條件下，A2比A1的失效概率低，但發(fā)生中等破壞、嚴重破壞和倒塌破壞時，A2的失效概率均高于A1，這說明軸壓比較低的銹蝕鋼筋混凝土橋墩更易發(fā)生輕微破壞，但發(fā)生中等破壞、嚴重破壞和倒塌破壞的概率較低。

由圖14可知，隨地面峰值加速度PGA的增大，銹蝕鋼筋混凝土橋墩發(fā)生輕微破壞、中等破壞、嚴重破壞和倒塌破壞的失效概率均顯著增大。在PGA一定時，鋼筋銹蝕位置上移后，發(fā)生不同破壞狀態(tài)的失效概率均減小。相對而言，銹蝕位置的變化對于發(fā)生輕微破壞和嚴重破壞的影響更大。

4 結論

本文針對銹蝕鋼筋混凝土橋墩以軸壓比和銹蝕位置為參數(shù)開展了擬靜力試驗，探究了鋼筋銹蝕對RC橋墩抗震性能的影響，繼而采用OpenSees有限元軟件建立纖維模型，對鋼筋混凝土橋墩的地震易損性進行了評估。主要結論如下：

a.在相同銹蝕位置條件下，鋼筋混凝土橋墩軸壓比越大，最大墩底側向力越大，但墩頂側向力退化較快，耗能能力越弱；反之，軸壓比越小，橋墩變形能力越大，延性越好，剛度退化較慢。

b.當鋼筋混凝土橋墩軸壓比一定時，銹蝕位置趨近墩底，鋼筋混凝土橋墩的屈服強度、墩頂最大側向力、延性系數(shù)和等效粘滯阻尼系數(shù)均下降明顯，但降低幅度隨銹蝕位置上移而變緩。在非墩底處的銹蝕位置可能出現(xiàn)第二個塑性鉸，對此應加以關注。

c.在PGA不變時，銹蝕位置的變化對于橋墩發(fā)生輕微破壞和嚴重破壞的影響較大，而發(fā)生不同破壞狀態(tài)的失效概率隨鋼筋銹蝕位置的上移而減小。軸壓比較低時銹蝕RC橋墩易于發(fā)生輕微破壞現(xiàn)象，軸壓比增大后，發(fā)生中等破壞、嚴重破壞和倒塌破壞的概率提升。