双向地震作用下非均匀腐蚀近海桥墩的抗震性能研究

发布时间：2020-05-30 17:43

【摘要】：对于长期服役的近海桥梁,由于所处环境氯离子浓度高以及湿度大等原因,其抗震性能持续性退化。其中,近海桥墩作为主要的受力构件,腐蚀引起的性能退化相较于上部桥面结构更为严重,且呈现出立面分布不均匀的特性。对于地处地震区的近海桥梁结构,腐蚀和地震的多灾害作用,将更为严重威胁桥梁的安全。目前,国内外学者对于单方向水平地震作用下的近海桥梁的抗震性能进行了相关研究,但对腐蚀桥墩在双向地震作用下的抗震性能鲜有研究。揭示非均匀腐蚀桥墩在双向地震作用下的损伤破坏模式,了解不同加载路径对其力学行为的影响,对桥墩乃至整个桥梁体系的全寿命风险性评估具有重要意义。本文通过腐蚀桥墩的双向拟静力试验、理论分析及数值模拟对上述问题开展研究,主要研究内容、方法及结果如下:(1)开展了考虑浪溅潮差区影响的非均匀腐蚀桥墩双向拟静力试验。设计并制作了7个相同几何尺寸及材料性能的矩形截面悬臂桥墩,采用电化学加速腐蚀方法实现高度500 mm浪溅潮差区的不同腐蚀损伤状态,开展了单向、矩形及十字形路径加载的低周往复拟静力试验。试验结果表明:对于加载路径相同的双向加载,桥墩试件的强度、变形和耗能等随着腐蚀率的增加而降低;对于腐蚀程度相近的试件,其在单向地震作用下的抗震性能优于双向地震作用。矩形加载方式具有较强的耦合作用,随着试件的变形等级增加,试件的双向耦合作用加大。(2)基于纤维单元提出了非均匀腐蚀桥墩在单、双向地震作用下的截面承载力计算方法。首先给出了不同服役期钢筋和混凝土的材料性能和几何尺寸退化的模拟方法;然后将整个桥墩截面划分成钢筋纤维和混凝土纤维,利用内力平衡方法,建立了腐蚀桥墩截面抗弯承载力M-N曲线、M_x-M_y-N曲面及截面的抗剪承载力公式;随后利用两组试验对截面单双向承载力计算方法进行了验证并进行了近海桥墩算例分析。(3)改进了考虑腐蚀钢筋黏结性能退化的近海桥墩抗震性能数值模拟方法。基于简化的未腐蚀和腐蚀钢筋黏结应力-滑移本构模型,通过钢筋微单元内力平衡的方法,建立了钢筋沿长度方向滑移场二阶常系数微分方程,利用边界条件求得滑移场分布,并建立了钢筋轴拉应力-滑移关系曲线。基于此,进一步推导得出钢筋弹性模量折减系数,以此间接表征黏结滑移的影响。通过试验验证了该数值模拟方法并进行了参数分析。结果表明,对于局部腐蚀情况,考虑黏结滑移的数值模拟更好地反映腐蚀桥墩试件的真实抗震性能;随着试件腐蚀区长度、塑性铰长度的增大,黏结滑移对试件耗能、初始刚度和卸载刚度等抗震性能参数的影响增大。(4)基于非均匀腐蚀桥墩有限元模型分析了加载路径对抗震性能的影响。针对单向、矩形、十字形、斜向及椭圆形5种常用加载路径,模拟了不同加载路径和腐蚀程度试件的滞回曲线,分析了试件的强度、变形、刚度和耗能等抗震性能参数,并给出了基于Park-Ang模型的双向损伤指标计算方法。结果表明:双向加载会引起桥墩的承载力和变形能力的降低,但会增加试件的耗能以及损伤指标,特别是对于矩形及斜向加载方式;在双向加载作用下,非线性变形引起了位移路径和荷载向量不同程度的差异性,反映出了其耦合效应。
【图文】：

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土木工程基础设施数量逐年增加。作为承载着社会经济命脉的交通枢纽，桥梁在土木工程基础设施中发挥着至关重要的作用，尤其是近海桥梁对优化沿海地区交通布局，促进区域经济一体化发展起到作用，例如已经建成通车的港珠澳跨海大桥（全长 55 km）、舟山跨海大桥（全长 48 km）、青岛海湾大桥（全长36.48 km）以及杭州湾大桥（全长 36 km）等。桥梁结构在整个服役期内，会遭受不同类型的自然或者人为灾害威胁，如地震、飓风、海啸、船撞以及腐蚀等。其中，地震作为一种常见和极具破坏力的自然灾害之一，其释放的能量不仅会造成桥梁结构的严重损坏甚至倒塌，还会引发次生灾害，严重威胁人们的生命财产安全。1976 年我国唐山地震中 79 座钢筋混凝土（RC）梁桥出现不同程度的损伤，，18 座该类桥梁发生倒塌[1]。1989年美国 Loma Prieta 地震旧金山-奥克兰海湾大桥的一跨引桥发生了落梁现象，Cypress 双层高架桥严重倒塌（图 1-1a）并造成了 42 人死亡[2, 3]。1995 年日本神户地震阪神高速神户线上 1300 多跨桥梁出现不同程度的损伤破坏，其中不可修复的严重破坏桥墩多达 150 个[4]。2008 年我国汶川地震高达 6140 座桥梁受损，并导致了 20 座以上的桥梁倒塌[1]（图 1-1b）。

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第 1 章绪论蚀 RC 结构的材料性能退化研究现状氯离子对钢筋的腐蚀机理一般混凝土结构中，硅酸盐水泥水化作用产生了大量 Ca(OH)2并子和钾离子，导致 RC 结构中的钢筋处在强碱环境中[10]。在此条逐渐形成了一层钝化膜，起到了阻断锈蚀发生的作用。在 RC 结过程中，不同原因（除冰盐、海水等）在混凝土表面产生的氯离孔不断迁移至钢筋表面。随着钢筋表面氯离子的不断积累并达到度，钢筋因钝化膜遭受破坏而开始腐蚀。依据文献[11]的研究结果称为腐蚀起始阶段，如示意图 1-2 所示。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U442.55

【参考文献】