考虑环境腐蚀的近海斜拉桥概率性地震损伤特性研究

发布时间：2020-08-13 03:02

【摘要】：对于沿海地区的斜拉桥,氯离子的侵蚀会导致钢筋混凝土和拉索钢丝等材料发生严重的性能退化,对斜拉桥的结构安全造成巨大的威胁。此外,很多斜拉桥还位于地震高发区,数次大地震中先后出现过桥梁严重破坏的案例。目前国内外对于斜拉桥的抗震研究多基于完好结构,而考虑材料时变腐蚀的桥梁地震易损性研究多针对中小型梁式桥或斜拉桥的单一构件,材料腐蚀退化对斜拉桥整体抗震性能的影响研究仍处于起步阶段。随着沿海地区斜拉桥的不断规划建设,开展海蚀环境下斜拉桥的时变劣化抗震性能研究具有重要的理论和现实意义。本文以我国近海地区某单塔斜拉桥为例,考虑氯离子对拉索和钢筋混凝土的腐蚀作用,对斜拉桥主要构件及完整桥梁体系的时变地震易损性进行了系统讨论。本文开展的主要研究工作如下:(1)引入氯离子侵蚀作用下的结构材料劣化模型,考虑主塔、桥墩和拉索材料性能的时变劣化特性,基于OpenSees平台,建立了算例斜拉桥在不同服役时长下的三维有限元模型,并采用SAP2000软件对OpenSees模型的准确性进行了验证。对不同服役时长下斜拉桥的自振周期进行了对比分析,研究表明,钢筋混凝土和拉索的性能劣化会导致斜拉桥自振周期增大,但增大率较小。(2)以100条成组地震波为输入,通过对数回归分析对两种代表性的地震动强度指标(结构基本周期对应的谱加速度Sa(T)和峰值地震动加速度PGA)进行了评价,优选Sa(T1)作为斜拉桥易损性分析的地震动强度度量参数。基于斜拉桥四种损伤状态的划分量化了各个构件(主塔、桥墩、桩、支座以及拉索)的损伤指标,并通过弯矩-曲率分析对主塔和桥墩截面的时变抗震性能进行了研究。(3)基于增量动力分析法建立了斜拉桥在不同服役时长下的构件地震易损性曲线,研究发现,随着服役时长的增加,轻微损伤、中等损伤、严重损伤以及完全破坏四种损伤状态下构件(主塔、桥墩、桩、支座以及拉索)的损伤概率都出现了不同程度的增加,在任何损伤状态下考虑材料性能劣化的构件(主塔、桥墩、拉索)损伤概率的增加程度高于未考虑性能劣化的构件(桩、支座)。(4)基于结构可靠度理论和拉索失效模式的具体分析,提出采用不同损伤状态下的分级串联斜拉桥系统可靠度模型。(5)采用界限法对斜拉桥系统的时变地震易损性进行研究,结果表明,斜拉桥系统的损伤概率高于单一构件,且系统损伤概率随着服役时长的增加而提高;当某一构件的损伤概率远高于其他构件时,会导致斜拉桥系统的损伤概率与该构件十分接近;因此,在轻微损伤和中等损伤状态下,斜拉桥系统的损伤概率受支座损伤概率的影响较大,在严重损伤和完全破坏状态下,斜拉桥系统的损伤概率受桩基础损伤概率的影响较大。
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U448.27
【图文】：

斜拉桥,代表性

ｌ．ｉ研究背景及意义逡逑近几十年来，随着我国经济的快速发展以及对海洋资源和主权的高度重视，逡逑许多跨海或近海重大工程不断建设或纳入规划，尤其是为了满足沿海地区的交通逡逑需求，大跨度近海或跨海桥梁日益增加。在大跨度桥型方案的选择上，悬索桥和逡逑斜拉桥因其跨越能力强而受到青睐，相比悬索桥，斜拉桥无需锚碇结构，因此更逡逑具竞争力，在我国沿海地区江苏、福建、广东、海南等地多有建造。２０１９年建成逡逑通车的海南海文大桥（图ｌ－ｌ（ａ）），是全国抗风级别（可抗１７级台风）和防震等逡逑级（按９级地震设防）最高的跨海大桥，也是海南的地标性建筑之一。２０１８年建逡逑成通车的港珠澳大桥（图ｌ－ｌ（ｂ））是连接香港、珠海和澳门的超级桥隧工程，其逡逑主桥为三座大跨度钢结构斜拉桥，其不仅代表了我国桥梁建设的先进水平，更是逡逑综合国力的体现，同时也为两岸三地的经济、文化交流发挥了重要作用。表１－１逡逑列举了我国八座具有代表性的跨海斜拉桥。逡逑

示意图,离子扩散,阶段,示意图

逦北京交通大学硕士学位论文逦逡逑极Ｆｅ２＋搬运到混凝土中，由于混凝土呈碱性，Ｆｅ２＋将与ＯＨ－结合从而释放氯离子，逡逑继续加速钢筋腐蚀。通常氯离子在混凝土中的扩散可以概括为三个阶段，如图２－逡逑１所示：逡逑（１）扩散阶段。外界环境中的氯离子向混凝土内部逐渐扩散，混凝土内的逡逑氯离子浓度逐渐上升，当聚集于钢筋表面的氯离子浓度达到临界值时，钢筋与氯逡逑离子发生反应，钢筋开始锈蚀。逡逑（２）锈蚀阶段。钢筋与氯离子发生反应后，不断产生锈蚀产物，保护层混逡逑凝土因剪胀作用产生裂缝。裂缝加快了氯离子的入侵，钢筋锈蚀速率加快。随着逡逑锈蚀产物剪胀作用的不断增强，裂缝宽度增大，保护层混凝土发生剥落。逡逑（３）退化阶段。保护层混凝土剥落后导致钢筋完全暴露于空气中，钢筋混逡逑凝土材料性能明显降低，导致结构的性能产生显著退化。逡逑

离子,氯离子,氯离子浓度

逦北京交通大学硕士学位论文逦逡逑部的浓度差也越大，氯离子更易扩散到混凝土内部。ｃｓ受大气环境中的氯离子浓逡逑度的直接影响。在Ｄｕｍｃｒｅｔｅ模型中，钢筋混凝土的侵蚀环境被划分为浸没区、逡逑潮汐区、浪溉区和大气区四类，如图２－２所示。理论上，Ｇ随时间的增加而逐渐逡逑累积，并且累积速度与所在环境下的温度、湿度、气候等都有密切联系。然而，逡逑在稳定环境下，混凝土结构在服役一定时间后，其表面氯离子基本达到饱和，氯逡逑离子浓度趋于恒定值，不会发生较大的波动，并且相对整个桥梁服役期而言，表逡逑面氯离子浓度达到饱和的时间较短。因此，Ｄｕｒａｃｒｅｔｅ模型中假定表面氯离子浓度逡逑不随时间变化：逡逑Ｃｓ邋＝Ａｓ（ｗ／ｂ）邋＋邋ｅｓ逦（２－４）逡逑式中ｗ／６为水胶比；ｄｓ，ｅｓ分别为与环境相关的系数。Ｄｕｒａｃｒｅｔｅ模型根据大量的逡逑试验数据，给出了不同环境下和＆的概率分布特征，如表２－３所示。逡逑

【参考文献】