考虑氯离子侵蚀的桥梁地震易损性及抗震加固策略研究

发布时间：2020-08-07 12:36

【摘要】：随着人们对震害认识的加深以及防灾意识的提高,桥梁抗震设计理论及计算方法日益完善。然而,现阶段的抗震分析主要面向新建桥梁。事实上,多数桥梁处于非常恶劣的服役环境,跨越山谷或者江河,常年暴露在空气中,接触土壤和水,不可避免地遭受环境因素的影响。其中,氯离子侵蚀是影响钢筋混凝土结构性能最主要的环境因素之一。在氯离子侵蚀作用下,桥梁的抗震能力及动力特性均有别于新建桥梁。显然,传统的桥梁抗震分析无法适用于此类桥梁。随着我国基础建设不断深化,我国桥梁老龄化日益严重,建立退化桥梁的抗震性能评估方法日趋迫切。另一方面,对于地震频发地区的桥梁而言,抗震性能是一项重要的设计考虑因素。在这种情况下,桥梁抗震性能可能很大程度决定桥梁整体或部分构件的安全性。随着服役桥梁抗震性能不断退化,地震安全性也将持续降低,为保证其抗震性能满足设计初期的既定目标,有必要对退化桥梁进行及时的抗震加固。显然,不合理的抗震加固策略不仅将导致资金的浪费,更为重要的是可能导致退化桥梁面临巨大的潜在地震风险。在这种情况下,如何制定科学、合理的加固策略,明确最优的加固措施、合适的加固时间就显得尤为重要。基于上述原因,本文以基于性能的抗震设计(Performance-based Seismic Design,PBSD)理念为指导,建立了退化桥梁地震易损性评估方法,揭示其抗震可靠度时变规律。针对服役桥梁抗震性能退化的问题,提出了桥梁抗震加固策略优化方法。论文的具体研究内容如下:(1)以国内常见的中等跨径钢筋混凝土连续梁桥为研究背景,考虑材料及边界非线性,建立桥梁有限元动力模型。通过非线性时程分析并结合对数回归分析,对8种常用地震动强度指标的合理性进行评估,并给出地震动强度指标选择建议。在此基础上,建立构件及桥梁系统易损性曲线,并对桥梁地震损伤特性进行分析。随后,将我国桥梁抗震设计规范与地震易损性曲线相结合,阐述桥梁抗震可靠性评估的思路。(2)结合Duracrete模型及以往试验结果,确定氯离子扩散及钢筋锈蚀参数的概率分布类型及统计特征。采用Monte-Carlo模拟方法,获得四类侵蚀环境下钢筋初始锈蚀时间样本分布,确定初始锈蚀时间合理分布模型。根据钢筋锈蚀率分布特征,提出基于混合模型的钢筋锈蚀率分布规律描述方法。对各类参数进行敏感性分析,定量地研究了不同因素对钢筋初始锈蚀时间及锈蚀率的影响。随后,结合材料退化机理及钢筋锈蚀率时变规律,建立材料退化模型。(3)对非一致侵蚀环境下,退化桥墩抗震能力及地震响应的时变规律进行研究。对桥墩塑性铰演变机理进行详细阐述,提出桥墩塑性铰演变概率的评估方法。随后,总结了考虑桥墩退化的桥梁时变地震易损性分析流程,建立了桥梁构件及系统的时变地震易损性曲线,并对不同构件及桥梁系统的时变损伤特征进行研究。此外,提出一种将离散的时变易损性曲线扩展为时变易损性曲面的简便方法。(4)从抗震的角度阐述了退化桥梁加固策略优化理论,并提出了基于抗震可靠度模型及等效截面参数模型的桥梁抗震可靠度退化规律的计算方法。详细介绍了等效截面参数模型的确定原理及建立流程。结合响应面理论,阐述了抗震可靠度模型的构建方法。以NSGA-II多目标优化算法为工具,建立了退化桥梁抗震加固策略优化的详细流程,并对算例桥梁进行优化分析。(5)结合PEER地震风险评估框架,建立了基于桥梁系统损伤的时变地震损失评估方法。将地震危险性分析与我国桥梁抗震设计规范相结合,得到了不同抗震设防类别的桥梁在各设防烈度下的地震危险性曲线。结合以往的研究,确定了桥梁地震损失的组成及计算模型。基于全寿命抗震设计理念并结合第5章的抗震加固策略优化方法,进一步建立了考虑地震损失的退化桥梁全寿命抗震加固策略优化方法。最后,对算例桥梁进行地震损失评估及全寿命抗震加固策略优化分析。通过上述研究,揭示了氯离子侵蚀作用下桥梁抗震性能退化规律,建立了较为完整的基于性能的退化桥梁地震易损性评估方法及流程。同时,提出了退化桥梁抗震加固策略优化方法,为服役桥梁进行基于性能的抗震性能评估,制定科学的抗震加固策略提供思路,为地震易损性分析方法由理论走向实用奠定基础。同时,分析结果可为同类桥梁提供一定的参考。
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U442.55;U445.72
【图文】：

桥梁震害,经济损失

带来了巨大的经济损失（图1.1b）。1994 年，美国的 Northridge 地震[3]导致 Los Angeles 地区包括一座立交枢a）唐山地震d）阪神地震f）汶川地震c）Northridge地震b）Loma Prieta地震e）集集地震

振型图,振型,桥梁,地震波

图 2.5 桥梁振型图2.3.3 地震波选择地震动的不确定性对易损性结果有重要影响。合理选择地震波是充分考虑地震动不确定性的重要途径之一[159]。从地震易损性理论的本质来说，合理的地震波应当具有较广的强度范围，能够包含足够类型的地震事件。本文根据 Shome 和Huang 的建议[160]，将地震波按照震级和震中距划分为四类：（1）强震近距(LMSR)（2）强震远距(LMLR)；（3）小震近距(SMSR)；（4）小震远距(SMLR)。从 PEE地震库中[161]选取每类地震波各 25 条，共计 100 条，用于后续的非线性时程分析。所选地震波信息列于附表 1。6.57.07.58.0LMLR (25 条)级震LMSR (25 条)10-210-11001011.0TT=1.35s加谱速度g/TL=1.67s

服役时间,钢筋锈蚀率,时变,大气区

0 20 40 60 80 1000.00.20.40.60.81.00 20 40 60 80 1000.00.20.40.60.81.00 20 40 60 80 1000.00.20.40.60.81.00 20 40 60 80 1000.00.20.40.60.81.01.01.0浸没区浸没区服役时间 /年服役时间 /年蚀率锈服役时间 /年蚀率锈服役时间 /年蚀锈率服役时间 /年大气区大气区蚀锈率服役时间 /年浪溅区浪溅区

【相似文献】