氯离子侵蚀下在役钢筋混凝土桥墩全寿命抗震性能研究

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桥梁是交通的咽喉,在抗震救灾过程中具有举足轻重的地位。但桥梁结构随着服役时间的推移,在多因素的影响下其材料性能会发生退化,尤其是在环境氯离子的侵蚀下,钢筋混凝土材料性能劣化会更加严重。桥墩作为桥梁中重要的受力构件,其在地震作用下能否保持稳定将直接影响到整座桥梁的安全性。因此,本文基于除冰盐环境下氯离子的侵蚀效应,探究全寿命周期内在役钢筋混凝土桥墩的抗震性能,并对其时效地震易损性进行评估。本文以山西省祁临高速公路在役桥梁为研究对象,结合现场调研、桥梁检测以及理论分析对祁临高速公路典型在役桥墩的材料性能劣化规律和桥墩在全寿命周期内的时效易损性展开研究。基于现场检测的氯离子含量数据提出了除冰盐环境下氯离子扩散修正模型,研究了除冰盐环境下钢筋混凝土材料力学性能的劣化规律,分析了氯离子侵蚀下的在役桥墩抗震能力,建立了考虑材料性能劣化的在役桥墩地震易损性分析模型,计算了地震作用下桥墩达到或超过某种特定损伤状态的失效概率。主要研究内容和成果如下:(1)开展了山西省祁临高速公路在役桥梁的现场调研,调研发现梁式桥在祁临高速公路所有的桥梁结构体系中占到了93%。山西省祁临高速地区冬季平均气温均在0℃以下,冬季道路积雪和结冰现象比较严重,撒布除冰盐是清除路面积雪的主要措施。除冰盐中含有的氯离子对桥梁结构的损伤较为严重,桥墩以及盖梁出现混凝土保护层剥落、钢筋锈蚀以及混凝土开裂等病害。(2)以山西省祁临高速公路在役桥梁的氯离子含量检测数据为依据,对Duracrete模型进行了修正,得到了除冰盐环境下氯离子扩散模型的环境影响修正系数kie=0.845,提出了除冰盐环境下的氯离子扩散修正模型。根据得到的氯离子扩散修正模型推导出了钢筋初始锈蚀时间的计算公式,并提出了钢筋和混凝土的材料性能退化模型。(3)以祁临高速公路典型在役桥梁洪善公铁立交桥为研究对象,计算钢筋初始锈蚀时间,研究其材料性能时变劣化规律。采用OpenSees建立了考虑材料性能劣化的有限元模型,并对其进行非线性动力时程分析,比较分析服役时间为(0100)年桥墩的地震响应结果。结果表明纵筋的锈蚀主要使桥墩的抗弯能力大幅下降,而箍筋的锈蚀主要使桥墩的延性大幅下降。(4)结合氯离子侵蚀下钢筋混凝土材料性能退化模型,引入锈蚀钢筋直径和屈服强度、保护层混凝土的抗压强度、约束混凝土峰值应变和极限应变等劣化指标,建立了考虑材料性能劣化的桥墩地震易损性分析模型,并绘制了在役桥墩服役期为(0100)年的时效易损性曲线。比较分析桥墩在不同服役时间的易损性概率曲线,完成了对桥墩全寿命周期内的易损性评估。
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