锈蚀钢筋混凝土墩柱抗震性能试验和数值分析

陈 光， 陈俊成， 周 彤， 兰大磊， 黄海新

(1.中电建冀交高速公路投资发展有限公司， 河北 石家庄 050000； 2.河北工业大学 土木与交通学院， 天津 300401)

0 引言

桥梁作为交通基础设施的关键性枢纽工程，在社会经济生活中发挥着举足轻重的作用。然而，由于自然环境和人为因素的影响，部分桥梁出现了钢筋锈蚀病害，难以满足结构正常使用需求，尤其是桥梁墩柱钢筋锈蚀会危及结构抗震安全，这已引发众多学者的关注。其中，在桥墩抗震锈蚀位置研究方面，刘婕[1]和李刚[2]分别采用有限元方式进行了数值模拟，并发现墩底钢筋锈蚀导致桥墩塑性变形增大，承载能力降低，但其研究成果并未进行试验验证，同时亦未对桥墩的抗震风险进行评估。NI CHOINE[3]和AKIYAMA[4]虽采用易损性方法进行了锈蚀钢筋混凝土桥墩抗震安全性评定，但研究因素仅限于使用年限和钢筋锈蚀程度，并未考虑锈蚀位置变化对结构抗震安全可能带来的不同影响。在轴压比对钢筋混凝土墩柱的抗震性能影响研究方面，赵建锋[5]通过建立模型分析了无锈蚀状态下轴压比对RC桥墩易损性的影响。郑山锁[6]考虑了桥墩的锈蚀问题，重点分析了锈蚀条件下轴压比对试件抗震性能指标的影响，但尚未研究不同程度破坏状态下结构对应的失效概率。

综上可见，当前关于锈蚀位置和轴压比对锈蚀RC桥墩抗震性能影响的研究主要以数值模拟为主，试验数据尚不充分，且未能深入分析结构的易损性。鉴于此，本文设计制作3个不同轴压比和不同锈蚀位置的锈蚀RC矩形桥墩构件，基于拟静力试验分析了轴压比和锈蚀位置对其抗震性能的影响，并进一步研讨了易损性曲线的变化规律，以期为锈蚀RC桥墩的地震风险评估提供参考。

1 钢筋锈蚀墩柱拟静力试验设计

1.1 墩柱构件尺寸和材料选取

依据表1拟定的锈蚀位置和轴压比参数，试验设计制作了编号分别为A1、A2和A3的钢筋混凝土墩柱试件，其具体构造和尺寸如图1所示。试件采用强度等级为C30的混凝土，纵筋和箍筋分别选用HRB335 和HPB235 钢筋，箍筋间距100 mm，钢筋材料具体规格和实测强度值见表2。

表1 试件试验参数设计Table 1 Test parameters design试件编号轴压比锈蚀位置/mmA10.100～400A20.150～400A30.15500～900

图1 试件尺寸图(单位： mm)Figure 1 Dimensional drawing of the test piece(Unit： mm)

表2 钢筋材料参数Table 2 Reinforcement material parameters类型钢筋材料直径/mm屈服强度/MPa极限强度/MPa纵筋HRB33520384528箍筋HPB2358325434

1.2 墩柱钢筋局部锈蚀模拟

本试验采用基于氯离子的电化学加速方法模拟钢筋的锈蚀。如图2所示，试件养护完成后将待锈蚀区域置于5%浓度的NaCl溶液中，电源阳极与待锈蚀钢筋连接，阴极则连接安放在溶液中的铜丝网，这样在电流的催化作用下，具有极强氧化性的氯离子会破坏钢筋表面的钝化膜[7]，增大混凝土孔隙中溶液的导电性，加速电子流动，促进钢筋锈蚀。

图2 构件钢筋锈蚀模拟图Figure 2 Steel corrosion simulation diagram of test specimen

1.3 拟静力试验装置与加载方式

如图3所示，锈蚀RC墩柱试件底座通过栓接固定于地面，竖向轴力由支撑于门架上的竖向千斤顶施加，水平往复荷载由水平作动器施加，竖向和水平加载装置与试件间均设置压力传感器。试验采用位移分级循环控制加载的方式，加载前期以5 mm为初始位移并以5 mm逐级递增，循环加载两次，当累计位移到20 mm时，调整后期增量为10 mm，循环加载3次。试验中，当水平承载力降低至0.85倍的峰值承载力时，判定构件失效破坏，停止加载。

图3 墩柱试件拟静力加载Figure 3 Pseudo-static loading of test specimen

1.4 试验量测项目及测点布置

混凝土浇筑前，对每个试件8根纵筋在距墩柱底面50 mm和250 mm位置处均打磨、粘贴应变片，同时在墩柱底面上方100 mm和300 mm处的箍筋上布置4个应变片，单个试件钢筋共计设24个测点。墩顶力和墩顶水平位移通过压力传感器和电子位移计连接到电脑，实时连续采集试验构件反应数据。此外，将试件柱身的4个面用白乳漆均匀覆盖并绘出50 mm×50 mm 的方格，试验过程中时刻观察、记录裂缝宽度，同时用不同颜色的彩笔标记出裂缝的扩展轨迹，掌握试件在拟静力加载过程中裂缝的时变演化特点。

2 拟静力试验结果与分析

2.1 试件破坏表征

观察试件开裂破坏过程发现，A1、A2试件首条裂缝均在水平位移达到5 mm幅值时出现，但显现位置及宽度并不相同，二者分别发生在距墩底截面10 mm和20 mm处，对应缝宽依次为0.05 mm和0.1 mm，A3试件在水平位移幅值达到10 mm距墩底截面20 mm处初现裂缝，缝宽为0.05 mm；随水平位移幅值增加，新的裂缝不断产生，已出现裂缝逐渐向两侧水平延伸，宽度逐渐增加；水平位移幅值达到30 mm时，A1试件开始出现斜裂缝，同时已有裂缝开始向不同方向延伸，而A2、A3试件在水平位移幅值达到40 mm时出现斜裂缝；水平位移幅值分别达到50、50、60 mm时，A1、A2、A3试件底部混凝土逐渐被压碎；水平位移幅值达到80 mm时，3个试件侧向力降低至最大数值的85%，达到极限状态，墩柱试件破坏失效。

(a) A1构件

可以看出，在锈蚀位置相同的情况下，轴压比越小，试件开裂越早，裂缝越多，但裂缝宽度较小；轴压比相同时，墩底锈蚀试件比墩顶锈蚀试件更易开裂，且裂缝开展宽度更大。

2.2 试件滞回特性和延性分析

桥墩试件滞回曲线见图5。从中可见，刚开始加载时，水平位移幅值较小，构件处于弹性阶段，其滞回曲线上升速度较快，斜率较大；随着水平位移幅值增大，混凝土逐渐开裂，滞回曲线呈现梭型；达到最大墩顶侧向力后，滞回曲线上升幅度变缓，强度逐步下降，且随循环次数越多，下降速率越快。对比3个试件的滞回曲线图，可以发现:锈蚀位置一定时，轴压比越大，最大墩底侧向力越大，但墩顶侧向力退化较快，滞回环面积明显减小；轴压比一定时，锈蚀发生在墩柱中部较锈蚀发生在墩底处时，墩顶最大侧向力增大，滞回环面积也明显增大，且刚度退化减慢。

(a) A1构件

桥墩试件的骨架曲线对比情况见图6，骨架曲线的特征点数据见表4。表4中，Fy、Fmax、Fu分别为屈服强度、墩顶最大侧向力和极限强度(最大侧向力的85%)；Δy、Δmax和Δu分别为其对应的位移；μ表示位移延性系数，其值等于Δu/Δy[8]。

图6 桥墩试件骨架曲线

表4 桥墩试件特征点数值Table 4 Values of characteristic points of bridge piers构件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

从图6中可见，锈蚀位置一定时，轴压比越大，锈蚀RC桥墩屈服强度和最大墩顶侧向力越大，分别提升2.8%和9.1%，说明轴压比对锈蚀钢筋混凝土桥墩的最大墩顶侧向力影响比屈服强度大；相反，轴压比越小，屈服位移越小，极限位移越大，表明其变形能力越大，延性越好；轴压比一定时，锈蚀位置处在墩底时RC矩形桥墩抗震性能下降最大，随着锈蚀位置由墩底向上移动，性能下降的速度逐步减缓，屈服强度和最大侧向力增大。此外，A3构件同A2构件对比，屈服强度提升17.4%，最大侧向力提升19.2%，说明屈服强度比最大侧向力更易受钢筋锈蚀影响。

从表4可知，锈蚀位置一定时，A1构件比A2构件的位移延性系数提升了5.48%，表明轴压比越大，延性越差，塑性变形能力越差；轴压比一定时，随着锈蚀位置由墩底上移，位移延性系数有所上升，增大约1.2%，表明随着锈蚀位置由墩底向上移动，钢筋锈蚀对桥墩延性的影响能力下降。

2.3 试件刚度退化性能分析

图7为由试验数据得到桥墩的刚度退化曲线,图中参数K0表示墩柱试件的初始刚度，Ki表示第i级循环下墩柱试件的刚度，二者的比值大小即为第i级循环下墩柱试件的刚度退化情况[9]。

图7 刚度退化曲线

如图7所示，A1构件与A2构件相比，前期刚度退化较慢，说明轴压比越大，构件前期刚度退化越快。但位移幅值达到30 mm以后，二者退化速率趋于一致，说明此时轴压比对刚度退化的影响较小；锈蚀RC矩形桥墩试件的刚度均随位移幅值增大而减小，且随锈蚀位置由墩底上移，试件刚度退化速率减慢，说明随锈蚀位置由墩底上移，钢筋锈蚀对钢筋混凝土桥墩刚度退化的影响减弱。

2.4 试件耗能能力分析

等效粘滞阻尼比是工程结构抗震领域衡量结构耗能能力的重要指标，按其数值大小比较结构耗能能力的强弱[10]，结合图8定义如下：

(1)

图8 粘滞阻尼系数定义图示Figure 8 Definition of viscous damping coefficient

等效粘滞阻尼系数随轴压比的变化见图9。由图9可知，轴压比越小的A1构件等效粘滞阻尼系数越显著大于轴压比较大的A2构件。当反复位移荷载处于0～15 mm区间时，等效粘滞阻尼系数出现下降的现象，且锈蚀位置越远离墩底，下降幅度和速度越快，之后随位移增大，等效粘滞阻尼系数迅速提升。轴压比一定时，等效粘滞阻尼系数随锈蚀位置由墩底上移并增大。说明随着锈蚀位置由墩底上移，钢筋锈蚀对于桥墩耗能能力的影响减弱。

图9 粘滞阻尼系数曲线

3 钢筋锈蚀墩柱易损性有限元分析

3.1 有限元模型建立

采用OpenSees建立有限元数值模型，模型所用参数基于试验结果确定，混凝土本构采用Concrete 01模型，钢材本构关系采用ReinforcingSteel本构模型，并采用Lee[11]提出的锈蚀钢筋退化效应修正钢筋锈蚀对模型的影响。图10为数值模型和试验的滞回曲线对比，可以看出，二者整体较为吻合，各特征点数值相近，总体轨迹吻合度较高，可以认为拟合效果较好，能够进行下一步分析。

(a)A1构件

3.2 易损性量化指标的选取

易损性曲线是地震动参数与结构失效概率的关系曲线，用来表示结构在不同强度的地震动作用下达到某一破坏状态的概率[12]，一般用条件概率表示如下 :

(2)

式中:Pf表示结构失效概率；Dd表示结构需求；Dc表示结构抗力；IM表示地震动强度参数。

在实施中，一般采用下式计算结构失效概率：

(3)

由于钢筋混凝土桥墩结构的相关特性及产生的震害大部分由墩顶水平位移表现，且在试验过程及IDA分析过程中，墩顶水平位移易于测量和读取，故这里采用墩顶漂移率作为损伤状态的量化指标，由实验测得具体数值见表5。

表5 损伤指标量化值Table 5 Quantitative damage index试件编号DrDyDmDuA10.311.372.505.01A20.311.382.564.78A30.621.443.075.03 注:根据HAZUS99中的定义[14],破坏状态可分为无破坏、轻微破坏、中等破坏、严重破坏与倒塌破坏共5类,其两两之间临界值可分别对应混凝土首次开裂、纵筋屈服、达到最大侧向力、达到极限位移时的墩顶漂移率。

(4)

式中:D表示墩顶漂移率；Deq表示地震动作用下墩顶的最大位移；H表示墩高。

3.3 易损性参数分析

文献[15]研究指出，仅选择单一的地震动强度指标时所得出的地震动强度参数与结构反应关系数据离散性较大，但是采用PGA作为强度指标进行调幅时，得到的地震动强度参数与结构反应关系数据相关性要高于其它指标。为此，本文以峰值加速度(PGA)为地震动参数，选择II类场地的10条地震动记录，对锈蚀RC桥墩进行IDA分析。每条地震动加速度调幅分为8个等级，绘制IDA 曲线如图11所示。

(a)A1构件

从图11中可见，锈蚀RC桥墩的漂移率随着轴压比的增加而缓慢加大，而随着锈蚀位置的上移则有所降低。

结构需求(Dd)与地震动参数(IM)之间的关系如下:

Dd=aIMb

(5)

对式(5)两边取对数，得:

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

A+BIn(IM)

(6)

式中:a、b、A和B为常数系数。

依据式(6)对计算数值进行回归分析，结果如图12所示。从中可见，结构需求与PGA间大致服从线性关系，回归曲线截距和斜率随轴压比越小而减小，且随着锈蚀位置由墩底向上移动亦呈减小的趋势。

3.4 易损性失效概率评价

把图12拟合得到的回归方程带入式(3)，可据此求得易损性失效概率，其对应的曲线如图13和图14所示。

(a)A1构件

(a) 轻微破坏

(a) 轻微破坏

由图13可见，不同轴压比下RC桥墩各个不同破坏状态对应的失效概率随地面峰值加速度PGA的增大而增大。发生轻微破坏时，相同PGA条件下，A2比A1的失效概率低，但发生中等破坏、严重破坏和倒塌破坏时，A2的失效概率均高于A1，这说明轴压比较低的锈蚀钢筋混凝土桥墩更易发生轻微破坏，但发生中等破坏、严重破坏和倒塌破坏的概率较低。

由图14可知，随地面峰值加速度PGA的增大，锈蚀钢筋混凝土桥墩发生轻微破坏、中等破坏、严重破坏和倒塌破坏的失效概率均显著增大。在PGA一定时，钢筋锈蚀位置上移后，发生不同破坏状态的失效概率均减小。相对而言，锈蚀位置的变化对于发生轻微破坏和严重破坏的影响更大。

4 结论

本文针对锈蚀钢筋混凝土桥墩以轴压比和锈蚀位置为参数开展了拟静力试验，探究了钢筋锈蚀对RC桥墩抗震性能的影响，继而采用OpenSees有限元软件建立纤维模型，对钢筋混凝土桥墩的地震易损性进行了评估。主要结论如下：

a.在相同锈蚀位置条件下，钢筋混凝土桥墩轴压比越大，最大墩底侧向力越大，但墩顶侧向力退化较快，耗能能力越弱；反之，轴压比越小，桥墩变形能力越大，延性越好，刚度退化较慢。

b.当钢筋混凝土桥墩轴压比一定时，锈蚀位置趋近墩底，钢筋混凝土桥墩的屈服强度、墩顶最大侧向力、延性系数和等效粘滞阻尼系数均下降明显，但降低幅度随锈蚀位置上移而变缓。在非墩底处的锈蚀位置可能出现第二个塑性铰，对此应加以关注。

c.在PGA不变时，锈蚀位置的变化对于桥墩发生轻微破坏和严重破坏的影响较大，而发生不同破坏状态的失效概率随钢筋锈蚀位置的上移而减小。轴压比较低时锈蚀RC桥墩易于发生轻微破坏现象，轴压比增大后，发生中等破坏、严重破坏和倒塌破坏的概率提升。