1、第 卷 第 期 年 月自 然 灾 害 学 报 .收稿日期:修回日期:基金项目:黑龙江省高等教育教学改革研究项目()浙江省基础公益研究计划项目()湖州职业技术学院高层次人才专项课题():()()()作者简介:孙 路()女副教授博士主要从事生命线抗震研究:.通讯作者:李廷辉()男博士研究生主要从事生命线抗震及易损性研究:.文章编号:()./.冻融循环作用下的钢筋混凝土梁桥地震易损性分析孙 路李廷辉(.湖州职业技术学院浙江 湖州 .中国地震局工程力学研究所 地震工程与工程振动重点实验室黑龙江 哈尔滨 .地震灾害防治应急管理部重点实验室黑龙江 哈尔滨.湖州市绿色建筑技术重点实验室浙江 湖州)摘 要:基
2、于冻融循环作用下混凝土力学性能退化规律结合地震与冻融循环的不确定性采用时变地震易损性分析方法对桥梁体系进行分析提出了考虑冻融循环作用的混凝土梁桥地震易损性分析框架 研究结果表明在冻融循环作用下冻融桥墩截面的抗弯承载力和极限曲率随使用寿命的增加而退化等效屈服曲率略有增加 随着冻融循环次数的增加桥墩冻融区的力学性能不断退化桥墩塑性铰从桥墩底部转移到冻融区 随着冻融循环次数的增加桥墩与支座的地震易损性都表现出了先增大后减小再增大的现象关键词:梁桥易损性冻融循环地震中图分类号:文献标识码:(.):.:自 然 灾 害 学 报第 卷引言混凝土桥梁作为交通系统中的重要一环长期暴露在自然环境中不断遭受环境侵蚀
3、的作用(冲刷、氯离子侵蚀、冻融循环等)而在侵蚀作用下桥梁的力学性能会受到影响 在我国北方地区冬季气温时常低于零度混凝土孔隙中的水受冻结冰体积膨胀在膨胀力的作用下材料的内部结构出现裂缝冻融现象会随气温的升高与降低反复发生在循环作用下结构内部的损伤不断积累裂缝会不断地延伸与扩张最终相互贯通这是引起混凝土耐久性失效的原因之一 综上所述对于跨河桥梁来讲其在冻融循环作用下会产生不可逆的损伤另外北方冬季多用除冰盐清雪这也会加剧桥梁的冻融破坏目前混凝土的冻融破坏机理主要包括静水压假说、渗透压假说、温度应力假说等 李金玉等通过快速冻融试验分别研究了普通混凝土、引气混凝土、高强混凝土水饱和状态下的冻融破坏机理试
4、验项目包括抗压强度、抗弯强度、抗拉强度和动弹性模量等 商怀帅等基于疲劳损伤理论把混凝土结构的冻融破坏等效为不同正负温差顺序作用产生的疲劳累积损伤破坏 牛荻涛等基于威布尔分布在现有的实验数据基础上量化了混凝土损伤度与冻融循环次数的关系 许玉琢等研究了冻融作用后混凝土的力学性能衰减规律并从材料性能与力学性能两方面分析了冻融作用对混凝土使用寿命的影响 研究了位于加拿大的一座桥梁这座桥梁经历了 次修复桥墩由于冻融循环而严重受损在对损伤进行了详细测定后制定了修复计划 等研究了冻融循环作用下再生骨料混凝土()柱的地震易损性结果发现随着冻融循环次数的增加地震易损性逐渐增加并且随着再生粗骨料替代率的增加地震易
5、损性增加的更加明显地震易损性分析作为一种评估手段可以有效地评价结构的力学性能退化本文基于混凝土材料在冻融环境下的力学性能退化规律结合地震作用以及冻融循环的不确定性提出了一种冻融环境下的桥梁地震易损性分析方法冻融循环对混凝土力学性能的影响混凝土的冻融损伤是由混凝土中溶液的冻结引起的 混凝土内部的液体冻结后内力直接作用于内部孔隙导致混凝土内部出现不可逆的微裂缝 在冻融循环作用下混凝土结构孔隙内部反复出现内力使混凝土内部的微裂缝不断积累、延伸、相互连接最终形成可见裂缝这一过程在宏观上体现为混凝土力学性能的退化 随着冻融循环次数的增加混凝土的压应力应变曲线逐渐变平峰值应力减小峰值应变增大.冻融次数与混
6、凝土力学性能的关系对于素混凝土的抗压强度一般认为其与冻融循环次数呈线性关系 等对混凝土试件进行冻融循环试验得到了素混凝土力学性能与冻融次数的关系如式()式()所示:.()(.)()(.)()式中:为素混凝土经过多次冻融循环后的抗压强度()为素混凝土经过多次冻融循环前的抗压强度()为冻融循环次数 为素混凝土经过多次冻融循环后的峰值应变 为素混凝土经过多次冻融循环前的峰值应变 为素混凝土经过多次冻融循环后的弹性模量()为素混凝土冻融前弹性模量()约束混凝土力学性能与冻融次数的关系如式()式()所示:.(.)()第 期孙 路等:冻融循环作用下的钢筋混凝土梁桥地震易损性分析 .(.).(.)()(.)
7、.(.)/(.)().(.)/()式中:为冻融循环后约束混凝土的抗压强度()为冻融循环前约束混凝土的抗压强度()为冻融循环后约束混凝土的峰值应变 为冻融循环前约束混凝土的峰值应变 为冻融循环后约束混凝土的弹性模量()为受约束混凝土冻融前弹性模量()为约束指数取值范围为.根据文献中给出的箍筋抗拉强度、混凝土抗压强度、混凝土保护层厚度、桥墩直径 的均值和标准差由文献中给出的方程可计算出一系列 经正态分布拟合得到其均值和标准差分别为.和.如图 所示殷英政等统计了我国主要城市冻融循环次数在 范围内哈尔滨冻融循环次数为 次天津为 次大连为 次威海为 次 出于安全考虑本文选取的冻融循环值最大值为 次/根据
8、学者们的研究中国不同地区混凝土室内外冻融循环关系如式()所示:()式中:为混凝土结构的使用寿命()为实验室环境下快速冻融循环次数 为混凝土结构在实际环境下每年遭受冻融循环次数 为冻融比李金玉等通过对混凝土的一系列抗冻性试验和室内外结果对比分析得到室内外冻融次数之比一般可取 通过测量混凝土试件的动弹性模量和超声速度建立了实验室和自然条件下水工混凝土的冻融关系 在快速冻融循环次数与动态弹性模量的关系中引入了试件的动弹性模量室内外冻融循环比为.的值在李金玉等和 等之间有一定的差异究其原因主要是没有使用服役多年的核心样本建立关系公式 根据文献中的数据分别拟合出室内与室外条件下混凝土的动弹性模量与冻融次
9、数的关系然后将这 种关系导出的动弹性模量一一对应得到室内与室外的冻融次数之比 经正态分布拟合冻融比均值为.标准差为.根据文献中给出的数据冻融次数比值的均值和标准差分别为.和.篇论文差异较大的原因是文献的数据量较小 本文假设 服从正态分布均值为.标准差为 如图 所示 图 的概率密度 图 的概率密度 .由式()式()可得混凝土在不同服役时间下的平均力学性能如表 所示 冻融循环作用下素混凝土和约束混凝土力学性能的时变规律如图 所示表 不同服役时间下混凝土的平均力学性能 时间/.自 然 灾 害 学 报第 卷 续表时间/.图 素混凝土和约束混凝土的力学性能.混凝土冻融深度的确定混凝土的冻融过程是一个复杂
10、的动力学过程 干湿循环、冻融循环和温度变化是冻融破坏的必要条件由于混凝土是多孔材料其孔隙水的冰点与孔隙的孔径有关 当温度低于 时孔径大于 的孔隙水可以结冰 由于混凝土构件的表面温度与内部温度存在差异冻融循环可视为一种周期性变化 对于具有周期变化的均匀半无限体的温度场导热方程为:()()()()第 期孙 路等:冻融循环作用下的钢筋混凝土梁桥地震易损性分析式中:为平均温度()为构件表面的温度差()为温度变化周期()为热扩散系数(/)为时间()为距构件表面的距离()()为距构件表面为 时 时刻的温度()本文取./为使降温速率与实验室降温速率(./)一致.根据式()计算的混凝土结构温度变化如图 所示
11、由图 可知距离混凝土表面 为冻融区与非冻融区边界以此可以确定桥墩的冻融深度桥墩冻融区域如图 所示 图 不同深度下温度随时间的变化规律 图 桥墩冻融区截面.实际情况中冻融循环作用会导致构件表面的混凝土发生剥落造成桥墩截面发生改变进而影响桥墩温度场导致冻融边界发生迁移但目前还未见冻融循环作用下混凝土剥蚀量的时间演化模型因此本文在计算冻融循环作用时并未考虑混凝土剥蚀由于截面未发生改变不考虑冻融区截面三部分的边界随时间的推移冻融循环作用下桥梁性能退化图 冻融桥墩的弯矩曲率关系.冻融桥墩截面可分为三部分如图 所示最外层为受冻融影响的无约束混凝土中间层为受箍筋约束且受冻融影响的混凝土最内层为受箍筋约束且不
12、受冻融影响的混凝土 采用基于纤维截面的非线性梁柱单元模拟钢筋混凝土桥墩 钢筋本构关系采用 模型混凝土材料本构关系采用 模型 利用 软件计算了冻融循环作用下桥墩的弯矩曲率关系并对桥墩的抗震能力进行了评价 当桥梁服役、时冻融桥墩截面弯矩曲率关系如图 和表 所示 在冻融循环作用下冻融桥墩截面的抗弯承载力和极限曲率随使用寿命的增加而退化等效屈服曲率略有增加表 冻融桥墩的弯矩曲率 服役时间/等效屈服曲率(/).等效弯矩/()极限曲率(/).极限弯矩/()冻融循环作用下的桥梁地震易损性结构的地震易损性是在不同地震动烈度 下结构的地震需求 超过由损伤定义的结构抗震能力 自 然 灾 害 学 报第 卷的条件概率
13、地震易损性可表示为式()所示:(/)()式中:为标准正态分布函数 为地震需求 为抗震能力 为地震需求 的对数标准差 为抗震能力 的对数标准差.桥梁结构有限元分析模型参考北方某简支梁桥给出具体设计参数:上部结构为 混凝土箱梁桥面宽为 单箱双室平面线形为直线正交桥梁桥台类型为重力式桥台 梁高为.无截面高度变化翼缘板悬臂为.下部结构为双柱式圆形墩桥墩高 直径.配置 根 钢筋配筋率.箍筋为 螺旋配置配箍率.桥墩采用 混凝土混凝土保护层为 基础为钻孔灌注桩配筋与桥墩相同 支座为板式橡胶支座规格为 在实际工程中板式橡胶支座通常会定期更换因此本文不考虑支座性能退化问题 采用纤维梁柱单元模拟桥墩而梁体通常震害
14、较轻可采用弹性梁单元模拟盖梁一般按能力保护构件设计也采用弹性梁单元模拟桥梁结构示意图如图 所示图 桥梁结构示意图.构件损伤指标对于大剪跨比及小轴压比桥墩一般发生弯曲破坏在计算桥墩地震易损性时常用的损伤指标有位移延性比及曲率延性比 曲率延性比 为不同破坏状体下桥墩截面的界限曲率与截面首次屈服曲率的比值 等使用贝叶斯方法根据 中关于桥梁 种破坏状态的描述给出了各破坏状态下曲率延性比取值范围如表 所示对应的曲率延性比 表达式如表 所示表 桥梁结构损伤状态描述与曲率延性比 取值范围 损伤状态损伤描述取值范围基本完好钢筋未屈服混凝土存在细微裂缝.轻微破坏首根钢筋屈服混凝土出现明显裂缝.中等破坏塑性铰开始
15、形成出现非线性变形保护层混凝土剥落存在明显的裂缝发展.严重破坏塑性铰完全形成出现宽度较大的裂缝混凝土剥落.第 期孙 路等:冻融循环作用下的钢筋混凝土梁桥地震易损性分析 综合考虑文献以及抗震规范本文采用容许剪切应变(各极限状态下允许相对位移与剪切应变等于 时的支座相对位移之比)来定义支座损伤状态如表 所示表 板式橡胶支座 各损伤状态取值范围 损伤指标取值范围轻微破坏中等破坏严重破坏毁坏.地震动记录选取图 条地震动记录反应谱(.).(.)建筑抗震设计规范规定采用时程分析法时应按照场地类型选用地震波因 此 本 文 从 太 平 洋 地 震 工 程 研 究 中 心()选取了 条符合类场地的天然地震动记录
16、 采用地震动易损性分析普遍采用的(地面峰值加速)作为地震动输入为便于回归分析所选地震动记录的峰值加速度()分布范围应尽可能宽约为.当地震动记录缺乏一定范围(如.的)时可以对少量地震动记录进行调幅补充但每个地震动记录在计算中只能使用一次 图 为 条地震记录对应的反应谱.地震易损性分析首先确定桥梁的高低水位对于冻融循环情况沿桥墩高度桥墩可划分为冻融区和非冻融区(浸没区与大气区)根据冻融环境计算出高水位和低水位之间的桥墩材料退化情况桥墩其他位置则为非冻融区不需考虑冻融循环作用的影响 依据前文所述方法建立冻融循环条件下不同服役时间的桥梁结构模型根据式()式()计算退化后的桥墩力学性能随着冻融循环次数的
17、增加桥墩冻融区的力学性能不断退化而非冻融区的力学性能不受冻融循环的影响因此不同区间的力学性能差异随着冻融循环次数的增加而增大 由图 可知冻融区的曲率随着冻融次数的增加不断增大最终在 时桥墩的塑性铰从桥墩底部转移到冻融区图 冻融循环条件下沿桥墩高度的曲率分布.随着桥梁服役时间的不断增加冻融循环作用对桥墩的力学性能影响程度也在不断增加由图 与表 可知随着冻融循环次数的增加桥墩与支座的地震易损性都表现出了先增大后减小再增大的现象这是因为在冻融循环次数不断增加的过程中桥墩冻融区的曲率也在不断增加而桥墩底部的曲率有一定程度的减小在塑性铰还未转移时桥墩的塑性铰出现在桥墩底部此时桥墩与支座的地震易损性略有降
18、低当冻自 然 灾 害 学 报第 卷融循环次数增大到一定程度时冻融区的桥墩曲率超过非冻融区曲率桥墩塑性铰由桥墩底部转移到桥墩冻融区此时桥墩与支座的地震易损性有着明显升高图 冻融循环条件下桥梁各构件地震易损性曲线.第 期孙 路等:冻融循环作用下的钢筋混凝土梁桥地震易损性分析表 冻融循环条件下桥梁地震易损性模型的均值 与标准差 服役时间/破坏状态轻微破坏桥墩支座中等破坏桥墩支座严重破坏桥墩支座毁坏桥墩支座均 值.标准差.均 值.标准差.均 值.标准差.均 值.标准差.均 值.标准差.结论基于冻融循环环境下混凝土材料力学性能的退化规律结合地震作用和冻融循环的不确定性采用时变易损性分析方法提出了考虑地震
19、和冻融循环影响的桥梁易损性分析框架 主要结论如下:)在冻融循环作用下冻融桥墩截面的抗弯承载力和极限曲率随使用寿命的增加而退化等效屈服曲率略有增加)随着冻融循环次数的增加桥墩冻融区的力学性能不断退化而非冻融区的力学性能不受冻融循环的影响因此不同区间的力学性能差异随着冻融循环次数的增加而增大最终在 时桥墩的塑性铰从桥墩底部转移到冻融区)随着冻融循环次数的增加桥墩与支座的地震易损性都表现出了先增大后减小再增大的现象这是因为在冻融循环次数不断增加的过程中桥墩冻融区的曲率也在不断增加而桥墩底部的曲率有一定程度的减小在塑性铰还未转移时桥墩的塑性铰出现在桥墩底部此时桥墩与支座的地震易损性略有降低当冻融循环次
20、数增大到一定程度时冻融区的桥墩曲率超过非冻融区曲率桥墩塑性铰由桥墩底部转移到桥墩冻融区此时桥墩与支座的地震易损性有着明显升高本文虽研究了冻融循环作用下不同服役时间点初次发生地震时的桥梁地震易损性但在桥梁漫长的服役过程中桥梁有可能遭受多次地震作用如果不及时进行加固补强那么在下一次地震作用下桥梁会因累积损伤产生更加严重的破坏如何将冻融循环与地震次数耦合在一起是未来研究需要解决的问题参考文献:李金玉 曹建国 徐文雨 等.混凝土冻融破坏机理的研究.水利学报 ():.():.()商怀帅 欧进萍 宋玉普.混凝土结构冻融损伤理论及冻融可靠度分析.工程力学 ():.():.()牛荻涛 肖前慧.混凝土冻融损伤特
21、性分析及寿命预测.西安建筑科技大学学报(自然科学版)():.()():.()许玉琢 李学芳 张澎丽.冻融循环作用对混凝土桥梁寿命的影响.河北工业大学学报 ():.():.().:.自 然 灾 害 学 报第 卷 .():.:.():.庞于涛 袁万城 沈国煜 等.基于结构易损性分析的公路桥梁可靠度研究.哈尔滨工程大学学报 ():.():.()殷英政 李志国.我国代表城市混凝土冻融循环次数探讨.低温建筑技术 ():.():.()屈锋.盐冻环境下混凝土构件耐久性及寿命预测研究.西安:西安建筑科技大学.:.()李金玉 曹建国 林莉 等.水工混凝土耐久性研究的新进展.水力发电():.():.()李金玉 彭
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