氯离子侵蚀下RC与UHPC桥墩时变地震效应分析

摘要

我国区域经济的交流越来越密切，基础设施工程向海洋、盐碱地等富含氯离子的环境中延伸。然而，氯离子对钢筋混凝土(RC)桥梁的侵蚀问题不容忽视，其导致结构材料性能退化，使用寿命缩短，尤其是海洋环境中的桥梁，其修建成本高昂，受环境影响显著，维修加固作业难度高，维护成本随着结构退化越来越高。桥墩连接着上部结构与基础，与外部的水环境接触紧密，受氯离子侵蚀影响最为显著，并且作为主要的抗侧力构件，其在地震下的性能表现是桥梁整体安全性的控制因素。为解决由氯离子侵蚀导致的RC桥墩的性能退化和维护成本增加的问题，采用超高性能混凝土(UHPC)这一具有优异耐久性能的新材料替代常规混凝土是一种理想的方案。但目前对于氯离子侵蚀作用下的UHPC桥墩的性能退化过程研究很少，因此本文以一座海洋环境中的三跨连续梁为例，对比分析RC与UHPC两种桥墩在氯离子侵蚀作用下的退化过程，基于易损性对比分析两者的时变抗震性能，具体内容如下：　　(1)参考实际工程和规范设计了RC与UHPC两种桥墩截面，采用Duracrete模型并考虑参数的不确定性分析了RC墩的钢筋初始锈蚀时间；参考常规混凝土的资料，选取了UHPC墩氯离子侵蚀环境参数，通过标准氯离子扩散模型分析了其钢筋初始锈蚀时间；研究了两种桥墩的钢筋锈蚀退化速率；基于规范公式分析了两种桥墩的保护层锈胀开裂时间，并计算了钢筋与混凝土的材料性能退化曲线。　　(2)针对常规的损伤状态对海工桥梁结构的开裂考虑不足的问题，定义了以保护层开裂为界定条件的耐久性损伤状态，以墩顶位移作为指标参数将本文桥墩损伤等级划分成无损伤、耐久性损伤、轻微损伤、中等损伤、严重损伤以及完全损伤，完善了易损性分析在海洋环境桥梁中的应用；选取了100条地震波并分析了适用于算例桥梁的地震动强度指标。　　(3)建立了算例桥梁在各分析时间节点下的非线性分析模型，获得了RC与UHPC墩的地震需求；通过Pushover分析，计算了本文划分的各损伤状态对应指标参数的取值；对两种桥墩在五个不同时间节点下的地震需求与地震动强度指标进行了回归分析，基于“云图法”建立了RC与UHPC墩的时变易损性曲线；定量对比了两者的易损性分析结果。　　通过以上研究，基于易损性定量对比了RC与UHPC墩在氯离子侵蚀下的抗震性能退化程度，为恶劣环境中的桥梁耐久性问题解决方案提供参考。

目录

目 录

第1章绪论

1.1 研究背景

1.1.1 氯离子环境中桥梁现状

1.1.2 桥梁耐久性问题解决措施

1.1.3 UHPC 材料性能

1.2 研究现状

1.2.1 氯离子侵蚀研究现状

1.2.2 钢筋锈蚀桥墩抗震性能研究现状

1.2.3 桥梁地震易损性研究现状

1.3 本文研究目的与内容

1.3.1 主要目的

1.3.2 主要内容

第2章氯离子侵蚀过程分析

2.1 引言

2.2 算例桥梁

2.3 氯离子侵蚀与钢筋锈蚀机理

2.3.1 氯离子扩散模型

2.3.2 钢筋锈蚀机理

2.3.3 保护层锈胀机理

2.4 钢筋锈蚀过程分析

2.4.1 钢筋初始锈蚀时间

2.4.2 保护层锈胀时间

2.5 材料性能退化分析

2.5.1 锈蚀钢筋性能退化

2.5.2 约束混凝土性能退化

2.6 本章小结

第3章易损性分析理论与指标选取

3.1 引言

3.2 易损性分析理论

3.2.1 构件易损性

3.2.2 系统易损性

3.3 损伤状态与指标

3.3.1 结构破坏准则

3.3.2 常用损伤状态划分

3.3.3 本文损伤状态划分

3.3.4 损伤指标选取

3.4 地震动强度指标

3.5 本章小结

第4章桥墩时变地震易损性分析

4.1 引言

4.2 桥梁模型建立

4.2.1 主要材料本构

4.2.2 桥梁构件模拟

4.3 时变损伤指标分析

4.4 易损性分析结果

4.4.1 RC 墩分析结果

4.4.2 UHPC 墩分析结果

4.4.3 结果比较

4.5 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文