冻融循环作用下的钢筋混凝土梁桥地震易损性分析.pdf
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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
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