沿墩高不均匀腐蚀的RC桥墩抗震性能试验研究及数值分析

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随着当代交通体系的迅猛发展,桥梁作为其中重要一环推动着社会经济的发展,近年来,我国在跨海桥梁的建设方面有了跨越式的发展,加上我国地震频发,沿海桥梁在服役期间内的抗震性能分析得到了诸多研究者们的广泛关注。沿海桥梁长期暴露在恶劣的环境中,钢筋因受氯离子侵蚀作用而发生严重锈蚀的问题日益突出,而沿海桥梁的抗震性能会因腐蚀损伤形成的恶劣影响显著降低,海洋环境中桥墩在浪溅和潮汐区受到的氯离子侵蚀作用最为严重,因此浪溅和潮汐区的性能退化显著,这会使结构的破坏模式变得复杂。本文考虑沿海桥墩沿墩高不均匀腐蚀的情况,设计腐蚀构件的拟静力试验并基于Open Sees有限元软件模拟来进行沿海桥墩的抗震性能分析,通过整理试验数据和模拟结果,讨论沿海桥墩在不同腐蚀程度下的滞回性能、延性、耗能能力及曲率分布等结果,为此类基础设施的建设、维护和修复提供适当的指导。论文主要研究内容如下:(1)根据国内外研究者的研究结果,对沿海钢筋混凝土桥梁在氯离子侵蚀环境中的锈蚀机理进行总结,对比获得腐蚀构件采取的各种试验方法,提出采用电加速锈蚀试验快速得到腐蚀的钢筋混凝土构件,并根据法拉第电解定律得出各构件达到目标锈蚀率所需要的通电锈蚀时间。(2)根据某实际工程桥墩,参考实际试验条件,完成对4个几何尺寸相同的钢筋混凝土墩柱缩尺模型的设计、制作、养护和电加速锈蚀等前期工作。根据实际工程环境,在墩柱上划分海洋环境中的三个区域,根据电加速锈蚀试验方法的原理及计算出的通电锈蚀时间对其中3个试件的浪溅和潮汐区进行电加速锈蚀,使其分别达到10%、20%和30%的目标锈蚀率,实现沿墩高不均匀腐蚀的情况。(3)确定拟静力试验加载制度,通过对1个未锈蚀试件和3个锈蚀程度不同的试件进行拟静力试验,描述电加速锈蚀试验后及拟静力试验后各试件的表观现象,并对各构件的滞回性能、延性、耗能能力和曲率等试验结果进行整理分析,随着腐蚀程度的加深,构件位移延性系数从4降低到2.2,各构件在失效状态下的能量耗散值不断减小,腐蚀区的严重锈蚀会引起曲率分布的显著变化,桥墩塑性铰有转移到腐蚀区的趋势。(4)基于Open Sees有限元软件建立沿墩高不均匀腐蚀桥墩的有限元模型,对比模拟和试验结果的滞回曲线及骨架曲线,通过分析沿墩高的曲率变化反映桥墩塑性铰转移情况。研究结果表明:模拟结果与试验结果匹配度较高,以此验证了本文建立的有限元模型能较好的模拟桥墩构件的抗震性能;沿墩高不均匀腐蚀墩柱的抗震性能随腐蚀程度增加而显著下降;随着浪溅和潮汐区域的性能退化越来越显著,桥墩塑性铰位置会从墩柱底部转移到浪溅和潮汐区域底部。
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