【摘要】：對(duì)于長(zhǎng)期服役的近海橋梁,由于所處環(huán)境氯離子濃度高以及濕度大等原因,其抗震性能持續(xù)性退化。其中,近海橋墩作為主要的受力構(gòu)件,腐蝕引起的性能退化相較于上部橋面結(jié)構(gòu)更為嚴(yán)重,且呈現(xiàn)出立面分布不均勻的特性。對(duì)于地處地震區(qū)的近海橋梁結(jié)構(gòu),腐蝕和地震的多災(zāi)害作用,將更為嚴(yán)重威脅橋梁的安全。目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于單方向水平地震作用下的近海橋梁的抗震性能進(jìn)行了相關(guān)研究,但對(duì)腐蝕橋墩在雙向地震作用下的抗震性能鮮有研究。揭示非均勻腐蝕橋墩在雙向地震作用下的損傷破壞模式,了解不同加載路徑對(duì)其力學(xué)行為的影響,對(duì)橋墩乃至整個(gè)橋梁體系的全壽命風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)估具有重要意義。本文通過(guò)腐蝕橋墩的雙向擬靜力試驗(yàn)、理論分析及數(shù)值模擬對(duì)上述問(wèn)題開(kāi)展研究,主要研究?jī)?nèi)容、方法及結(jié)果如下:(1)開(kāi)展了考慮浪濺潮差區(qū)影響的非均勻腐蝕橋墩雙向擬靜力試驗(yàn)。設(shè)計(jì)并制作了7個(gè)相同幾何尺寸及材料性能的矩形截面懸臂橋墩,采用電化學(xué)加速腐蝕方法實(shí)現(xiàn)高度500 mm浪濺潮差區(qū)的不同腐蝕損傷狀態(tài),開(kāi)展了單向、矩形及十字形路徑加載的低周往復(fù)擬靜力試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明:對(duì)于加載路徑相同的雙向加載,橋墩試件的強(qiáng)度、變形和耗能等隨著腐蝕率的增加而降低;對(duì)于腐蝕程度相近的試件,其在單向地震作用下的抗震性能優(yōu)于雙向地震作用。矩形加載方式具有較強(qiáng)的耦合作用,隨著試件的變形等級(jí)增加,試件的雙向耦合作用加大。(2)基于纖維單元提出了非均勻腐蝕橋墩在單、雙向地震作用下的截面承載力計(jì)算方法。首先給出了不同服役期鋼筋和混凝土的材料性能和幾何尺寸退化的模擬方法;然后將整個(gè)橋墩截面劃分成鋼筋纖維和混凝土纖維,利用內(nèi)力平衡方法,建立了腐蝕橋墩截面抗彎承載力M-N曲線、M_x-M_y-N曲面及截面的抗剪承載力公式;隨后利用兩組試驗(yàn)對(duì)截面單雙向承載力計(jì)算方法進(jìn)行了驗(yàn)證并進(jìn)行了近海橋墩算例分析。(3)改進(jìn)了考慮腐蝕鋼筋黏結(jié)性能退化的近海橋墩抗震性能數(shù)值模擬方法�；诤�(jiǎn)化的未腐蝕和腐蝕鋼筋黏結(jié)應(yīng)力-滑移本構(gòu)模型,通過(guò)鋼筋微單元內(nèi)力平衡的方法,建立了鋼筋沿長(zhǎng)度方向滑移場(chǎng)二階常系數(shù)微分方程,利用邊界條件求得滑移場(chǎng)分布,并建立了鋼筋軸拉應(yīng)力-滑移關(guān)系曲線。基于此,進(jìn)一步推導(dǎo)得出鋼筋彈性模量折減系數(shù),以此間接表征黏結(jié)滑移的影響。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該數(shù)值模擬方法并進(jìn)行了參數(shù)分析。結(jié)果表明,對(duì)于局部腐蝕情況,考慮黏結(jié)滑移的數(shù)值模擬更好地反映腐蝕橋墩試件的真實(shí)抗震性能;隨著試件腐蝕區(qū)長(zhǎng)度、塑性鉸長(zhǎng)度的增大,黏結(jié)滑移對(duì)試件耗能、初始剛度和卸載剛度等抗震性能參數(shù)的影響增大。(4)基于非均勻腐蝕橋墩有限元模型分析了加載路徑對(duì)抗震性能的影響。針對(duì)單向、矩形、十字形、斜向及橢圓形5種常用加載路徑,模擬了不同加載路徑和腐蝕程度試件的滯回曲線,分析了試件的強(qiáng)度、變形、剛度和耗能等抗震性能參數(shù),并給出了基于Park-Ang模型的雙向損傷指標(biāo)計(jì)算方法。結(jié)果表明:雙向加載會(huì)引起橋墩的承載力和變形能力的降低,但會(huì)增加試件的耗能以及損傷指標(biāo),特別是對(duì)于矩形及斜向加載方式;在雙向加載作用下,非線性變形引起了位移路徑和荷載向量不同程度的差異性,反映出了其耦合效應(yīng)。
【圖文】：

土木工程基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)量逐年增加。作為承載著社會(huì)經(jīng)濟(jì)命脈的交通樞紐，橋梁在土木工程基礎(chǔ)設(shè)施中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，尤其是近海橋梁對(duì)優(yōu)化沿海地區(qū)交通布局，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)一體化發(fā)展起到作用，例如已經(jīng)建成通車的港珠澳跨海大橋（全長(zhǎng) 55 km）、舟山跨海大橋（全長(zhǎng) 48 km）、青島海灣大橋（全長(zhǎng)36.48 km）以及杭州灣大橋（全長(zhǎng) 36 km）等。橋梁結(jié)構(gòu)在整個(gè)服役期內(nèi)，會(huì)遭受不同類型的自然或者人為災(zāi)害威脅，如地震、颶風(fēng)、海嘯、船撞以及腐蝕等。其中，地震作為一種常見(jiàn)和極具破壞力的自然災(zāi)害之一，其釋放的能量不僅會(huì)造成橋梁結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重?fù)p壞甚至倒塌，還會(huì)引發(fā)次生災(zāi)害，嚴(yán)重威脅人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。1976 年我國(guó)唐山地震中 79 座鋼筋混凝土（RC）梁橋出現(xiàn)不同程度的損傷，，18 座該類橋梁發(fā)生倒塌[1]。1989年美國(guó) Loma Prieta 地震舊金山-奧克蘭海灣大橋的一跨引橋發(fā)生了落梁現(xiàn)象，Cypress 雙層高架橋嚴(yán)重倒塌（圖 1-1a）并造成了 42 人死亡[2, 3]。1995 年日本神戶地震阪神高速神戶線上 1300 多跨橋梁出現(xiàn)不同程度的損傷破壞，其中不可修復(fù)的嚴(yán)重破壞橋墩多達(dá) 150 個(gè)[4]。2008 年我國(guó)汶川地震高達(dá) 6140 座橋梁受損，并導(dǎo)致了 20 座以上的橋梁倒塌[1]（圖 1-1b）。

第 1 章 緒 論蝕 RC 結(jié)構(gòu)的材料性能退化研究現(xiàn)狀氯離子對(duì)鋼筋的腐蝕機(jī)理一般混凝土結(jié)構(gòu)中，硅酸鹽水泥水化作用產(chǎn)生了大量 Ca(OH)2并子和鉀離子，導(dǎo)致 RC 結(jié)構(gòu)中的鋼筋處在強(qiáng)堿環(huán)境中[10]。在此條逐漸形成了一層鈍化膜，起到了阻斷銹蝕發(fā)生的作用。在 RC 結(jié)過(guò)程中，不同原因（除冰鹽、海水等）在混凝土表面產(chǎn)生的氯離孔不斷遷移至鋼筋表面。隨著鋼筋表面氯離子的不斷積累并達(dá)到度，鋼筋因鈍化膜遭受破壞而開(kāi)始腐蝕。依據(jù)文獻(xiàn)[11]的研究結(jié)果稱為腐蝕起始階段，如示意圖 1-2 所示。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：U442.55

【參考文獻(xiàn)】

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1 苑n

本文編號(hào)：2688488