混凝土桥梁时变地震易损性分析——以氯盐环境为例

混凝土桥梁时变地震易损性分析——以氯盐环境为例

 

《混凝土桥梁时变地震易损性分析——以氯盐环境为例》以氯盐环境下的混凝土桥梁为研究对象，进行基于劣化过程效应的混凝土桥梁地震影响分析。首先，建立了氯盐环境下混凝土桥梁构件劣化模型；然后，在充分考虑桥梁建模相关和地震动相关不确定性的基础上，结合结构可靠度基本理论和方法，形成了劣化混凝土桥梁地震需求概率模型和地震抗力概率模型，得到了混凝土桥梁易损构件的时变易损性曲线；后，结合桥位处的地震灾害曲线和桥梁构件的易损性函数，通过全概率方法建立了劣化混凝土桥梁地震损失评估模型，对完善当前的桥梁抗震设计理论、评估地震风险水平和制订震后紧急预案具有重要意义。

本书可作为桥梁耐久性及抗震性能研究的科研及工程技术人员的参考书，也可作为桥梁工程、混凝土结构、结构耐久性、防灾工程等相关专业的研究生的教材和教学参考书。

 

第1章　绪论1

1.1　氯盐环境混凝土桥梁震害现状 2

1.2　混凝土桥梁劣化机理 5

1.2.1　钢筋锈蚀 7

1.2.2　锈蚀引起的混凝土开裂 9

1.3　桥梁结构地震易损性 10

1.3.1　经验易损性曲线法 11

1.3.2　专家易损性曲线法 12

1.3.3　理论易损性曲线法 13

1.4　桥梁结构地震损失评估 14

1.5　本书主要内容 16

1.5.1　研究内容 16

1.5.2　研究方法与技术路线 17

第2章　氯盐环境混凝土桥梁构件劣化模型19

2.1　氯离子扩散模拟 20

2.2　钢筋初始锈蚀模型 21

2.2.1　钢筋初始锈蚀时间 21

2.2.2　锈蚀钢筋剩余面积 26

2.3　混凝土锈胀开裂模型 27

2.3.1　混凝土锈胀开裂时间 28

2.3.2　混凝土锈胀开裂宽度 30

2.4　钢筋锈蚀速率影响因素 30

2.4.1　外部环境条件 30

2.4.2　混凝土特性 31

2.5　钢筋锈蚀速率模型 32

2.5.1　时不变模型 32

2.5.2　时变模型 34

2.5.3　改进时变模型 37

2.6　钢筋强度及延性退化模型 46

2.6.1　钢筋屈服强度 46

2.6.2　钢筋延性 47

2.7　混凝土桥梁构件劣化模型及应用范围 47

2.7.1　桥梁构件劣化模型 47

2.7.2　应用范围 48

第3章　劣化混凝土桥梁有限元建模及动力响应49

3.1　非线性动力时程分析 50

3.2　结构有限元建模 53

3.2.1　材料本构关系 53

3.2.2　单元选择 57

3.2.3　支座模拟 59

3.2.4　基础模拟 63

3.3　随机地震动模拟 65

3.4　计算软件选用 66

第4章　劣化混凝土桥梁地震需求概率分析68

4.1　概率模型 69

4.2　分析方法 71

4.2.1　基本理论 71

4.2.2　分析步骤 73

4.3　工程应用及分析 74

4.3.1　工程概况 74

4.3.2　混凝土桥梁构件劣化模型 76

4.3.3　有限元建模及验证 88

4.3.4　地震波的选取 91

4.3.5　结构参数不确定性 92

4.3.6　 地震需求概率分析 93

第5章　劣化混凝土桥梁地震抗力105

5.1　桥梁抗力指标及损伤状态 106

5.1.1　桥墩 107

5.1.2　支座 109

5.2　桥梁抗力的不确定性 111

5.3　分析方法 112

5.3.1　基本理论 112

5.3.2　分析步骤 114

5.4　工程应用及分析 115

5.4.1　桥墩 115

5.4.2　支座 121

第6章　劣化混凝土桥梁地震易损性123

6.1　地震易损性分析 124

6.2　时变地震易损性 126

6.3　工程应用及分析 127

6.3.1　桥墩易损性曲线 127

6.3.2　支座易损性曲线 134

6.3.3　构件易损性对比 143

第7章　劣化混凝土桥梁地震损失评估150

7.1　地震损失评估基本理论 151

7.2　地震损失评估计算 153

7.2.1　直接经济损失 153

7.2.2　间接经济损失 158

7.3　工程应用及分析 161

7.3.1　地震灾害曲线 161

7.3.2　直接经济损失 162

7.3.3　间接经济损失 165

参考文献168

 

截至2019 年底，中国公路桥梁数量已达85.15 万座。其中，混凝土桥梁占有相当大的比重。我国幅员辽阔，海岸线狭长，大量混凝土桥梁处于滨海地区和除冰盐使用地区等典型的氯盐侵蚀环境。氯盐环境下的混凝土桥梁结构不仅受到人群、车辆和各种偶然荷载的作用，同时还要受到外界环境中氯离子侵蚀的影响，而氯离子侵蚀是公认的引起混凝土桥梁耐久性问题的主要因素之一。

随着运营时间的推移，氯离子侵蚀和荷载的反复作用引起桥梁所用材料和结构性能的不断退化，导致桥梁结构各部位发生不同程度的损伤。据不完全统计，在我国公路网络中，严重损伤的桥梁数量达7.96万座，约占桥梁总数的10.5% 。材料老化和结构损伤的不断累积使桥梁结构的承载能力和刚度发生退化，劣化后的混凝土桥梁不再具备抵抗初始设计地震作用的能力。因此，有必要针对劣化混凝土桥梁的抗震性能开展研究。

目前，国内外桥梁抗震研究已经从传统的确定性分析向基于概率的地震易损性方向发展，但目前仍然主要针对新建桥梁的地震易损性进行研究。由于忽略了氯盐环境中材料老化和损伤对结构抗震性能的影响，实质上过低地估计了在役混凝土桥梁在地震作用下的失效概率，同时也低估了混凝土桥梁潜在的地震损失，对桥梁结构的抗震设计和评估是不利的。因此，对于氯盐环境中的混凝土桥梁，在考虑材料老化和结构损伤的前提下，对桥梁各构件在地震作用下的时变易损性进行深入研究，不仅可以把握混凝土桥梁在不同服役时刻的地震易损部位，也可以为混凝土桥梁的全寿命地震损失评估提供概率基础，对完善当前的桥梁抗震设计理论、评估地震风险水平和制订震后紧急预案具有重要意义。

本书以氯盐环境下的混凝土桥梁为研究对象，首先结合已有国内外对混凝土构件劣化过程的试验研究和理论成果，建立了氯盐环境下混凝土桥梁构件劣化模型；然后，在充分考虑桥梁建模相关和地震动相关不确定性的基础上，结合结构可靠度基本理论和方法，形成了劣化混凝土桥梁地震需求概率模型和地震抗力概率模型，得到了混凝土桥梁易损构件的时变易损性曲线；后，结合桥位处的地震灾害曲线和桥梁构件的易损性函数，通过全概率方法建立了劣化混凝土桥梁地震损失评估模型，依托本书的研究成果应用于我国多座沿海桥梁的建设、养护。

本书由山东交通学院崔凤坤、泰安市公路事业发展中心李向阳、泰安市通达投资有限公司武振国、上海先行建设监理有限公司危君安共同完成。本书的出版得到了“ 山东省自然科学基金项目（ 编号：ZR2020QE260）”和“山东交通学院博士科研启动基金项目（编号：50004918）”的资助，在此表示由衷的感谢！

限于作者水平，书中难免有不足之处，敬请批评指正。

著者

2021年1月