CN109724886A - 循环载荷与氯离子腐蚀耦合的rc桥墩抗震性能分析系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种循环载荷与氯离子腐蚀耦合的RC桥墩抗震性能分析系统，属于桥梁抗震性能分析技术领域，该系统包含，结构疲劳试验系统和静力加载推覆试验系统，所述结构疲劳试验系统包含试验箱(11)，RC桥墩试件，锚栓(12)，直流电源(2)，RC桥墩试件的一端通过锚栓(12)固定在所述试验箱(11)的底部，RC桥墩试件的另一端轴向上设置有依次连接的力传感器(32)和作动器(31)。本发明系统能够实现氯离子腐蚀与疲劳荷载耦合作用下结构的长期性能试验。同时本发明系统考虑了RC墩柱在氯离子腐蚀的同时还承受会对其产生疲劳损伤的车辆循环荷载工况，能够更准确揭示RC墩柱抗震性能的实际退化规律。

Description

循环载荷与氯离子腐蚀耦合的RC桥墩抗震性能分析系统

技术领域

本发明属于桥梁抗震性能分析技术领域，具体涉及一种循环载荷与氯离子腐蚀耦合的RC桥墩抗震性能分析系统。

背景技术

桥梁是交通运输生命线系统的重要组成部分，其抗震性能的优劣，成为震后救援工作的重要保障。现阶段，桥梁结构的抗震性能研究未考虑周边环境因素的影响。特殊环境下长期服役混凝土桥梁在例如氯离子侵蚀、冻融循环等极端环境作用下，其抗震性能会随时间产生衰变，结构的实际抗震性能往往远低于结构的设计抗震性能。此时，长期服役桥梁抗震性能会被严重高估，一旦出现地震灾害，往往难以抵御，导致严重的结构破坏，最终造成大量的人员及经济损失。

近海地区混凝土桥梁结构长期遭受氯离子的侵蚀作用。混凝土遭受氯化物的侵蚀后会形成大量可溶性盐类，并在混凝土的孔隙中反复积聚，引起膨胀性反应，促使混凝土的孔隙加大、出现裂缝，并加大侵蚀通道，最终导致钢筋腐蚀。

与此同时，桥梁运营时车辆循环荷载会对RC结构产生疲劳损伤，往复荷载产生的疲劳损伤会加剧混凝土内裂缝的加速发展，同时盐溶液环境中的氯离子会通过裂缝渗入到钢筋表面，引起钢筋的急剧锈蚀，破坏混凝土和钢筋的表面粘结效应。在锈胀达到一定程度后，混凝土保护层剥落，部分钢筋裸露于空气中，失去混凝土保护的钢筋在循环荷载作用下的疲劳损伤急剧发展，直至钢筋断裂破坏。

然而，实际在对桥梁结构抗震性能的依时分析中，往往只考虑氯离子腐蚀等环境因素对于结构抗震性能的退化影响，却忽略掉桥梁运营阶段时车辆循环荷载的影响。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种循环载荷与氯离子腐蚀耦合的RC桥墩抗震性能分析系统，提出一种轴向循环荷载作用下RC墩柱的氯离子腐蚀试验系统，通过该系统探究RC墩柱的氯离子渗透机理，获取RC桥梁的地震易损性曲线，以指导RC桥梁结构的抗震设计。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

循环载荷与氯离子腐蚀耦合的RC桥墩抗震性能分析系统，该系统包含，结构疲劳试验系统和静力加载推覆试验系统，

所述结构疲劳试验系统包含试验箱11，RC桥墩试件，锚栓12，直流电源2，所述RC桥墩试件的一端通过锚栓12固定在所述试验箱11的底部，所述RC桥墩试件的另一端轴向上设置有依次连接的力传感器32和作动器31；

所述试验箱11中填充有含氯离子的盐溶液，所述直流电源2的负极设置在所述盐溶液中，所述直流电源2的正极设置在所述RC桥墩试件上；

所述静力加载推覆试验系统包含RC桥墩试件，作动器31，力传感器32，反力墙5，所述RC桥墩试件的一端通过锚栓12固定在地面上，RC桥墩试件的另一端轴向上依次连接有连接铰65，液压千斤顶64，力传感器63和滚轴支撑62，所述滚轴支撑62还连接至反力横梁61，RC桥墩试件的另一端径向上依次连接有力传感器32和作动器31，所述作动器31还连接至反力墙5；

所述结构疲劳试验系统用于对放入其中的RC桥墩试件进行模拟环境腐蚀，并测量所述RC桥墩试件的氯离子浓度分布；

所述静力加载推覆试验系统用于对经过模拟环境腐蚀之后的RC桥墩试件进行拟静力加载推覆试验，分析试验结果，获取模拟环境腐蚀后的RC桥墩试件的抗震性能力学指标。

可选的，所述RC桥墩试件包含RC墩柱1和地梁13，所述RC墩柱1的一端与地梁13固定连接，所述地梁13通过锚栓12固定在试验箱11的底部或者地面上。

可选的，所述模拟环境腐蚀包括：

将多根的RC桥墩试件放置于含氯离子的盐溶液中静置指定时间；

将多根在氯离子的盐溶液中静置后的RC桥墩试件移至结构疲劳试验系统的试验箱内，进行轴压和轴拉的循环疲劳加载；

改变氯离子腐蚀时间和循环疲劳荷载幅，测量不同氯离子腐蚀时间和循环疲劳荷载幅条件下的RC桥墩试件的氯离子浓度；

建立RC桥墩试件在轴向循环荷载作用下的氯离子渗透微观模型。

可选的，所述进行拟静力加载推覆试验，分析试验结果，获取模拟环境腐蚀后的RC桥墩试件的抗震性能力学指标，包含：

模拟桥墩边界条件，并放入模拟环境腐蚀后的RC桥墩试件；

对所述RC桥墩试件固定后施加轴向载荷；

采集试验信息，建立RC桥墩试件的精细有限元模型，辅助分析拟静力试验结果；

根据所述试验结果获取模拟环境腐蚀后的RC桥墩试件的抗震性能力学指标。

可选的，该系统还用于根据所述氯离子浓度分布和抗震性能力学指标对RC桥墩试件的地震易损性进行分析，包含：

建立车辆循环荷载和氯离子腐蚀耦合影响的全桥非线性有限元模型；

选取地震波，选用位移延性比作为桥梁损伤指标，并根据所述地震波和损伤指标进行全桥弹塑性时程分析；

根据所述时程分析获得的数据进行回归分析，以地震动参数为自变量，建立结构反应的超越概率函数；

绘制所选地震动参数为自变量的地震易损性曲线，对所述地震易损性曲线进行参数分析，获得车辆循环荷载和氯离子腐蚀耦合影响的RC桥梁地震易损性曲线集合，分析RC桥梁地震易损性的变化规律。

可选的，所述超越概率函数的超越概率的计算公式为：

式中，P_f为超过某一极限状态的概率，S_d为结构的地震需求，S_c为结构的抗震能力，β_c为结构抗震能力的对数正态分布的标准差，β_d为地震需求的对数正态分布的标准差，Φ为正态分布。

可选的，所述将多根的RC桥墩试件放置于含氯离子的盐溶液中静置指定时间，具体为：

将多根所述RC桥墩试件放置于初始浓度为5％的NaCl溶液中，静置48小时。

可选的，所述改变氯离子腐蚀时间和循环疲劳荷载幅，包括：

通过所述结构疲劳试验系统调节疲劳荷载幅分别为0.05、0.1、0.15的轴压极限承载力和0.05、0.1、0.15的轴拉极限承载力；

通过调整含氯离子的盐溶液中的电流大小，分别达到10％、20％以及30％的腐蚀程度。

可选的，所述抗震性能力学指标包含刚度、承载力、位移延性、塑性铰的位置和大小以及各区域的耗能能力。

本发明的有益效果在于：本发明提出一种循环载荷与氯离子腐蚀耦合的复杂环境下的RC桥墩抗震性能分析系统，能够实现氯离子腐蚀与疲劳荷载耦合作用下结构的长期性能试验，填补了之前的技术缺陷。

本发明系统还能够考虑RC墩柱在氯离子腐蚀的同时还承受会对其产生疲劳损伤的车辆循环荷载工况，实现更加准确揭示RC墩柱抗震性能的实际退化规律的目的。

本发明提出不同氯离子腐蚀时间、不同疲劳应力幅所对应的地震易损性曲线集合，为结构体系长期性能的评估和地震作用下的安全评价提供全面而可靠的设计依据。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明实施例流程图；

图2为本发明轴向循环荷载作用下RC墩柱的结构疲劳试验系统；

图3为本发明实施例轴向循环荷载和氯离子腐蚀耦合作用后RC墩柱的拟静力试验系统。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

如图2和图3所示，本发明循环载荷与氯离子腐蚀耦合的RC桥墩抗震性能分析系统的包含两大部分，分别为：结构疲劳试验系统和静力加载推覆试验系统，

结构疲劳试验系统包含试验箱11，RC桥墩试件，锚栓12，直流电源2，所述RC桥墩试件的一端通过锚栓12固定在所述试验箱11的底部，所述RC桥墩试件的另一端轴向上设置有依次连接的力传感器32和作动器31。

试验箱11中填充有含氯离子的盐溶液，直流电源2的负极设置在所述盐溶液中，所述直流电源2的正极设置在所述RC桥墩试件上。为了加速腐蚀，本发明实施例通过电化学来加速腐蚀速度，如图2所示，加入了直流电源2，直流电源的正极21设置在RC桥墩试件1上，直流电压的负极22设置在溶液中，直流电源的负极设置有不锈钢网片，用于扩展负极与溶液的接触面积。

静力加载推覆试验系统包含RC桥墩试件，作动器31，力传感器32，反力墙5，所述RC桥墩试件的一端通过锚栓12固定在地面上，RC桥墩试件的另一端轴向上依次连接有连接铰65，液压千斤顶64，力传感器63和滚轴支撑62，所述滚轴支撑62还连接至反力横梁61，RC桥墩试件的另一端径向上依次连接有力传感器32和作动器31，所述作动器31还连接至反力墙5。

结构疲劳试验系统用于对放入其中的RC桥墩试件进行模拟环境腐蚀，并测量所述RC桥墩试件的氯离子浓度分布；

静力加载推覆试验系统用于对经过模拟环境腐蚀之后的RC桥墩试件进行拟静力加载推覆试验，分析试验结果，获取模拟环境腐蚀后的RC桥墩试件的抗震性能力学指标。

如图2所示，所述RC桥墩试件包含RC墩柱1和地梁13，所述RC墩柱1的一端与地梁13固定连接，所述地梁13通过锚栓12固定在试验箱11的底部或者地面上。

如图1所示，利用本发明系统对RC桥墩抗震性能进行分析包含如下步骤：

S1制备RC桥墩试件，并将所述RC桥墩试件放入模拟腐蚀环境，测量所述RC桥墩试件的氯离子浓度分布。

S2对放入模拟环境腐蚀后的RC桥墩试件进行拟静力加载推覆试验，分析试验结果，获取模拟环境腐蚀后的RC桥墩试件的抗震性能力学指标。

S3对传统纤维梁单元进行拆分和集成，获得RC桥墩梁柱的非线性梁单元，并对所述非线性梁单元进行验证。

S4根据所述氯离子浓度分布和抗震性能力学指标对RC桥墩试件的地震易损性进行分析。

其中，制备RC桥墩试件，并将所述RC桥墩试件放入模拟腐蚀环境，测量所述RC桥墩试件的氯离子浓度分布，具体为

S11制备多个RC桥墩试件，多个所述的RC桥墩试件几何参数一致；

本实施例中设计28根RC桥墩试件，RC桥墩试件参数如表1所示：

表1 RC墩柱试件几何参数

28根RC桥墩试件的几何参数一致，试验的变化参数为疲劳荷载幅和氯离子腐蚀时间。

S12将多个所述RC桥墩试件放置于含氯离子的盐溶液中静置指定时间；

S13将多个在氯离子的盐溶液中静置后的RC桥墩试件移置结构疲劳系统加载箱内，进行轴压和轴拉的循环疲劳加载。

S13具体为，将多个在氯离子的盐溶液中静置后的RC桥墩试件移置结构疲劳系统加载箱内，疲劳荷载幅分别为0.05、0.1、0.15的轴压极限承载力和0.05、0.1、0.15的轴拉极限承载力。氯离子腐蚀时间可通过电化学加速腐蚀的方法来达到短期模拟实际的效果，通过调整NaCl溶液中电流的大小，以分别达到10％、20％、30％的腐蚀程度，具体的试验参数和设计如表2所示

表2试件数量和特征

S14改变氯离子腐蚀时间和循环疲劳荷载幅，测量不同氯离子腐蚀时间和循环疲劳荷载幅条件下的RC桥墩试件的氯离子浓度；

对于RC桥墩试件内氯离子浓度的测量，本实施例采用X射线光电子能谱分析(XPS)方法实时监控测量氯离子在RC试件中的浓度分布，以Fick第二定律为理论基础，分析氯离子扩散系数在时间和空间维度上的分布规律。

S15建立RC桥墩试件在轴向循环荷载作用下的氯离子渗透微观模型。

本实施例中采用COMSOL有限差分大型通用软件建立RC墩柱试件内在轴向循环荷载作用下的氯离子渗透微观模型，通过试验标定模型的重要参数，确保模型的可行性和适用性。

为获得大尺寸墩柱试件的本构关系，同时设计大量材性试件。材性试件与大尺寸墩柱试件具有相同的纵筋和箍筋配筋率，相同的疲劳加载工况和相同的腐蚀条件。本发明实施例在试验进行的过程中每隔5天破坏1批材性试件，测定氯离子腐蚀和循环荷载耦合作用下的混凝土、钢筋和界面的强度和变形指标，以获得在轴向循环荷载与氯离子腐蚀耦合作用下混凝土、钢筋和界面粘结的本构关系。

步骤S2对放入模拟环境腐蚀后的RC桥墩试件进行拟静力加载推覆试验，分析试验结果，获取模拟环境腐蚀后的RC桥墩试件的抗震性能力学指标，具体为：

S21模拟桥墩边界条件，并通过所述边界条件固定放入模拟环境腐蚀后的RC桥墩试件；

S22对固定后的RC桥墩试件施加轴向载荷；

RC桥墩试件通过四根锚栓与地面牢靠连接，以模拟桥墩的边界条件，轴向荷载通过液压千斤顶施加，在试验过程中控制轴压比或轴拉比为0.1，水平位移通过MTS电液伺服作动器施加。

S23建立RC桥墩试件的精细有限元模型，辅助分析拟静力试验结果；

S24根据所述试验结果获取模拟环境腐蚀后的RC桥墩试件的抗震性能力学指标。

可选的，本发明实施例采用ABAQUS软件建立RC墩柱的精细有限元模型辅助分析拟静力试验结果。

可选的，通过拟静力试验获取RC墩柱试件在轴向循环荷载和氯离子腐蚀耦合作用后的抗震性能力学指标的退化时变历程，力学指标包括刚度、承载力、位移延性、塑性铰的位置和大小以及各区域的耗能能力。

步骤S3对传统纤维梁单元进行拆分和集成，获得RC桥墩梁柱的非线性梁单元，并对所述非线性梁单元进行验证，具体包含如下步骤：

本发明实施例的非线性梁单元在每个迭代步内进行“先拆分再集成”的运算过程，具体为“单元层次→截面层次→材料层次→截面层次→单元层次”。为获得非线性梁单元，本发明实施例重点针对该计算过程进行改进和补充，具体为针对单元、截面和材料层次上进行改进和升级。

具体包含：

S31在单元层次方面，将传统纤维梁的单个的轴向和转角自由度分别补充为混凝土和钢筋各自具有独立的轴向和转角自由度，确定单元刚度矩阵的维数和具体形式；

S32在截面层次方面，在单元刚度矩阵自由度维数扩充的基础上，基于经典的平截面假定构建变形协调矩阵，实现广义应变向量和纤维应变列阵之间的拆分与集成；

S33在材料层次方面，编入步骤S1预先得到的考虑氯离子腐蚀和疲劳损伤耦合作用下混凝土、钢筋和界面滑移的本构关系，以考虑材料依时退化的特性。

S34最后通过RC墩柱非线性梁单元模型计算结果与步骤S2中抗震性能试验结果的对比，验证非线性梁单元的准确性与适用性。

S4根据所述氯离子浓度分布和抗震性能力学指标对RC桥墩试件的地震易损性进行分析，具体包含：

S41根据所述非线性梁单元，建立车辆循环荷载和氯离子腐蚀耦合影响的全桥非线性有限元模型；

采用步骤S3中获得的RC墩柱非线性梁单元，建立车辆循环荷载和氯离子腐蚀耦合影响下全桥的非线性有限元模型。

S42选取地震波，选用位移延性比作为桥梁损伤指标，并根据所述地震波和损伤指标进行全桥弹塑性时程分析；

考虑不同震级和不同场地的差异，选取合适地震波；确立桥梁损伤指标，本实施例采用位移延性比为损伤指标，以OpenSees为平台进行全桥的弹塑性时程分析。

S43根据所述时程分析获得的数据进行回归分析，以地震动参数为自变量，建立结构反应的超越概率函数；

对时程分析得到的数据进行回归分析，以地震动参数(例如地面峰值加速度)为自变量，建立结构反应的超越概率函数，本发明实施例将结构能力和结构在地震作用下的需求描述为对数正态分布，超越概率计算公式为

式中，P_f为超过某一极限状态的概率，S_d为结构的地震需求，S_c为结构的抗震能力，β_c为结构抗震能力的对数正态分布的标准差，β_d为地震需求的对数正态分布的标准差，Φ为正态分布。

S44绘制所选地震动参数为自变量的地震易损性曲线，对所述地震易损性曲线进行参数分析，获得车辆循环荷载和氯离子腐蚀耦合影响的RC桥梁地震易损性曲线集合，分析RC桥梁地震易损性的变化规律。

绘制以所选地震动参数为变量的地震易损性曲线。进而对所得地震易损性曲线进行参数分析，最终得出不同疲劳应力幅、不同氯离子腐蚀时间对应的RC桥梁的不同地震易损性曲线集合，分析当轴向循环荷载应力幅和氯离子腐蚀时间分别变化时RC桥梁地震易损性的变化规律。

本发明实施例对于混凝土、钢筋和界面粘结滑移关系考虑轴向循环荷载造成的疲劳损伤和氯离子腐蚀耦合作用下的时变本构关系，在单元、截面和材料层次上升级传统纤维梁单元，本发明系统的RC墩柱考虑轴向循环荷载和氯离子腐蚀耦合作用的非线性梁单元，与现有技术相比，本发明实施例中的梁单元具有更高的精度和更好的适用性。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (9)

1.循环载荷与氯离子腐蚀耦合的RC桥墩抗震性能分析系统，其特征在于：该系统包含，结构疲劳试验系统和静力加载推覆试验系统，

所述结构疲劳试验系统包含试验箱(11)，RC桥墩试件，锚栓(12)，直流电源(2)，所述RC桥墩试件的一端通过锚栓(12)固定在所述试验箱(11)的底部，所述RC桥墩试件的另一端轴向上设置有依次连接的力传感器(32)和作动器(31)；

所述试验箱(11)中填充有含氯离子的盐溶液，所述直流电源(2)的负极设置在所述盐溶液中，所述直流电源(2)的正极设置在所述RC桥墩试件上；

所述静力加载推覆试验系统包含RC桥墩试件，作动器31，力传感器32，反力墙5，所述RC桥墩试件的一端通过锚栓(12)固定在地面上，RC桥墩试件的另一端轴向上依次连接有连接铰(65)，液压千斤顶(64)，力传感器(63)和滚轴支撑(62)，所述滚轴支撑(62)还连接至反力横梁(61)，RC桥墩试件的另一端径向上依次连接有力传感器(32)和作动器(31)，所述作动器(31)还连接至反力墙(5)；

所述结构疲劳试验系统用于对放入其中的RC桥墩试件进行模拟环境腐蚀，并测量所述RC桥墩试件的氯离子浓度分布；

所述静力加载推覆试验系统用于对经过模拟环境腐蚀之后的RC桥墩试件进行拟静力加载推覆试验，分析试验结果，获取模拟环境腐蚀后的RC桥墩试件的抗震性能力学指标。

2.根据权利要求1所述的循环载荷与氯离子腐蚀耦合的RC桥墩抗震性能分析系统，其特征在于：所述RC桥墩试件包含RC墩柱(1)和地梁(13)，所述RC墩柱(1)的一端与地梁(13)固定连接，所述地梁(13)通过锚栓(12)固定在试验箱(11)的底部或者地面上。

3.根据权利要求1所述的循环载荷与氯离子腐蚀耦合的RC桥墩抗震性能分析系统，其特征在于：所述模拟环境腐蚀包括：

将多根的RC桥墩试件放置于含氯离子的盐溶液中静置指定时间；

将多根在氯离子的盐溶液中静置后的RC桥墩试件移至结构疲劳试验系统的试验箱内，进行轴压和轴拉的循环疲劳加载；

改变氯离子腐蚀时间和循环疲劳荷载幅，测量不同氯离子腐蚀时间和循环疲劳荷载幅条件下的RC桥墩试件的氯离子浓度；

建立RC桥墩试件在轴向循环荷载作用下的氯离子渗透微观模型。

4.根据权利要求1所述的循环载荷与氯离子腐蚀耦合的RC桥墩抗震性能分析系统，其特征在于：所述进行拟静力加载推覆试验，分析试验结果，获取模拟环境腐蚀后的RC桥墩试件的抗震性能力学指标，包含：

模拟桥墩边界条件，并放入模拟环境腐蚀后的RC桥墩试件；

对所述RC桥墩试件固定后施加轴向载荷；

采集试验信息，建立RC桥墩试件的精细有限元模型，辅助分析拟静力试验结果；

根据所述试验结果获取模拟环境腐蚀后的RC桥墩试件的抗震性能力学指标。

5.根据权利要求1所述的循环载荷与氯离子腐蚀耦合的RC桥墩抗震性能分析系统，其特征在于：该系统还用于根据所述氯离子浓度分布和抗震性能力学指标对RC桥墩试件的地震易损性进行分析，包含：

建立车辆循环荷载和氯离子腐蚀耦合影响的全桥非线性有限元模型；

选取地震波，选用位移延性比作为桥梁损伤指标，并根据所述地震波和损伤指标进行全桥弹塑性时程分析；

根据所述时程分析获得的数据进行回归分析，以地震动参数为自变量，建立结构反应的超越概率函数；

绘制所选地震动参数为自变量的地震易损性曲线，对所述地震易损性曲线进行参数分析，获得车辆循环荷载和氯离子腐蚀耦合影响的RC桥梁地震易损性曲线集合，分析RC桥梁地震易损性的变化规律。

6.根据权利要求5所述的循环载荷与氯离子腐蚀耦合的RC桥墩抗震性能分析系统，其特征在于：

所述超越概率函数的超越概率的计算公式为：

式中，P_f为超过某一极限状态的概率，S_d为结构的地震需求，S_c为结构的抗震能力，β_c为结构抗震能力的对数正态分布的标准差，β_d为地震需求的对数正态分布的标准差，Φ为正态分布。

7.根据权利要求3所述的循环载荷与氯离子腐蚀耦合的RC桥墩抗震性能分析系统，其特征在于：所述将多根的RC桥墩试件放置于含氯离子的盐溶液中静置指定时间，具体为：

将多根所述RC桥墩试件放置于初始浓度为5％的NaCl溶液中，静置48小时。

8.根据权利要求3所述的循环载荷与氯离子腐蚀耦合的RC桥墩抗震性能分析系统，其特征在于：所述改变氯离子腐蚀时间和循环疲劳荷载幅，包括：

通过所述结构疲劳试验系统调节疲劳荷载幅分别为0.05、0.1、0.15的轴压极限承载力和0.05、0.1、0.15的轴拉极限承载力；

通过调整含氯离子的盐溶液中的电流大小，分别达到10％、20％以及30％的腐蚀程度。

9.根据权利要求4所述的循环载荷与氯离子腐蚀耦合的RC桥墩抗震性能分析系统，其特征在于：

所述抗震性能力学指标包含刚度、承载力、位移延性、塑性铰的位置和大小以及各区域的耗能能力。