基于振动台试验在役连续刚构桥抗震性能分析

童申家，张 优，黄 勇，李红涛，宋 杰

(1.西安建筑科技大学 土木工程学院，陕西 西安 710055；2.山西省祁临高速公路有限责任公司，山西 祁县 030904)

随着我国经济的快速发展，桥梁对于我国的现代化进程起着不可替代的作用．目前，我国的水泥混凝土连续刚构桥已达到桥梁总数的50%以上[1]．由于不利环境所造成的钢筋混凝土劣化问题日趋严重，已对在役桥梁结构的抗震性能造成严重影响．

地震具有不确定性、不可预测性和破坏性．我国位于环太平洋地震带与欧亚地震带之间，同时也受到来自太平洋板块、印度板块和菲律宾板块的挤压，因此地震带十分活跃．另一方面，现如今随着桥梁运营时间的不断增加以及因桥梁耐久性降低而产生了各类病害[2-5]，在役连续刚构桥抗震性能是否能满足要求受到越来越多人的重视．

同时，近年来研究发现，连续刚构桥对地震动的频谱特性十分敏感，地震响应差异较大，且桥墩墩底较墩梁固结处对行波效应更为敏感[6-8]．但是，大多数试验研究是在新建桥梁的基础上实现的，很少考虑因为耐久性损伤而给桥梁带来的材料性能劣化，通过振动台试验研究在役连续刚构桥发生材料性能劣化后的地震响应是非常必要的[9-11]．

因此，本文以一在役高墩三跨钢筋混凝土连续刚构桥为对象，考虑氯离子侵蚀作用下材料性能劣化，基于相似原理构建缩尺比为1∶20实体模型进行振动台模拟实验，并按水平X∶水平Y∶竖向Z以1∶0.85∶0.65的形式进行三向地震波激励，主要研究模型桥梁在三向地震激励作用下桥墩处的地震响应规律，对今后如何确定在役连续刚构桥抗震加固区域、工法和材料有一定的参考价值，促进研究发展与实际应用．

1 桥梁原型工程概况

桥梁原型为一座跨径布置为20 m+40 m+20 m的连续刚构桥，桥墩为实心矩形墩，墩高为24 m，两边墩墩顶布置有固定支座，两主墩墩梁固结．上部结构和立柱采用C50混凝土．下部桥墩纵筋和箍筋采用HRB335，其中纵筋直径为25 mm，箍筋直径为12 mm．纵筋保护层厚度为50 mm，箍筋保护层厚度为38 mm．纵筋的初始屈服强度和直径分别为：fy=335 MPa，d0=25 mm．箍筋的初始屈服强度和直径分别为：fy=335 MPa，ds=12 mm．

该桥已服役20 a，氯离子侵入钢筋表面会导致钢筋和混凝土的腐蚀，进而造成钢筋混凝土材料力学性能的劣化[12]．基于Fick第二定律的氯离子扩散模型[13]计算钢筋初始锈蚀时间，公式如式(1)所示．

(1)

式中：Cs为混凝土表面氯离子浓度(%)，取0.3%；x为距混凝土表面的距离,mm；D0为氯离子扩散系数，取220.9 mm2/a；t0为基准时间，取28 d，约0.076 7a；t为服役时间,a；n为时间衰减系数；kie为环境影响修正系数，kie=0.845；kt为试验方法的修正系数，kt=0.832；kc为养护条件的修正系数，kc=0.8；erf为误差传递函数．

计算得到纵筋初始锈蚀时间为21.2 a，箍筋初始锈蚀时间为8.97 a．氯离子侵蚀导致钢筋锈蚀以后，钢筋凹凸不平的表面会出现应力集中现象，从而导致钢筋力学性能发生变化[14]．计算得到原桥服役20 a后纵筋强度为335 MPa、纵筋直径为25 mm；箍筋强度为257 MPa、箍筋直径为11 mm．

混凝土内部自身的微观裂隙在锈胀力的作用下将会扩展成宏观裂缝，从而导致混凝土开裂和脱落[15]．随着氯离子浓度和侵蚀时间的增大，保护层混凝土的强度不断降低[16]，经计算得到服役20 a后该桥梁结构混凝土强度退化至30.5 MPa．

2 试件模型设计及试验方案

本试验将其缩尺为1∶20比例的三跨连续刚构桥模型，如图1所示．本模型桥梁跨径布置为1 m+2 m+1 m，墩高布置为1.2 m．桥梁上部主梁截面为单箱单室变截面箱梁，桥墩为矩形实心墩．1#、4#两边墩设置有隔震橡胶支座，2#、3#墩与主梁固结．各墩墩底设有统一钢筋混凝土底座，底座与振动台台面可靠连接．模型桥梁主梁截面和桥墩截面见图2、图3所示．

图1 模型桥结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the model bridge structure

图2 模型桥梁主梁截面图(单位：mm)Fig.2 Sectional view of the main beam of the model bridge (unit: mm)

图3 模型桥墩截面图(单位：mm)Fig.3 Sectional view of the model pier (unit: mm)

为了使模型结构能够真实反应原型结构的动力特性，本文按照相似理论设计试验模型，原型与模型的重力、惯性力和恢复力满足柯西条件[17]，如式(2)所示．

(2)

式中：SE为弹性模量相似比；Sa为重力加速度相似比；Sρ为密度相似比；Sl为几何尺寸相似比．

结合地震模拟振动台设备的最大工作输出峰值加速度，取试验加速度相似比Sa为2.5．限于桥梁主梁顶板平面空间限制，在进行振动台试验时配重的人工质量不能完全放置，因而需对结构进行欠配重设置．表1给出了结构模型的基本参量相似比关系．全部完成安装的成桥照片如图4所示．

表1 模型相似比关系Tab.1 Model similarity relationship

图4 模型桥照片Fig.4 Model bridge photo

通过综合考虑模型的动力抗震性能，选取 Ⅱ类场地地震波El Centro波，Ⅲ类Taft波．试验按从小到大的顺序输入地震波峰值加速度，依次对结构模型施加125～1 000 gal的峰值加速度来对应实际地震烈度的6(0.05 gal)～9度(0.4 gal)，并进行三向地震波激励，按水平X：水平Y：竖向Z以1:0.85:0.65的形式进行输入．试验加载工况如表2所示．

3 试验结果及分析

3.1 墩顶加速度峰值响应分析

不同工况条件下，对桥梁模型结构进行三向地震波激励时，对1#墩顶、2#墩顶加速度响应进行分析研究．加速度响应值见表3，加速度数值分析见图5．

表2 试验加载工况Tab.2 Test loading condition

表3 三向地震波输入时桥墩加速度峰值Tab.3 Peak acceleration of bridge pier when inputting three-way seismic wave gal

图5 三向激励墩顶加速度峰值对比Fig.5 Three-way excitation peak acceleration peak comparison

从以上图表可以看出：

三向地震波激励作用中，墩顶加速度峰值整体呈增长趋势，但增长幅度有所差异．工况1～9中，无论纵桥向与横桥向，2#墩顶加速度峰值大概率大于1#墩顶，此工况下2#墩受到的影响更大．在竖桥向1#墩顶加速度峰值大于2#墩顶，其中，1#墩顶从工况9至工况10的加速度峰值增幅达到110.40%，此时1#墩可能已进入塑性铰阶段．

3.2 墩顶位移峰值响应分析

不同工况条件下，对桥梁模型结构进行三向地震波激励时，对1#墩顶、2#墩顶位移响应进行分析研究．墩顶位移响应值见表4，墩顶位移数值分析见图6．

表4 三向地震波输入时墩顶位移峰值Tab.4 Peak displacement of the pier top with three-way seismic waves put in mm

图6 三向激励墩顶X、Y向位移峰值对比Fig.6 Comparison of X- and Y-direction displacement peaks of three-way excitation piers

从以上图表可以看出：

1#墩顶和2#墩顶在三向地震波输入中呈现出：在0.05～0.3 gal加速度峰值输入时纵桥向位移峰值大于横桥向位移峰值，在0.3～0.4 gal加速度峰值输入时纵桥向位移峰值小于横桥向位移峰值．同时，1#墩顶横桥向位移峰值增长速率急剧上升，说明随着加速度峰值增大将快速增大1#墩顶的横向位移，当达到0.3 gal时，1#墩顶即将或已经破坏．

3.3 桥墩墩底钢筋应变响应分析

不同工况条件下，对桥梁模型结构进行三向地震波激励时，对1#～4#墩底钢筋应变响应进行分析研究．钢筋应变响应值见表5，钢筋应变数值分析见图7．

表5 三向地震波输入时墩底钢筋应变峰值Tab.5 Strain peak value of pier bottom reinforcement with three-way seismic wave put in

图7 三向激励墩底钢筋应变对比Fig.7 Three-way excitation strut steel bar strain comparison

从以上图表可以看出：

在相同地震波输入的情况下各个桥墩墩底钢筋应变峰值随着地震动烈度的增大而变大，2#墩底和3#墩的钢筋应变要比1#墩底和4#墩底的钢筋应变大，说明2#墩底、3#墩底更加容易受地震的影响．1#墩、4#墩墩底钢筋应变小，这与边墩采用了板式橡胶支座的隔震作用消耗了能量有关，支座削弱了部分地震里的传递．

3.4 桥墩墩底混凝土应变响应分析

不同工况条件下，对桥梁模型结构进行三向地震波激励时，对1#墩底、2#墩底混凝土应变响应进行分析研究．混凝土应变响应值见表6，混凝土应变数值分析见图8．

从以上图表可以看出：

在相同地震波输入的情况下各桥墩墩底混凝土应变峰值总体随着地震动烈度的增大而变大．在各地震动烈度下，2#墩底混凝土应变应变始终大于1#墩混凝土应变．地震动烈度大于8度后，2#墩底混凝土应变峰值增大了1.84倍，此时2#墩底即将或已经达到极限状态．

表6 三向地震波输入时墩底混凝土应变峰值Tab.6 Peak strain of concrete at the bottom of the pier with three-way seismic waves put in

图8 三向激励墩底混凝土应变峰值对比Fig.8 Comparison of strain peaks of concrete with three-way excitation

4 结论

(1)三向地震波激励下，墩顶加速度峰值整体呈增长趋势，当地震动烈度达到9度时，1#墩顶可能已进入塑性铰阶段．墩顶位移峰值响应表现出地震动烈度小于8度时对纵桥向影响较大，在地震动烈度大于8度时对横桥向影响更大，此时1#墩顶即将或已经破坏．

(2)各桥墩墩底钢筋应变峰值随地震动烈度的增大而变大，2#墩底、3#墩底更加容易受地震的影响．各桥墩墩底混凝土应变峰值总体随着地震动烈度的增大而变大，当地震动烈度大于8度时，2#墩底将进入危险阶段．

(3)服役20年的钢筋混凝土连续刚构桥随着地震动强度达到8度时，桥墩在横桥向更易受损，桥墩处已进入危险阶段甚至已经发生破坏．故抗震设防烈度要求8度以上的在役连续刚构桥应及时进行桥梁抗震加固，并重考虑对桥墩处进行加固处理，二次提高在役桥梁的抗震性能．