摘 要

随着国家经济的高速发展，高墩桥梁被越来越多的应用到祖国山区的各个角落，而我国地震频发，复杂的环境使桥墩内部钢筋极其容易被腐蚀，这使得桥墩的抗震性能可能偏离设计初值而引发严重的后果，因此对钢筋锈蚀矩形桥墩抗震性能的分析十分必要。

本文以湖北境内某高速公路高墩刚构桥的左线桥7号墩为例，利用OpenSees有限元分析软件进行建模，以El-centro 地震波为分析波形，分析结构在E1小震和E2大震下的地震响应。在此之前，介绍了钢筋锈蚀对钢筋力学性能的影响，确定不同锈蚀率下模型中钢筋参数的取值，然后结合时程分析法对所建模型施加地震波，分析其地震响应。此外还基于OpenSees软件建立了零长度单元，模拟墩底截面的受力情况，计算其曲率延性，从而分析不同锈蚀率下桥墩的抗震性能。

研究结果表明该模型在地震作用下始终处于早期弹性工作阶段，在大震与小震下的抗震性能较好，随着钢筋锈蚀率的不断增大，墩顶位移有少量增加，结构内部钢筋应变也少量增大。而由零长度单元模拟出的分析数据表明随着钢筋锈蚀率的增加，构件的承载力和屈服曲率逐渐降低，曲率延性系数有所增加。

关键字：桥梁高墩；OpenSees；钢筋锈蚀；时程分析；抗震性能

Abstract

With the rapid development of the national economy, bridges with high piers are increasingly used in every corner of the mountainous regions of the motherland. In China, earthquakes occur frequently and the complex environment makes the internal steel piers of the pier extremely vulnerable to corrosion. This makes the seismic performance of piers possible. Deviating from the initial value of the design causes serious consequences. Therefore, it is necessary to analyze the seismic performance of reinforced rectangular steel piers.

In this paper, Pier 7 of the left-line bridge of a highway pier with high piers in Hubei Province is taken as an example. It is modeled using OpenSees finite element analysis software, and El-centro seismic waves are used as the analysis waveforms. The structures are analyzed in E1 small earthquakes and E2. Earthquake response under earthquake. Before that, the influence of reinforcing steel corrosion on the mechanical properties of reinforcing steel was introduced. The values of reinforcing steel parameters in the model were determined under different corrosion rates. Then seismic waves were applied to the model based on time history analysis to analyze the seismic response. In addition, a zero-length element was established based on OpenSees software to simulate the force of the bottom section of the pier and calculate the ductility of the curvature to analyze the seismic performance of the pier under different corrosion rates.

The results show that the model is always in the early stage of elastic work under the action of earthquakes. The seismic performance under large earthquakes and small earthquakes is good. With the increasing of the corrosion rate of steel bars, there is a slight increase in the displacement of the top of the pier, and the internal reinforcement of the structure. Also small increase. The analysis data simulated by the zero-length element shows that as the corrosion rate of the steel bar increases, the bearing capacity of the component gradually decreases, the ductility decreases, and the seismic performance continuously decreases.

Key Words：Bridge high pier; OpenSees; Corrosion of steel bars;

Time history analysis; Seismic performance

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究现状 1

1.3 研究的目的 3

1.4 研究内容 3

第2章 钢筋锈蚀机理与锈蚀钢筋力学性能 4

2.1 概述 4

2.2 钢筋锈蚀机理 4

2.3 钢筋锈蚀的危害 4

2.3.1 钢筋腐蚀对结构受力的影响 5

2.3.2 钢筋混凝土构件截面损伤 5

2.3.3 钢筋混凝土之间握裹力变化 5

2.4 钢筋锈蚀主要形式 6

2.4.1 均匀腐蚀 6

2.4.2 坑蚀 6

2.5 影响钢筋锈蚀速率的因素 7

2.6 锈蚀钢筋的力学性能 7

第3章 基于OpenSees建立桥墩有限元分析模型 8

3.1 有限元分析程序OpenSees简介 8

3.2 实例简介 8

3.3 纤维模型简介 11

3.4 材料的参数确定 12

3.4.1 钢筋参数的取值 12

3.4.2 钢筋参数的取值 13

3.5模型的建立 14

3.5.1 节点与截面的建立 14

3.5.2 单元的建立与模型检验 16

第4章 动态时程分析 18

4.1 动态时程分析方法的介绍 18

4.2 地震波的选取 18

4.3 地震响应分析 19

4.3.1 E1地震作用下的时程分析 20

4.3.2 E2地震作用下的时程分析 23

4.4 本章小结 30

第5章 基于零长度单元模型的抗震性能分析 31

5.1 延性简介 31

5.2 不同锈蚀率下桥墩延性分析 31

5.3 本章小结 35

第6章 结论与展望 36

6.1 结论 36

6.2 展望 36

参考文献 38

致 谢 39

第1章 绪论

1.1 研究背景

随着我国交通行业的发展与进步，公路网和铁路网不断延展，桥梁凭借其优越的越障能力，在交通行业建设中扮演着重要角色，被越来越多的应用到江河沟壑之中。而高墩桥梁作为桥梁中的巨人，它们的身影在地形复杂的山区随处可见，极高的墩柱使它们看起来极为宏伟，如位于咸旬高速的三水河特大桥，其墩高达到了183米，被称为亚洲第一高墩的贵州毕威高速公路赫章特大桥最大高墩墩高更是达到了195米。桥墩作为这些高墩桥梁的主要承重构件，不仅要承受巨大的自重，上部结构的恒载，汽车和人群活载，还要抵抗突发的地震，风浪等偶然荷载带来的冲击力，因此要求其必须要有良好的承载能力，耐久性以及抗震性能。

我国地处两个世界地震带之间，地震时常发生，主要发生的地区为台湾、西南、西北、华北、东南沿海等地区，这些地区的高墩桥梁难免会受到地震冲击力的影响，一旦桥梁丧失承载能力，不仅其本身的破坏会带来巨大的生命财产损失，作为通往受灾地区的生命线，它们的失职也会影响灾后的及时救援。因此对桥梁的高墩抗震性能的研究与分析变十分重要。

完好的钢筋凭借其良好的延性与韧性，足以保证桥墩抵御一定的地震冲击力，但我国地域广大，气候环境复杂，桥墩在使用期间受到各种外界因素的影响，难免会发生保护层混凝土开裂，钢筋与外界直接接触，二氧化碳与水的共同作用对钢筋产生腐蚀，钢筋的直径变短，有效截面变小，力学性能发生改变。特别对于近海桥梁及经常使用除冰剂的寒冷地区，由于海水和除冰剂中氯离子的影响，加速了钢筋的锈蚀，并使钢筋出现坑蚀的现象，钢筋上凹凸不平的坑洞容易引发钢筋的应力集中现象，钢筋的力学性能会被严重改变，同时锈蚀的钢筋还使钢筋混凝土之间的粘结退化，桥梁整体性下降，保护层混凝土剥落，桥墩承载能力降低，危及桥梁安全。北京的西直门立交桥因为长期使用除冰盐，导致桥梁仅使用20年，部分钢筋混凝土构件就被严重腐蚀，不得不拆除重建^[1]。

满足设计目标的桥梁高墩能抵御一定强度的地震冲击作用，但当内部钢筋遭受腐蚀，力学性能随之改变之后，桥墩的承载能力，耐久性等会偏离设计值，其抗震性能也不再能够保证。因此钢筋锈蚀后桥墩的抗震性能的研究分析变得非常必要。

1.2 研究现状

针对钢筋锈蚀对桥墩抗震性能的影响，国内外学者的关注度越来越高，也进行了许多高质量研究。对上面问题的研究方法一般有两种，第一种为实验分析的方法，另一种称为数值模拟的分析方法。实验法即同时制作多个初始条件相同的构件进行不同锈蚀率锈蚀，施加轴向的荷载，采用力或位移控制，施加预定的水平反复荷载，测得实验结果，分析其滞回曲线，骨架曲线由此分析得出结构的延性，耗能能力等情况。构件实际使用时在自然环境中的锈蚀是一种电化学腐蚀，为了加快腐蚀效率，实验分析法通常是将试件放入NaCl溶液，通过对试件施加电流加速锈蚀用来模拟构件在自然环境下的锈蚀。实验法由于要预制构件，并需要模拟锈蚀，通常只适合分析尺寸较小的锈蚀构件的抗震性能，且实验所需时间较长，人力物力耗费较大。数值模拟分析法即利用OpenSees，ansys等分析软件根据所分析构件建立非线性的分析模型，引入钢筋锈蚀发生力学性能变化这一参数，模拟地震时构件的响应，从而分析钢筋锈蚀对构件抗震性能的影响。数值模拟分析可以对尺寸较大的桥墩进行模拟分析，有效率高时间短的优点，数据也很合理。高嵩^[2]基于OpenSees软件根据所分析混凝土构件建立有限元分析模型，进行了单调加载与低周反复水平加载的试验模拟，与实验结果相对比，得出的结论证明了利用OpenSees软件建模分析结构抗震性能的合理性，因此本文对矩形高墩抗震性能影响的研究也基于OpenSees软件进行建模分析。

随着国际建设行业的不断发展进步，国内外学者针对钢筋锈蚀对构件抗震性能的影响在各个方面做出的研究越来越多，也越来越深入。吕建峰^[3]系统的分析阐述了公路桥梁钢筋锈蚀的根本原因，即钢筋钝化后，钢筋表面产生的物质与水氧气共同作用，最终生成铁锈，并提出了生锈防治措施。Mizam Dogan揭示了钢筋腐蚀的原因以及腐蚀后对混凝土结构的影响，并进一步提出了预防措施。Anant Parghi , M. Shahria Alam^[5]通过实验，分析了经过加固后桥墩的脆性曲线，对经过FRP复合材料加固后的桥墩进行了抗震评估。Osama Ali, David Bigaud, Hassen Riahi^[6]应用高效建模的方法，分析了FRP对钢筋混凝土构成的框架进行加固后，其地震下的响应。陈昉建^[7]对不同力学性能的钢筋进行不同锈蚀程度的锈蚀，并对试件进行荷载试验，得到锈蚀前后对研究试件力学性能的影响，并利用OPENSEES非线性有限元程序对钢筋锈蚀前后的钢筋混凝土柱建立模型，与之前的实验数据对比从而验证模型的是否符合实际情况，最后对锈蚀钢筋混凝土柱的地震响应进行分析计算总结。张俊萌^[8]采用数值模拟与实验相结合的方法，对腐蚀后的钢筋混凝土结构的滞回性能进行了分析总结。赵建锋^[9]等利用ABAQUS软件以圆柱形桥墩为例建立了模型，分析了结构中箍筋纵筋在各种作用侵蚀下分别锈蚀或同时锈蚀时，在不同服役时间不同锈蚀率下桥墩抗震性能的影响，得出最后的结论，纵筋锈蚀主要影响墩柱的极限承载力以及屈服时结构位移，箍筋的锈蚀前后，结构的极限位移变化很大。成虎，李宏男，王东升^[10]等利用OPENSEES软件对无锈蚀的桥墩的振动台试验及锈蚀缩尺桥墩拟静力的试验进行模拟，并考虑桥墩纵筋强度衰退及与混凝土之间滑移的问题，进而分析了钢筋混凝土的抗震性能。

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