碳化腐蚀下既有桥梁地震易损性的数值与试验评估：考虑材料退化与场地效应的时变可靠性分析

《Soil Biology and Biochemistry》：Numerical and experimental assessment of the seismic vulnerability of an existing bridge in presence of carbonation-induced corrosion

本文针对意大利上世纪建造的大量桥梁因碳化腐蚀导致结构性能退化、抗震可靠性降低的问题，开展了数值模拟与试验验证相结合的系统研究。通过建立考虑材料腐蚀、土壤-结构相互作用（SSI）和支座非线性响应的精细化模型，并结合多站点地震危险性分析，揭示了腐蚀显著降低桥梁抗震性能、改变破坏模式的规律。研究成果为既有桥梁的管理策略制定和抗震加固提供了重要理论依据。

　　

意大利现有桥梁多建于20世纪下半叶，目前大多已接近或超过设计使用年限。长期暴露在自然环境中，这些桥梁普遍存在材料退化问题，其中碳化引起的钢筋腐蚀尤为突出，显著影响结构响应和抗震可靠性。2018年波尔塞维拉高架桥的倒塌事件更是敲响了警钟，凸显了考虑劣化效应的桥梁评估与管理的紧迫性。在此背景下，研究人员对一座具有代表性的既有桥梁进行了系统的数值与试验研究，评估其在碳化腐蚀作用下的地震易损性，相关成果发表在《Soil Biology and Biochemistry》上。

为开展本研究，研究人员综合运用了多种关键技术方法：1）基于OpenSees平台的精细化三维有限元建模，包括考虑分布塑性的桥墩单元、非线性摩擦响应的氯丁橡胶支座以及通过惯性宏单元（1DME）实现的土壤-结构相互作用（SSI）模拟；2）多条纹分析（MSA）方法，针对意大利三个具有不同地震危险性的理想场地（米兰、那不勒斯和拉奎拉），选取了10个强度等级（IM水平）的地震动进行非线性时程分析（NLTHA）；3）通过广泛的试验活动（包括混凝土抗压试验、钢材拉伸试验、回弹锤试验、超声波试验、拉拔试验和盖帽仪调查）对材料特性进行表征，并利用激光扫描仪调查对桥梁损伤进行数字化记录，为数值模型的验证和腐蚀场景的设定提供了坚实的数据基础。

3.1. 桥梁上部结构

研究建立了桥梁上部结构的精细格栅模型，预应力混凝土（PC）梁和钢筋混凝土（RC）板均采用弹性单元模拟。氯丁橡胶支座采用考虑摩擦行为的flatSliderBearing单元，其摩擦系数μ根据竖向压力按经验公式计算。桥墩采用基于力的分布塑性单元模拟，材料本构考虑了钢筋的Giuffré-Menegotto-Pinto模型和混凝土的Kent-Scott-Park模型（盖层）和Popovics模型（核心区），并通过纤维截面法考虑腐蚀导致的钢筋面积损失以及钢材和混凝土力学性能的退化。

3.2. 土壤-结构相互作用（SSI）

通过一维惯性宏单元（1DME）来模拟桥台和桩基础与土壤的相互作用。这些宏元件能够模拟与频率和振幅相关的非线性动力SSI效应，分别用于模拟桥台（三个平移自由度）和桥墩基础（三个平移和两个旋转自由度）。

4.1. 腐蚀场景

研究假设了一个中度的碳化诱导腐蚀场景。碳化深度采用抛物线渗透定律计算，腐蚀开始时间（t_i）根据水灰比确定为13.5年，腐蚀电流密度（i_corr）取0.8 μA/cm²。根据均匀腐蚀模型，计算了53年使用年限后纵筋和箍筋的截面损失率（ψ）。

4.2. 腐蚀对钢材材料性能的影响

腐蚀导致钢筋屈服强度（f_y）、极限强度（f_u）和极限应变（ε_su）降低。f_y,c和f_u,c根据质量损失率ψ按比例折减，ε_su,c则根据损伤函数δ_s进行计算。

4.3. 腐蚀对混凝土材料性能的影响

腐蚀产物的膨胀导致混凝土保护层开裂，其抗压强度（f_c,c）因此降低。降低的程度通过考虑混凝土受拉应变（ε₁）的模型进行估算，该应变与裂缝宽度（w_cr）相关，而裂缝宽度又取决于腐蚀深度（X）。

4.4. 截面和Pushover分析

通过弯矩-曲率分析和Pushover分析，在单元层次上评估了腐蚀的影响。分析表明，腐蚀显著降低了桥墩的峰值弯矩、极限曲率和延性，其抗侧刚度和峰值基底剪力也有所下降。

5.1. 试验活动

通过对案例桥梁进行广泛的现场试验和实验室测试，获取了混凝土和钢材的实际力学性能参数，并利用激光扫描技术精确记录了结构的几何形态和损伤分布。试验结果验证了碳化深度、材料强度损失等关键参数，为数值模型中腐蚀场景的设定提供了可靠的依据。

5.2. 腐蚀桥梁场景的验证

将腐蚀损伤模型计算得到的钢筋剩余直径d(t)、混凝土强度f_c,c、钢筋强度f_y,c和f_u,c与试验测量值进行对比，误差很小（多数在3%以内），成功验证了所采用的腐蚀场景和损伤模型的合理性。

6.1. 模态分析

模态分析揭示了桥梁的基本动力特性。腐蚀导致结构刚度略有下降，表现为基本周期轻微延长。前三阶振型分别为纵桥向平动、横桥向平动和绕竖轴扭转，腐蚀未改变振型形态。

6.2. 地震危险性、地震动选择和SRA

针对三个场地进行了站点特异性的概率地震危险性分析（PSHA），并采用条件谱（CS）方法为每个强度等级（IM等级）选取了20条地震动记录。通过场地响应分析（SRA）考虑了当地土层条件对输入地震动的影响。

6.3. 性能水平

研究定义了三个性能水平（PL）：可用性防止破坏（UPD）、严重破坏（SD）和结构破坏（SF）。每个性能水平对应不同的组件（支座、桥墩、桥台背墙、基础）和不同的工程需求参数（EDP）阈值。

6.4. NLTHA结果

非线性时程分析（NLTHA）结果表明，腐蚀显著增加了结构在各性能水平下的需求能力比（D/C）。在未腐蚀状态下，UPD水平的破坏主要由支座滑动控制；而在腐蚀状态下，SD和SF水平的破坏中，桥墩的延性破坏变得更加重要。腐蚀还改变了结构的失效模式。

7. 时变地震风险评估

通过整合 fragility 函数和地震危险性曲线，计算了各性能水平的失效率λ_f。结果表明，腐蚀导致所有场地和所有性能水平（尤其是SD和SF）的失效率显著增加，增幅最高超过1000%（米兰的SF水平）。这表明不考虑材料性能随时间的演变会在评估中低估桥梁的地震风险。

本研究通过数值模拟与试验验证相结合，系统评估了碳化腐蚀对意大利典型既有桥梁地震可靠性的时变影响。主要结论包括：1）所建立的精细化数值模型和腐蚀损伤模型能够有效预测腐蚀桥梁的结构响应，并经试验数据验证；2）腐蚀显著降低了桥墩的强度、刚度和延性，改变了结构的失效模式，使桥墩的塑性破坏在更高性能水平下变得更加主导；3）地震风险评估表明，腐蚀导致所有场地（米兰、那不勒斯、拉奎拉）和所有性能水平（UPD、SD、SF）的失效概率（λ_f）显著增加，不考虑材料退化会严重低估 seismic risk；4）氯丁橡胶支座被证明是控制UPD水平响应的关键脆弱部件。该研究强调了在既有桥梁的评估、管理和决策过程中，必须考虑材料腐蚀带来的时变效应，研究结果为制定科学的桥梁管养和加固策略提供了重要依据。