全服役期内跨海桥梁精准化抗震性能评估及基于位移抗震设计方法

The chloride-induced corrosion is more severe in splash and tidal zone for the coastal bridges in the marine environment, thus the performance degradation in this region is significantly larger than the submerged zone, which can cause the damage concentration region, i.e., the plastic hinge, transfer from the bottom up. Focusing on this issue, the damage development process and seismic performance before and after plastic hinge transfer of the non-uniformly corroded bridge pier is firstly investigated by pseudo-static test. The comprehensive indicators which can effectively predict structural damage degree is preliminary establishment and the limit values for the four limit states are quantified. Then, the corrosion related stress-strain and bond-slip models are proposed through the material test and pullout test. Refined finite element modelling method is developed and adopted to perform multi-parameter analysis to investigate the influence factor of failure state and structural seismic performance evolution. Finally, the displacement-based seismic design method of the coastal bridges in the whole service life based on the models of failure mode transfer time and equivalent plastic hinge length is established.

海洋环境中跨海桥梁结构氯盐腐蚀灾害在浪潮区的严重程度显著甚于其他区段，故桥墩浪潮区抗震性能劣化显著大于淹没区。不同区段性能退化差异可引起桥墩塑性铰上移的特殊失效现象，忽略该现象将导致跨海桥梁全服役期内抗震性能评估及设计产生危险误差。以立面分区腐蚀现象为切入点，首先，开展拟静力试验研究，揭示分区腐蚀桥墩地震作用下损伤发展过程和塑性铰转移前后抗震性能变化，建立可有效预测分区腐蚀构件损伤程度的综合指标，并量化四种极限状态界限取值。其次，开展材料腐蚀退化试验和钢筋拔出试验，提出混凝土、钢筋与锈蚀率相关的退化应力-应变模型和粘结-滑移关系模型，发展精细化有限元建模方法，进行多参数分析确定失效状态影响因素，精准探究跨海桥梁抗震性能演化规律，提出全服役期内抗震性能评估方法。最后，基于失效模式转换时间和等效塑性铰长度计算模型，在保证既定可靠度和安全性基础上建立全服役期内跨海桥梁基于位移抗震设计方法。

跨海桥梁立面方向上分区劣化现象与传统桥梁结构性能退化特点存在明显不同，浪潮区相对于淹没区承载能力的显著退化有可能引起结构产生异于常规的破坏现象和失效模式，并最终严重影响结构抗震性能。目前，桥梁结构腐蚀研究大多集中于均匀劣化现象，立面不均匀劣化及其可能引起的安全问题亟待解决。本项目针对海洋环境下跨海桥梁分区劣化现象展开研究，开展分区劣化桥墩拟静力试验，分析地震作用下此类构件变形发展趋势和损伤演化机制，探究塑性铰转移前后桥墩抗震性能变化；建立桥墩材料与锈蚀率相关的退化应力-应变模型，发展精细化有限元建模方法，探究跨海桥梁桥墩时变失效状态变化，揭示全服役期内跨海桥梁抗震性能演化规律；借助分区劣化桥墩拟静力试验结果和精细化有限元模型，确定桥墩服役期内失效模式转换时间和名义等效塑性铰长度计算模型，提出跨海桥梁系统基于位移抗震设计方法。主要结论包括：.(1)桥墩立面方向上大气区、浪潮区、淹没区高度比例对于其失效模式影响显著，塑性铰上移时对应服役年限与淹没区高度/墩高呈正相关，塑性铰上移现象可导致桥墩损伤快速增大；.(2)全服役期内，桥墩失效模式包括4类，分别为墩底全塑性铰、双塑性铰（墩底全塑性）、双塑性铰（浪潮区全塑性）和浪潮区全塑性铰。桥墩失效模式转换时刻和名义等效塑性铰长度预测方程可应用于快速评估跨海桥梁桥墩时变损伤状态，并为此类结构基于位移的抗震设计方法提供基础；.(3)有限元分析方法考虑海洋环境立面差异性，研究3个区域材料劣化触发条件和触发时间，优化钢筋疲劳参数，确定材料与锈蚀率相关的应力-应变本构关系，给出边界条件在分析中的精细化实现方式，具有较高准确性和有效性；.(4)跨海桥梁时变易损性分析表明，桥梁四种损伤状态超越概率呈现多次明显增幅，转折点均对应单排桥墩塑性铰上移时刻，揭示了桥梁结构中不同桥墩之间腐蚀区域分布差异性对其抗震性能的显著影响，此外，固定支座损伤变化与桥墩失效模式变化关联明显。