海环境对波形腹板钢底板组合箱梁动力特性的影响

海环境对波形腹板钢底板组合箱梁动力特性的影响

刘愈之

兰州交通大学，甘肃省兰州市，730070

【摘要】 波形腹板钢底板组合箱梁(以下简称新型组合箱梁)是一种在传统波形钢腹板组合箱梁的基础上将混凝土底板置换为平钢底板的一种新型结构形式。在未来新型组合箱梁桥在全国范围内进行推广运用时，难免会面临如盐渍土、盐湖以及沿海地区等一些特殊地区环境对结构的腐蚀问题。因此，开展对新型组合箱梁结构受氯盐腐蚀影响的研究具有十分重要的理论意义与工程实用价值。本文对波形腹板钢底板组合箱梁受海洋性气候腐蚀之后自振频率的变化规律进行了预测与分析，得到了暴露在沿海地区大气时各个年份的理论锈蚀深度，发现模型试验梁在6%浓度氯化钠溶液中腐蚀517天等效与模型试验梁在海洋性气候中暴露4.2年，并分别基于不同理论对组合箱梁结构的自振频率计算方法进行了阐述，发现组合箱梁结构的自振频率随着腐蚀时长的增加而逐渐减小，说明腐蚀降低了组合箱梁的刚度。

【关键词】 波形腹板钢底板组合箱梁；氯盐腐蚀；自振频率；锈蚀深度

引言

目前，预应力混凝土(PC)梁因其抗弯、抗扭刚度大的特点，往往作为桥梁设计时的首选结构形式。但随着社会经济与交通事业的快速发展，桥梁跨度不断增大，由此导致桥梁结构自重增加，出现了梁体开裂、刚度退化以及下挠严重等病害，严重影响了结构运行安全以及耐久性，因此传统预应力混凝土箱梁无论从结构受力方面还是经济性方面来说已很难适应尤其是大跨桥梁的需求。为了解决以上问题，法国桥梁学者率先在预应力混凝土(PC)梁的基础上提出了采用高强度平钢腹板代替厚重的混凝土的构想。但，由于混凝土材料与钢材的延性相差较大，导致平钢腹板对混凝土箱梁上、下翼板产生了较大的纵向约束，造成了组合箱梁预应力的严重损失。

为此，本文基于试验首先建立腐蚀速率预测模型，对该模型试验梁暴露在沿海地区大气环境中5年、10年、20年、50年以及100年的锈蚀深度进行预测；其次，本文通过理论公式对不同腐蚀时长的模型试验梁进行理论计算，并与ANSYS有限元软件对不同腐蚀年限的自振频率进行对比，以验证有限元数值模拟值的正确性，同时揭示富含氯离子的沿海地区大气环境对该类结构自振频率的影响。

1腐蚀深度预测模型

本文选择幂函数模型对波形腹板钢底板组合箱梁暴露在大气时的腐蚀深度进行预测，根据以往大气暴露腐蚀的试验数据，其具体表达式为：

                                                          (1.1)

式中：——钢材锈蚀深度(mm)；

——锈蚀时长(y)；

、——常数。

关于式(1.1)中常数的确定，其与环境因素(温度、光照时长、氯离子含量等)与钢材内合金元素有关。17种钢在6个试验站16年暴露数据回归所得到的幂函数参数，合金元素与环境因素对幂函数常数影响规律见式(1.2)与(1.3)。

                                                     (1.2)                      

                                                     (1.3)

式中：——常数；

、——因子的系数；

——因子的数量。当因子是钢的化学成分时，其表示钢的化学成分百分比含量。

本次拟合材料采用模型试验梁同款Q345钢。锈蚀环境选择为海南省万宁市，万宁市属于热带海洋性季风气候，该地区沿海且常年湿热，因此该地区具有理想的氯离子腐蚀环境。查得万宁市相关气候年鉴数据以及 Q345钢材合金含量。通过计算可得常数A为0.025 ，常数n为1.012。即可得到万宁市大气环境Q345钢理论锈蚀深度与锈蚀时间的函数关系式：

(1.4)

计算出模型试验梁在6%浓度氯化钠溶液中腐蚀517天等效与模型试验梁在万宁大气环境中暴露4.2年。在结构设计时，钢结构的设计周期多为50年以上。

2有限元模型建立

(1)单元参数

有限元模型的波形钢腹板与钢底板SHELL63单元，弹性模量为2.06×1011N/mm2，泊松比为0.28。混凝土顶板采用SOLID65单元，弹性模量为3.45×1010N/mm2，泊松比为0.1667。

（2）模型几何尺寸

几何尺寸与模型试验梁尺寸相同，长度3400mm，高度400mm，顶板厚度为50mm，底板厚度为5mm，腹板厚度为3mm。

(3)模型建立

建立几何模型包括建立钢底板和波纹钢腹板，混凝土横隔板和混凝土顶板。

3组合箱梁自振频率计算

为研究波形腹板钢底板组合箱梁暴露在海洋性大气时对其竖向自振频率的影响，本次模拟采用均匀减小截面的方法模拟钢的均匀腐蚀。运用上文ANSYS有限7与元模型对万宁市大气腐蚀5年、10年、20年、50年以及100年的模型试验梁竖向自振频率的改变。

当波形腹板钢底板组合箱梁结构暴露在海洋性大气环境时，其自振频率随着腐蚀时长的增加而逐渐减小，其腐蚀前期自振频率速度比腐蚀后期较快，可以说明腐蚀降低了组合箱梁的刚度。当组合箱梁腐蚀时长从0年到100年，其前6阶自振频率分别下降30.06%、32.56%、32.70%、34.97%、32.47%以及28.13%，均在30%左右。可以说，当组合结构箱梁暴露在沿海地区大气环境时，由于气溶胶中氯离子含量高，因此对其自振频率影响明显，显著降低了结构的整体刚度，因此在此类地区设计施工该类组合结构箱梁时应在钢材部分涂装合适的防腐层。

4结论

本章对波形腹板钢底板组合箱梁受海洋性气候腐蚀之后自振频率的变化规律进行了预测与分析，并得到了如下结论：

（1）本文选择了最常用的幂函数模型，结合环境因素以及合金影响因素，对波形腹板钢底板组合箱梁暴露在沿海地区大气时的腐蚀深度进行预测，得到了暴露在沿海地区大气时5年、10年、20年、50年以及100年时理论锈蚀深度。

（2）通过失重法对本文腐蚀后的模型试验梁的锈蚀深度进行的测算值与本章的腐蚀深度模型进行拟合，发现模型试验梁在6%浓度氯化钠溶液中腐蚀517天等效与模型试验梁在海洋性气候中暴露4.2年。

（3）通过对不同腐蚀时长组合结构竖向弯曲自振频率分析，发现组合箱梁结构的自振频率随着腐蚀时长的增加而逐渐减小，腐蚀前期的自振频率速度比腐蚀后期较快，说明腐蚀降低了组合箱梁的刚度。

（4）当组合箱梁腐蚀时长从0年到100年，其前6阶自振频率分别下降30.06%、32.56%、32.70%、34.97%、32.47%以及28.13%，误差均在30%左右，说明由于沿海地区气溶胶内富含氯离子，因此该环境显著降低了组合箱梁的自振频率，大大降低了该类组合结构的耐久性能。

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