（土木工程专业论文）GFRP桥面钢纵梁组合梁桥结构性能分析与研究.pdf

摘要 摘要 本论文着眼于解决拉挤成型g f r p 组合桥面板与工字形钢纵梁组合而成的 新型g f r p 组合梁桥在正常使用极限状态f 的结构分析与设计问题，通过理论推 导并结合有限元结构分析手段得出此类组合梁桥的主要设计参数，从而提出一整 套此类新型g f r p 组合梁桥的简化设计方法并应用于我国中小跨度桥梁的设计 中来。针对以上学术构想与思路，本文的研究工作主要围绕以下四个方面展开： 1 拉挤成型g f r p 组合桥面的设计 在分析比较国外各类g f r p 桥面的刚度、强度性能的基础上着重对拉挤成型 g f r p 桥面各项宏观力学性能进行研究。探讨将其等效为总体正交异性板后各个 等效力学参数( 如各个方向上的等效拉压弹性模量e 。、e 。、乓，及不同平面内的 剪切弹性模量g 1 ：、g l ，、g 2 ，和泊松比v v v 。等) 的取值并确定拉挤成型 g f r p 组合桥面设计时的计算模式，然后提出刚度控制设计时拉挤成型g f r p 组 合桥面在横g f r p 简支组合梁桥轴线方向上的设计挠度标准 及此类拉挤成 型g f r p 组合桥面的设计方法。 2 新型g f r p 组合梁桥的空间分析 比较现有国内外梁式桥实用空间分析理论，结合理论推导与有限元计算成 果，探讨由拉挤成型g f r p 组合桥面板与工字形钢纵梁组合而成的新型g f r p 组 合梁桥的荷载横向分布系数计算公式，从而解决此类新型组合梁桥的横向内力分 配问题并为设计提供有效依据。 3 新型g f r p 组合粱力学性能分析 利用荷载横向分布系数求得单梁上所分配的弯矩后，即可分析上为拉挤成型 g f r p 组合桥面，下为工字形钢纵梁的新型g f r p 组合梁的总体力学性能。着重 研究此类新型g f r p 组合梁翼缘有效分布宽度b 州的取值及板梁组合作用对全梁 宏观力学性能f 包括截面应力应变关系及纵向荷载分配) 的影响等问题。 4 新型g f r p 组合梁桥的设计方法 总结以上主要研究成果，探讨此类新型g f r p 组合梁桥的简化设计方法并尝 试应用到我国中小跨度桥梁的设计中来。 关键词：拉挤成型、g f r p 、g f r p 组合桥面、g f r p 组合梁、g f r p 组合梁桥 a b s t r a c t a b s t r a c t t h es t r u c t u r a la n a l y s i sa n d d e s i g no fg f r pc o m p o s i t eb e a mb r i d g ec o m p o s e do f p u l t r u s i o n g f r pc o m p o s i t ed e c ka n d i - s h a p e d s t e e l l o n g i t u d i n a lb e a mw e r e r e s e a r c h e di nt h es e r v i c e a b i l i t yl i m i ts t a t ei nt h i sp a p e r b yt h et h e o r e t i c a ld e d u c ea n d s t r u c t u r a lf i n i t ee l e m e n tm e t h o da n a l y s i s ，t h e m a j o rd e s i g np a r a m e t e r so ft h e c o m p o s i t eb e a mb r i d g ew e r eo b t a i n e d t h e r e f o r e ，as i m p l i f i e dd e s i g nm e t h o do f g f r pc o m p o s i t eb e a mb r i d g ew a sp r e s e n t e da n da p p l i e dt ot h ed e s i g no f m e d i u ma n d s h o r ts p a nb r i d g e si nc h i n a t h em a i nr e s e a r c hw a sa sf o l l o w s ： 1 t h ed e s i g no f p u l t r u s i o ng f r p c o m p o s i t ed e c k b a s e do nt h e c o m p a r i s o no fs t i f f n e s sa n ds t r e n g t ho ff o r e i g nv a r i o u sg f r p c o m p o s i t ed e c k ，t h em a c r om e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fp u l t r u s i o ng f r pc o m p o s i t ed e c k w e r er e s e a r c h e d f i r s t l y ，t h ev a l u eo ft h ee q u i v a l e n tm e c h a n i c a lp a r a m e t e r s ( s u c ha s t h ee q u i v a l e n ty o n g sm o d u l u s 巨1 ，屹，岛3i nv a r i o u sd i r e c t i o n ，t h es h e a rm o d u l u s g i2 ，g t ，g 2 i nd i f f e r e n tp l a n ea n dp a s s i o n sr a t i ov 1 2 、v 1 3 、v 2 3a n ds oo n ) w e r e d i s c u s s e dw i t ht h ed e c kb e i n g r e p r e s e n t e db ya ne q u i v a l e n to r t h o t r o p i cp l a t e s e c o n d l y ，t h ec o m p u t i n gp a t t e r no f p u l t r u s i o ng f r pc o m p o s i t ed e c kw a sd e t e r m i n e d f i n a l l y ，t h et r a n s v e r s ed e s i g nd e f l e c t i o nc r i t e r i o na n dt h ed e s i g nm e t h o do fp u l t r u s i o n g f r pc o m p o s i t ed e c kw e r ep r e s e n t e d 2 s p a t i a la n a l y s i so f g f r pc o m p o s i t eb e a mb r i d g e b yt h et h e o r e t i c a ld e d u c ea n ds t r u c t u r a lf i n i t ee l e m e n tm e t h o da n a l y s i s ，t h e t r a n s v e r s a l1 i v e - l o a dd i s t r m u t i o nf a c t o rf o r m u l ao fg f r pc o m p o s i t eb e a mb r i d g ew a s p u tf o r w a r d c o n s e q u e n t l nt h ep r o b l e ma b o u tt r a n s v e r s a li n t e r n a lf o r c ed i s t r i b u t i o no f g f r pc o m p o s i t eb e a mb r i d g ew a ss e t t l e d 3 a n a l y s i so nm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c eo fg f r pc o m p o s i t eb e a m a f t e rg e a m gt h ef l e x u r a lm o m e n to n s i n g l ec o m p o s i t eb e a mb yu t i l i z i n g t r a n s v e r s a lf i v e l o a dd i s t r i b u f i o nf a c t o r ，t h em e c h a n i c a lp e r f o r m a n c eo fg f r p c o m p o s i t eb e a mw a sa n a l y z e d t h ee m p h a s e sw e r ep u to nf l a n g ee f f e c t i v ew i d t ho f g f r pc o m p o s i t eb e a ma n dt h ei n f l u e n c ed e g r e eo fs l a b b e a mc o m b i n e da c t i o no n m a c r om e c h a n i c a lp e r f o r m a n c eo fg f r pc o m p o s i t eb e a m ( i n c l u d i n gs e c t i o n a l s t r e s s s t r a i nr e l a t i o n s h i pa n dl o n g i t u d i n a ll i v e l o a dd i s t r i b u t i o n ) 4 t h es i m p l i f i e dd e s i g nm e t h o do f g f r pc o m p o s i t eb e a mb r i d g e b a s e do nt h e s er e s e a r c hr e s u l t s ，as i m p l i f i e dd e s i g nm e t h o do fg f r pc o m p o s i t e a b s t r a c t b e a mb r i d g ew a sp r e s e m e da n da p p l i e dt ot h ed e s i g no fm e d i u ma n ds h o r ts p a n b r i d g e si nc h i n a k e yw o r d s ：p u l t r u s i o n ，g l a s sf i b e rr e i n f o r c e dp o l y m e r , p u l t r u s i o ng f r pc o m p o s i t e d e c k ，g f r pc o m p o s i t eb e a m ，g f r pc o m p o s i t eb e a mb r i d g e 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 彳晒啄 0 3 年z 月f 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月 日年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：囱眵耳辱 d 年z 月 f 日 同济大学博士学位论文：第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 目前，使用混凝土等传统材料建造的桥梁上部结构的恶化已经成为世界性 的难题，主要是因为它们的耐腐蚀性能相对较弱，尤其对于北方寒冷地区，冬天 所洒的融雪用盐是导致钢筋混凝土桥面板腐蚀的最主要原因u o j 。 以美国为例，1 9 9 9 年该国共有约5 8 0 ，0 0 0 座桥梁，而其中有近1 3 是有缺陷 ( d e f i c i e n t ) 的。在这些有缺陷的桥中，超过了2 9 ，0 0 0 座是因为桥面板的恶化而 导致承载能力下降。联邦高速公路管理局( f h w a ) 评估后认为若要全部维修这 些有缺陷的桥，大约需要2 0 0 亿美元。而美国的纽约州运输局( n y s d o t ) 也面 临类似的问题。表1 1 按桥梁所有者类型列出了该州有缺陷桥的情况。在总共7 5 8 5 座有缺陷桥梁中，约有2 0 0 0 座的缺陷是因为桥面板的恶化所引起的【4 j 。 表1 1 美国纽约州桥梁的当前状态 桥梁数目( 座) 所有者类型 总数有缺陷数有缺陷百分比( ) 州政府所有 7 ，7 9 72 ，2 2 5 2 8 5 当地所有8 , 8 9 83 ，9 0 2 4 3 8 其它 2 ，8 1 91 ，4 5 8 5 1 8 总和1 9 ，5 1 47 ，5 8 5 3 8 9 为了解决这个问题，研究者们一直在努力寻找耐久性好且不易受化学腐蚀 影响的材料来替代混凝土修复或建造桥梁。同时为了尽量减少对既有交通的阻 塞，这种材料所制造的桥面系统应能够快速的安装且在使用寿命期内的总成本与 传统材料相当。f r p ( 纤维增强复合材料) 就是这样一种具有优越性能的新型材 料胪1 。随着1 9 8 2 年中国在北京密云县修建了世界上第一座全g f r p ( 玻璃纤维增 强复合材料) 手糊蜂窝夹层组合桥面的车行公路桥梁以来，f r p 及其组合结构在 公路桥梁中的应用就越来越得到人们的重视。 对上部结构而言，f r p 既可用来制作桥面也可用来制作主梁甚至于两者全 用f r p 制作。但目前国外最为广泛使用的主要是g f r p 组合桥面系统，原因是 现有的研究主要集中于对已有的传统材料桥梁结构进行重建或重修，那么仅更换 g f r p 桥面系统更具有竞争性，相应成本也会较低。鉴于此，表鳓芏要亲手分 辑拉挤成型g f r p 组合桥面s i 字形钢纵梁所形我的薪型组合粱桥在正常使甩 极限状态下的内力传递和分配闯题，并对此类维合梁轿的设计提出相直的建议。 同济大学博士学位论文：第一章绪论 1 2 f r p 的特性及在桥梁工程中的应用 纤维增强复合材料( f i b e rr e i n f o r c e dp l a s t i c s ，简称v m p ) ，是以非金属纤维f 如 玻璃纤维g l a s sf i b e r 、芳纶纤维a r a r n i df i b e r 或碳纤维c a r b o nf i b e r ) 作增强材料， 以树脂( 如不饱和聚酯树脂、环氧树脂和乙烯基酯树脂) 作基体材料的复合材料。 树脂将纤维束结成整体，既能保护纤维免受机械破坏和化学腐蚀，又能使纤维整 体受力。按照加劲纤维的种类，f r p 可分为g f r p 、a f r p 和c f r p 等。 1 2 1f r p 的特点 纤维增强复合材料具有以下特点 卜2 】【5 】： 1 比强度高。用低碱( s ) 玻璃纤维、芳纶纤维和碳纤维做成的复合材料筋 束，其抗拉强度高于高强钢丝，用无碱( e ) 玻璃纤维做成的复合材料筋束，其 抗拉强度与高强钢丝接近。 2 比模量大。但单纯就弹性模量而言，碳纤维复合材料的拉伸弹性模量高 于钢材，而芳纶和玻璃纤维复合材料的拉伸弹性模量则仅为钢材的1 2 和1 4 。 3 应力应变关系直至破断均呈线性。 4 材料为各向异性。 5 抵抗疲劳性能好。 6 抗化学腐蚀性能好。 7 阻尼减振性好。 8 破损安全性高。 9 可使用高质量的制造方法进行工厂预制。 1 2 2f r p 材料的产品形式与生产工艺 1 f r p 片材 f r p 布：由连续长纤维编织而成，通常是单向纤维布，且使用前不浸润树脂， 施工时用树脂浸润粘贴，也可以作为生产其他f r p 制品的原料。一般只能承受 单向拉伸。 f r p 板：将纤维在工厂中经过平铺、浸润树脂、固化成型制成，施工中再用 树脂粘贴。可承受纤维方向上的拉压，但在垂直纤维方向上强度和弹性模量很低。 2 f r p 棒材 f r p 索：将连续的长纤维单向编织，形成绳索状的制品，再用树脂浸润固化 而成。 同济大学博士学位论文：第一章结论 f r p 筋：采用拉挤工艺生产，在表面进行处理可以带肋也可以不带肋，既可 以在混凝土中代替钢筋，也可以作为预应力筋。 3 f r p 网格材及格栅 将长纤维束按照一定的间距相互垂直交叉编织，再用树脂浸润固化而成f r p 网格材或格栅。 4 f r p 拉挤( p u l t r u s i o n ) 型材 f r p 型材的拉挤工艺，是将纤维束或纤维织物通过纱架连续喂入，经过一个 树脂胶槽将纤维浸渍，再穿过热成型模具后进入拉引机构，从而形成连续的f r p 制品。拉挤的流程如图1 1 。该工艺可以生产出截面形状复杂的连续型材，纤维 主要沿轴向，且纤维含量可以达到6 0 7 0 ，有很好的受力性能。型材可以直接 作为结构构件，也可以与其他材料组合。 图1 1 拉挤流程 5 f r p 缠绕型材 将连续纤维束或纤维织物浸渍树脂后，按照一定的规律缠绕到芯模表面，再 经过固化形成以环向纤维为主的型材，常见的有管、罐、球等。 6 f r p 模压型材 模压工艺是将预浸树脂的纤维或织物，干燥后放入金属模具中进行加温加压 固化而成型。既可以是长纤维，也可以是短切纤维或纤维织物。此种型材尺寸准 确、表面光洁、质量稳定，通常在平面内呈现为各向同性。 7 手糊f r p 产品 手糊成型是指在室温低压或无压下用树脂将纤维或织物粘接成型的方法，以 前都是人工操作完成，因此称为手糊。此法可生产出形状复杂、纤维铺陈方向随 意、大尺寸的f r p 产品，但质量不易稳定。 8 f r p 夹层板和蜂窝板 此类产品均是由上下面的f r p 板和夹层材料组合而成，充分利用了面层f r p 材料强度，有很高的比强度和比剐度，是非常合理的构件形式。其生产成型方式 主要有两种：一次成型和两次成型。一次成型有手糊和真空树脂传递模塑法；二 次成型主要是各种型材粘接。 9 其他生产工艺和再加工的产品 如喷射成型法、离心成型法等。 同济大学博士学位论文：第一章结论 1 2 3f r p 材料在桥梁工程中的应用 随着f r p 材料工业的技术进步、规模生产和成本的下降，它在桥梁结构工 程中的应用规模也在不断扩大，目前应用的范围主要有以下几个方面： 1 用f r p 筋代替普通钢筋 2 用f r p 作预应力混凝土结构的预应力筋 3 将c f r p 索用在斜拉桥拉索中 4 用f r p 加固桥梁的上下部结构 5 g f r p 桥面+ 钢或混凝土梁所形成的组合梁桥 6 。桥梁中的g f r p c f r p 主梁 7 全f r p 结构桥梁 本文主要研究g f r p 桥面与传统钢纵梁组合而成的新型组合梁桥的应用。 1 3g f r p 桥面系统在桥梁工程中的应用及研究现状 相对于传统材料桥面而言，g f r p 桥面系统的优点除材料本身外，还有以下 几个方面： 1 重量轻，比钢格栅轻约1 2 ，且仅有约2 0 的混凝土板重。 2 更换原有桥面后，由于减少恒载而增大了活载的承受能力。 3 易于运输和处理，可快速安装，从而减少了施工时间和劳动力成本。 4 抵抗疲劳和腐蚀性能好，从而导致了更长的寿命和低的维修成本。 但除此之外，g f r p 组合桥面系统也有一些问题。首先，从f r p 本身的结构 属性来说，它是非各向同性的，这意味着g f r p 组合桥面系统的力学性质随体积 和增强纤维的方向变化而变化。其次，g f r p 材料相对价格较高，若使用g f r p 桥面板，初期建设费用大约是混凝土桥面板的2 - 3 倍，是正交异性板的1 5 倍左 右。再次，g f r p 材料的弹性模量很低，使得构件的刚度成为g f r p 桥面板设计 的主要控制因素，其强度的优势未得到充分的发挥，相应原有规范也不完全适应 这种新型结构的设计。因此，g f r p 组合桥面系统想要在桥梁工程中得到广泛的 应用还有很长的路要走。 目前，美国、加拿大和欧洲已经有多种不同截面形式的g f r p 组合桥面板。 一般来说，这类组合桥面板可分为两类，即拉貉姥型功纽兮折厨馥翱鳍禽哭层组 合桥面掘“。文献上可见的拉挤成型的组合桥面板主要有美国的s u p e r d e c k 系统、 d u r a s p a n 系统、e zs p a n 系统、s t r o n g w e l l 系统、欧洲的a s s e t 系统及英国的 a c c s 系统等( 图l 2 ) 。而蜂窝夹层组合桥面板主要有美国的h a r d c o r e 系统、 同济大学博士学位论文：第一章绪论 k s c i ( k 8 a - l s a s s 仃u c t i 】r a lc o m p o s i t e s ，i n c ) 系统和加拿大的纤维缠绕三角管系统( 图 1 3 ) 等。 以上几种系统均已在实桥上予以应用，并作了相当多的现场测试和理论分 析，积累了不少宝贵的经验。总的来看，设计都是由刚度控制，虽然由于各桥面 系统的设计方式互不相同，具体的刚度限值不完全一样，但均能够较好的满足桥 粱工程的实际需要，而且强度储备都非常大。 ( c ) 工皿 ( d )( e )( d 图1 2 拉挤成型的桥面板类型( a ) s u p e r d e c kc o ) d u r a s p a l l ( c ) e zs p a n ( d ) s t r o n g w e l l( e ) a s s e t ( f ) a c c s 缈“一 (a)(b) ( c ) 图1 3 蜂窝夹层组合面板( a ) h a r d e o r e 系统( b ) k s c i 系统( c ) 纤维缠绕三角管系统 1 3 1 拉挤成型桥面系统的力学性能 对于拉挤成型的组合桥面板，板厚一般限制在2 0 0 r a m 左右，所以板单元的 横向最大跨径也不超过3 m ，相应桥梁的上部结构体系也就必须要含有纵梁。由 于桥面板厚度是固定的，那么要在垂直车行的方向上产生横坡较为困难。这个问 题往往通过在纵梁和桥面板间设置板托( h a u n c h ) 或变化铺装层的厚度来解决。 1 3 1 1 s u p e r d e c k 系统 s u p e r d e c k 系统又叫h 型或六边形桥面板，它是由西弗吉利亚大学( w v u ) 和美国陆军建筑工程研究室( u s a c e r l ) 联合开发的6 9 】，其型式如图1 4 。 图1 4h 型桥面型式和尺寸 罗 盛删 翮剥剿泌 同济大学博士学位论文：第一章绪论 s u p e r d e c k 系统与钢纵梁的连接首先 是在g f r p 面板上钻一个直径1 0 1 6 r a m 的 通穿孔，然后在现场将剪力键焊接到钢纵 梁顶面以避免可能出现的键与面板上孔的 错位。最后将此孔用硬纸板封闭并灌入膨 胀水泥以确保连接，如图1 5 。后面将要介 绍的h a r d c o r e 系统的连接方式也与此类 似。 獬卷 沙键 i奠 - d e 吐系统 ，镝级粱 图1 5s u p e r d e c k 系统连接示意图 西弗吉利亚大学( w v u ) 对此类系统进行了静力和疲劳测试。所有测试均 按有效跨度2 7 4 3 m 的简支跨进行设计，桥面宽度为0 9 1 4 m 。模拟轮载用5 0 8 x 2 5 4 5 0 8 m m 的钢板，并在下面垫了一块1 2 7 m m 的橡胶垫。跨长方向平行于最 大刚度方向即空腔方向，见图l ，6 。 测试结果表明竖向刚度在2 ，0 0 0 ，0 0 0 次疲劳加载后无明显退化，疲劳周数和 静力挠度无明显相关关系且对桥面的极限强度几乎无影响。疲劳加载前后的极限 破坏荷载分别为6 5 3 ，2 k n 和5 5 3 4 k n ，都大大超过了a a s h t o 规范的h s 2 0 ( 1 6 k i p s ，即7 1 1 k n ) 和h s 2 5 ( 2 0 k i p s ，即8 8 9 k n ) 活载。即使是h s 2 5 活载，该系 统的极限强度安全系数也超过了6 ，且静力挠度满足了1 5 0 0 的挠度需求。 i 5 2 “ 图1 6h 桥面的测试设置 从破坏模式来看，该系统的极限破坏是两种情况的组合：( 1 ) 在邻接的双梯形 单元问产生并穿过六边形单元的沿桥面全长范围的纵向剪切失效( 图1 6 a ) 。( 2 ) 加 载板下的局部压缩和剪切屈曲( 图1 7 b ，c ) 。加载板下的局部失效发生在腹板壁中， 而纵向剪切破坏的最大部分并非粘结破坏而是玻璃纤维层之间的撕裂，这种破坏 降低了各单元之间的复合作用。 同济大学博士学位论文：第一章绪论 图1 7 ( a ) 纵向剪切失效( b ) 局部压缩屈a t t( c ) 图3 4 局部剪切屈曲 综合以上分析表明s u p e r d e c k 系统的刚度对其承载挠度影响不大，且重量非 常轻，仅有1 0 7 2 7 4 k g m 2 ，而对等厚度的混凝土桥面来说，重量要达到 4 8 7 6 1 k g m 2 ，由此也使得安装时可采用轻型的设备。此外，由于可以预制桥面 模块，从而能大大减少更换桥面时中断既有线行车的时间。 1 3 1 2d u r a s p a n 系统 d u r a s p a n 系统是由总部在北卡罗来那州r a l e i 曲的m a r t i nm a r i e t t a c o m p o s i t e s 于1 9 9 2 年开发并与c r e a t i v e p u l t r u s i o ni n c 合作生产的1 0 2 1 】( 图l 。8 ) 。 目前有高1 2 7 m m 和1 9 5 m m 的两种系统，均可支承a a s h t o h s 2 5 活载。表1 2 列出了此类系统的规格。 图1 8 d u r a s p a n 系统 表12d u r a s p a n 桥面系统的规格 高度( m m )重量( 1 ( g ，m 2 )允许梁跨( r n ) d u r a s p a n s 0 0 1 2 76 3 2 6 51 5 2 d u r a s p a n 7 6 6 1 9 59 2 8 5 73 0 5 此类桥面可安装在钢、混凝土或全f r p 的纵梁上，因此相应的连接也有好 几种方式。但大部分的桥面采用了传统的剪力键或蹬筋连接以利用其与纵梁的组 合受力作用。每组连接间距为6 1 0 m m ，并使用3 根直径2 2 m m 的螺栓，每一剪 力键均套有钢螺旋以加强约束作用。在每个剪力键或蹬筋的位置，板的上下表面 均需要开孔，在开孔的位置两侧的拉挤管内放入泡沫衬垫以形成封闭的空腔。剪 力键或蹬筋在桥面板已经就位后才安装到空腔内，最后用膨胀水泥注满空腔，见 图1 9 1 1 1 。对于上部结构要求绝对水平( 即不可用板托) 且桥下需通行时，一般 同济大学博士学位论文：第一章绪论 要用胶结剂连接和力学紧固件组合使用或全胶结剂连接。 图1 9桥面连接细节 图1 1 0 与钢纵梁的连接图1 1 1 与混凝土纵梁的连接 特拉华大学( u n i v e r s i t yo fd e l a w a r e ) 对此种桥面及其由此组成的上部结构进 行了广泛的测试。测试包括有以下五个方面：层状试件的拉压测试；桥面接头的 静力、疲劳和耐久性测试；桥面和纵粱连接的静力和疲劳测试；铺装层的耐久性 测试；桥面本身的静力和疲劳澳4 试等。 桥面的静力测试采用1 0 2 2 4 4 m 的桥面板段三点加载的方法。通过测试发 现g f r p 桥面段提供了足够的强度和刚度。与使用状态时相比，极限强度的安全 系数超过了5 ，破坏时桥面段表现出延性的结构行为。测试中桥面的局部剥离现 象对结构的承载能力和刚度几乎没什么影响。桥面的疲劳测试则按h s 2 0 的荷载 进行了1 0 ，5 0 0 ，0 0 0 次( 相当于a a s h t o 规定的7 5 年使用寿命) 的循环加载试验。 加载结束后，整体刚度没有退化，连接区域性能良好，结构行为也没有变化。板 托( h a u n c h ) 保持完整，并安全的连接在桥面的底部和纵梁的上翼缘，此时最大的 挠度为l 4 5 0 。 同济大学博士学位论文：第一章绪论 另外，对桥面和纵梁的连接 系统也进行了水平剪切和横向 弯曲的静力和疲劳测试。测试中 共评估了三种连接装置，推荐的 连接装置细节见图1 9 ，其测试 荷载一位移曲线见图1 1 2 。 静力测试的结果表明，推荐 的连接装置其承载能力大约是 3 4 7 k n ，即约1 1 6 k n 键，极限 应变为3 0 0 0 # 瞎，远低于g f r p 蚕 u 铺 柱 位移( 皿) 图1 1 2 连接装置的荷载一位移曲线 o 材料的极限应变( 1 5 0 0 0 a s ) ，极限位移1 3 m m 。而破坏模式也说明g f r p 空腔和 钢螺旋对水泥起了很好的约束作用，破坏主要是发生在复合材料中，由节段的翘 曲导致的局部失效所控制。剪力键本身并未达到极限强度。静力测试后对三个剪 力键施加了5 5 6 k n 的疲劳荷载并进行了1 0 ，5 0 0 ，0 0 0 次的疲劳测试。疲劳测试完 成后其剩余强度几乎与静力强度相等。所有的连接均在破坏前表现出很大延性。 1 3 1 3 e zs p a n 系统 e zs p a n 系统是在d a r p a ( d e f e n s ea d v a n c e dr e s e a r c h w o j e c t s a d m i n i s t r a t i o n ) 资助的建立直升机起降平台，登陆船码头和修建临时或长期栈桥 的项目中由a r c ( a t l a n t i cr e s e a r c hc o r p ) 的r i c h a r db r o w n 和佐治亚理工学院 ( g e o r g i ai n s t i t u t eo ft e c h n o l o g y ) 的a b d u l h a m i dz u r e i c k 等人在1 9 9 9 年开发的 0 9 1 2 2 q 3 ( 图1 1 3 ) 。此系统厚2 2 9 9 m m ，由手糊的上下两层面板和拉挤成型的三角 形构架芯管胶结组成。每个等边三角形构架芯管边长2 0 3 2 m m ，用a r c 生产的 浸润聚乙烯树脂的三向编织无碱玻璃纤维拉挤而成，该编织纤维贯穿整个厚度范 围，可提供优异的耐久性能，如将其切开成平面织物片时宽约7 1 1 2 m m 。而面板 则由浸润聚乙烯树脂的编结无碱玻璃纤维手糊而成。 图1 1 3e z s p a n 系统的横截面图 周济大学媾上学位论文：第一章绪论 此类系统设计为3 0 5 m 长9 2 1 m 宽，拉挤三角管的通长方向即行车方向， 与其余拉挤面板均不同。面板重量为9 7 6 k g m 2 ，设计荷载为a a s h t oh s 2 0 4 4 ，其具体布置如图1 1 4 。 图1 1 4e z s p a n 桥面布置 z u r e i c k 教授及其研究小组在佐治亚理工学院对此系统做了大量试验。测试 时首先进行了1 5 0 次的冻融循环试验，试验结果表明平均强度损失小于5 。冻 融循环试验后还进行了三点弯曲加载直至破坏。在无破坏的情况下加载到 6 2 2 3 k n 时最大挠度为1 7 8 m m ，最大拉应变为2 3 0 0 肛，最大压应变为1 6 0 0 卢， 破坏模式是皱曲和弯曲变形破坏，其强度安全系数达到了1 0 。实验室测试完成 后，a r c 于1 9 9 9 年1 1 月在洲际8 l 号公路上的t r o u t v i l l e 高速公路卡车秤量站 的通道内安装了两块3 m x 6 m 的桥面进行现场监测以调查此类桥面的耐久性。监 视数据表明在服务了整个冬天并通过大量重卡车流后，桥面平均挠度与初始安装 时没有变化，结构依然完好。 1 3 1 4s t r o n g w e i i 系统 从1 9 9 8 年开始，v i r g i n i at e c h ( v i r g i n i ap o l y t e c h n i ci n s t i t u t ea n ds t a t e u n i v e r s i t y ) 和s t r o n g w e l l 公司开发和测试了拉挤成型的s t r o n g w e l l 系统 2 4 。”。 此类g f r p 桥面系统的方管和面板构件均由连续的玻璃纤维垫和玻璃纤维粗纱 浸润在异酞聚乙烯树脂中拉挤而成。方管用环氧树脂胶结并用横穿过管壁的直径 2 5 4 m m 、间距3 0 5 m m 的玻璃纤维螺杆连接起来，而方管和面板问也用环氧树脂 胶结。整个系统的厚度范围1 2 0 6 5 m m 2 0 3 3 m m ，自重为9 0 1 1 7 k g m 2 ( 图1 1 5 ) 。 同济人学博士学位论文：第一章绪论 图1 1 5s t r o n g w e l l 系统横锻面 v i r g i n i at e c h 的h a y e l s 等人【2 7 】对此类面板作了大量的强度、刚度和疲劳测 试。测试的基本构件为1 0 1 6 t u r n 的方管和9 5 2 5 m m 的上下面板。桥面系统全长 4 2 7 0 m m ，分为3 跨1 2 2 0 m m ，支承在4 根w 1 6 4 0 的钢梁上，全宽1 2 2 0 m m ， 厚1 2 0 6 6 m m ，加载板为5 0 8 x 3 0 5 m m 并放在氯丁橡胶垫上，其截面形式和测试 设置见图1 1 6 和图1 1 7 。 图1 1 6 测试s t r o n g w e u 系统断面 口口口 5 0 8 x 3 0 5 r a m 钢板 i 图1 1 7 测试s l r o n g w e l l 系统的试验设置 测试系统中g f r p 面板和钢纵梁间放有4 7 6 m m 厚的合成橡胶垫板，每根钢 梁上用3 个直径1 5 9 m m 并穿过面板和钢梁上翼缘的a 3 0 7 钢螺栓与面板连接起 来，间距分别为4 0 6 和5 0 8 m m 。管中在钻孔位置处放有木块，且在螺栓头与上 面板间加上钢垫圈( 图1 1 6 ) 。钢螺栓测试前预加3 3 9 n m 的扭矩。 在刚度测试巾，当桥面中跨加载到9 2 5 k n ( 7 1 1 k n 加3 0 冲击) 时，跨中挠 度3 8 1 m m ( l 3 2 0 ) 。在强度测试中，左跨加载至破坏( 加载板周边冲剪破坏) ， 其破坏荷载值为3 4 6 7 k n ，最大拉应变发生在荷载作用面积下桥面板的底表面， 值为4 6 8 0 z c 。疲劳测试中，右跨先承受荷载幅值1 1 1 1 1 1 k n ，频率为2 3 h z 同济大学博士学位论文：第一章绪论 的3 ，0 0 0 ，0 0 0 次循环加载，再单向加载至破坏。循环加载中未见明显刚度损失和 损伤，而破坏荷载值为3 6 8 9 6 k n ，其破坏模式仍是加载板周边的冲剪破坏。最大 应变值为4 1 5 0 b u r 。 1 9 9 9 2 0 0 0 年，为比较不同制造方法对系统性能的影响，v i r g i n i at e c h 的 a n t h o n yb t e m e l e s 和j a s o nt c o l e m a n ，a i x iz h o u 等人1 2 4 - 2 卅又对另一种尺寸的4 块此类面板进行了试验测试。其基本构件为1 5 2 4 m m 的方管和1 2 7 m m 的上面板 及6 3 5 m m 的下面板。桥面系统全长4 6 5 0 m m ，分为2 跨各长1 9 8 1 m m ，支承在 3 根w 1 6 4 0 的钢梁上，全宽1 5 2 4 m m ，厚1 7 1 4 5 m m 。至于通过螺栓将桥面与 纵粱的连接方式，则各有不同，见图1 1 8 。 检修孔 图1 1 8 用于( a ) 桥面l c o ) 桥面2 ( c ) 桥面3 、4 的连接系统 面板l 在模拟的h s 2 5 荷载加冲击作用( 8 8 9 k n + 3 0 冲击) 下，最大挠度 4 2 4 m m ( l 4 6 7 ) ，继续加载到2 6 6 7 k n 前，结构行为总体呈线弹性，以后则开始 呈现非线性。当加载值达到4 7 5 6 5 k n 时，加载板下产生了冲剪破坏，此时挠度 为3 1 5 m m ，最大应变值为5 2 0 0 b u r ，与单轮载( 4 4 4 5 k n ) 相比，其强度安全系 数超过了l o 。而面板2 在相同服务荷载条件下，最大挠度3 7 3 m m ( l 5 3 1 ) 。接下 来，面板2 还进行了现场测试，其最大拉应变为6 0 0 , u 6 ，比最弱方向的极限拉 应变的1 5 还少。当承受了大约8 个月4 ，0 0 0 ，0 0 0 次荷载循环后，最终在连接处( 图 1 1 8 ( b ) ) 出现裂纹，但桥面刚度没有太大损失。此时再把桥面拿回实验室进行了 两次强度测试，东西两跨的极限挠度分别为2 9 2 1 和3 2 2 6 m m ，极限荷载值分别 为3 7 7 8 5 和5 8 8 5 6 k n ，强度安全系数分别超过了8 和1 3 。 3 和4 号桥面在相同h s 2 5 荷载加冲击作用下的最大挠度则分别为5 1 m m ( l 3 8 8 ) 和4 5 5 m m ( l 4 3 6 ) ，较前两号桥面均有增大。另外在3 号桥面上旋加 静载并持续7 0 分钟以观测蠕变反应，结果发现绝大部分蠕变效果发生在前1 0 分 钟内，挠度因此增大o 8 1 m m ，但此后蠕变率随时间增长而趋于常数。在4 号桥 面的测试中还发现在其中一跨减少穿过管壁的拉杆数目也并未对桥面的总体刚 同济大学博士学位论文：第一章绪论 度有什么影响。现场观察还发现采用钩头螺栓( j - b o l t ) 后确实可较大程度上减少 裂纹( 图1 1 8 ( c ) ) 。最终两跨桥面的极限荷载分别是5 7 7 9 k n 和6 0 9 0 k n ，对应挠 度分别是3 6 8 3 和3 5 8 1 m m 。其破坏模式是腹板之间的桥面上翼缘处产生了三铰 结构，结构行为更接近于实际。 1 3 1 5a s s e t 系统 a s s e t 系统是由m o u c h e l ，u k f t e a dp a r t n e r ) ；f i b e r l i n e ，d e m n a r k ( f r p p u l t r u d e r ) ；k t h ，s w e d e n ( a c a d e m i c ) ；i e t c c ，s p a i n ( m o d e lt e s t ) ；s k a n s k a ，s w e d e n u k ( c o n t r a c t o r ) ；h i m ，n e t h e r l a n d s ( s u r f a c i n gs u p p l i e r ) 和o x f o r d s h i r ec o u n t y c o u n c i l ，u k ( c l i e n i o w n e r ) 等七个单位组成的合作钵共同研发的( 图1 。1 9 ) 【2 8 3 0 。 其开发过程包括了截面设计，结构分析，试验测试，工厂制造和实桥应用。 图1 1 9a s s e t 系统的截面 此系统的截面尺寸基于英国b s 5 4 0 0 规范中h a 和h b 类荷载取2 m 的跨度 和4 0 0 k n 的荷载来设计，此外截面的高度和尺寸均要求适于拉挤成型的方便及 与现存桥梁具有相容性。最终采用的截面高度为2 2 5 m m ，宽度包括搭接接头为 5 2 1 m m ，并采用无碱玻璃纤维浸异酞聚合树脂拉挤成型。 对a s s e t 系统进行的试验包括小比例和大比例的测试。在瑞典k t h 进行的 小比例测试提供了各种层状纤维敷设方式的力学属性。测试出来的性质包括了 拉、压及剪切的强度及模量。同时，还对完全浸润的g f r p 复合材料板进行了小 比例的耐久性测试。浸润溶液有三种，分别是自来水，盐水( 1 0 n a c i + c a c i ) 和含c a ( 0 h ) 2 ( p h 值为1 2 ) 的自来水，均处于2 3 度的室温，每三个月将试件从 溶液中拿出来测试强度和刚度。 大比例的测试则在西班牙的i e t c c 进行，其测试