谢兆君翻译.pdf

第 1 页 共 12 页 测试 分析和评价玻璃钢桥面的钢梁 威廉斯蒂勒 P E M ASCE 姚 Gergely P E M ASCE 罗杰罗谢尔 P E 摘要 北卡罗莱纳州最近在联合县安装了纤维增强复合材料 以下简称 FRP 钢梁甲板 这座桥 上使用了仪表箔式应变计 应变传感器和位移传感器 这座桥是一个模拟 MS 22 5设计荷载测试 实 验数据测得中性轴383毫米高于618毫米深梁的底部法兰 证实复合梁和 FRP 甲板板之间的复合作用 结果发现 复合作用可以用换算截面分析的甲板面板估计在3 对于加载两个车道 计算最大的活 载荷分布系数为0 75 从结构的整体表现看 甲板偏转5毫米 材料的许用应力测量是至少10倍以上 的最大应力 在美国国家高速公路和交通运输协会 以下简称 AASHTO 所列参数下梁挠度在7毫米 范围内呈良好 简单的跨中挠度方程发现 当使用转化的截面特性时 保守模型梁的预期偏转大 关键词 复合材料 钢梁 桥面 负载测试 北卡罗来纳州 纤维增强聚合物 介绍 在北卡罗莱纳州的桥梁 并在全国范围内已建成使用传统材料 如混凝土和钢材 然而 太空时代工程社区引进新技术和新材料 如玻璃纤维增强聚合物 以下简称 GFRP 最近 北卡罗莱纳州已采用玻璃钢甲板板的桥梁更换项目 在这个项目中 复合甲板板 用来代替传统的混凝土楼板 该项目的资金来自联邦公路管理局的创新大桥研究和建设 计划的酌情补助 北卡罗来纳大学夏洛特分校 以下简称 UNC 夏洛特 会同北卡罗莱纳州的交通运输 部 以下简称 NCDOT 安排在 2001 年 11 月 18 日进行北卡罗莱纳州的第一复合甲板面 板系统性能测试 2001 年 10 月 18 日该系统被安装结构 089 022 坐落在新的萨利姆路 SR1627 联合县 始建于 1950 年 由 11 个钢梁与混凝土桥面组成 桥横跨约 12 5 米 进行农村两条车道的交通 NCDOT 检查员认为该桥需要维修或更换 这被证明是一个很 好的测试玻璃钢桥面面板的地点 现有的甲板与老梁一起被移除 在他们的地方 NCDOT 架设了七个新 W610 140 梁相隔 1 194 米并且用玻璃钢面板 每个梁跨中和在四分之一点 的外部大梁由 C310 31 帧交叉连接 建立了几个玻璃钢面板测试的目标 第一个目标是确定 GFRP 板与钢梁是否有复合 作用 其次 如果观察到复合作用 是使用基本转化部分分析预测 还是活荷载分布在 第 2 页 共 12 页 整个结构的问题 另一个目标是观察桥本身 以确定 AASHTO 的活载挠度标准是否被满 足 最终的目的是审查和量化应用于玻璃钢复合材料的应力和应变的材料 仪表 为了测量在负载下的桥梁的应变和挠度 有一些工具选择用来评测 有位移传感器 DT 应变传感器 ST 和金属箔应变计 SG 金属箔应变计被用来评估钢梁的 应变 应变传感器用于评估玻璃钢甲板板 位移传感器则被用在这两种仪器上 图 1 示 出了本文中提到的仪器的位置 图1 选定仪器的位置和类型 加载方法 负载测试结构设计模仿 MS 22 5 装载结构的瞬间响应 MS 22 5 模拟一辆满载的公路 牵引车拖车 对于测试结构 MS 22 5 卡车后轴负载 4 3 米梁车道荷载的剪力和弯矩 为 了测试在服务级别上的结构 研究人员需要尽可能紧密地匹配一个 MS 22 5 卡车的装载 条件 总重量为使用完全装载的 用碎石和水 305 3 千牛的混凝土卡车 装载卡车车轴 轴重和间距 图 2 最大弯矩计算 该计算假设为简支结构 产生最大力矩为 695 9 千 第 3 页 共 12 页 牛米 这是基于 MS 22 5 762 4 千牛米的最大设计弯矩 图 2 装载卡车车轴重量和间距 沿着五条路径结构进行了测试 路径选择将车轮沿着主梁的中心线 G2 和 G6 中间 的托架 2 和 5 车轮负载沿中心线放置 其目的是选择压力最大的钢梁及玻璃钢板的路径 以在测试中作为比较之用 提供冗余 选定的负载路径示于图 3 在所有五个路径中 卡 车行驶小于 8 公里 小时通过整个跨度 这样做是为了消除冲击的效果 并使检测过程中 尽可能收集尽可能多的数据 载荷路径 1 和 4 的结果被模拟叠加到两条车道同时加载 图 3 负载路径 复合动作 当玻璃钢复合板替代混凝土甲板 它是可取的具有面板连接的梁的方式 将允许两 种材料在一起工作 通过预制剪力钉口袋的面板连接到被测试的大梁 每个面板有四个 口袋梁 见图 4 其中每个允许放置三个梁剪力钉 一旦螺栓焊接到位 口袋用灰浆填 充 参照图 5 因此 将两种材料结合在一起 第 4 页 共 12 页 图 4 典型的甲板梁连接 图 5 玻璃钢面板典型的抗剪栓钉口袋布局 钢梁连接在俄亥俄州的复合甲板的测试 2000 美国国防部高级研究计划局确认两种 材料之间的复合作用 然而 在 2001 年纽约阿兰帕里和库宁的类似结构的测试中 没有 显示在面板和支撑纵梁之间的复合作用 由于玻璃钢面板的连接方法比先前那些测试略 有不同 089 022 的结构设计师保守选择假设纵桁和玻璃钢甲板板之间没有复合作用会 发生 这种假设没有复合作用后来被实验数据检查 第 5 页 共 12 页 证明桥的复合和非复合作用的一种方法是将主梁的中性轴定位 中跨主梁 2 和 4 的 顶部和底部的凸缘上有应变仪 分别示于图 1 该测量仪被放置在底部法兰的底部和底部 的顶部法兰 这些工具被用来帮助找到中性轴的位置 假设梁的应变保持线性 这应该 是梁应力低于产量水平的情况下 从梁的底部测得的中性轴 可以计算为 H 梁深度 mm t 顶部轮缘厚度 mm B 底部轮缘应变 mm mm T 顶部轮缘应变 mm mm 对顶部和底部法兰的中点梁 4 柱进行了检查 从所有五个负载路径收集到的数据 路径 2 的数据表明 最大的底部法兰应变 130 0 和顶部凸缘的最大应变 78 2 梁 深度 618 毫米和一个顶部翼缘厚度为 22 毫米 中性轴的计算式 1 将约为 372 毫米 重复 这种计算的其他负载路径平均中性轴位置为 369 毫米 为了验证梁 4 上测得的中性轴的位置 相同的负载路径顶部和底部的法兰压力表被 认为在梁 2 的中跨 所有五个载荷路径计算当梁 2 的中点时的中性轴 中性轴的位置计 算平均梁的底部法兰 383 毫米以上 底部法兰 309 毫米非复合梁的中性轴处 有复合动 作发生 分析复合动作的下一个步骤是确定它是否可以证明使用的材料性能和主梁的布局 目前的设计方法使用一个转化的部分 以估计复合截面的中性轴 使用的相似的方法 被用来估计在钢和复合材料的模块化比中性轴的位置 使用制造商的信息 2002 年 DuraSpan 的甲板板的弹性模量 EFRP 17 240 兆帕 与钢的弹性模量 200 000 兆帕 模块化的比例计算为 11 6 使用这个比率和 1 194 毫米梁间距为支流的宽度 甲板面板部分转换后的宽度计算为 103 毫米 中性轴使用此转化区和梁的尺寸 计算利 用式 2 将设在梁的底部法兰 375 毫米以上 第 6 页 共 12 页 yb 从底部梁到换算截面中性轴的位置 mm As 钢梁面积 17 900 mm2 H 钢箱梁的高度 617mm h 玻璃钢甲板面板的高 195mm btran 截面转换宽度 103mm Tpf 截面转换宽度 17mm 此常规转化的部分将支流区域的宽度 通过使用模块化的比率使其成为等价的面积 的钢 对于混凝土板厚度均匀性和一致性 标称的钢筋整个铸坯断面均匀行为是一个很 好的假设 然而 玻璃钢甲板面板是由中空管构成的 对于转化截面分析的目的 在本 文中它是假定管中的腹板材料没有添加显着的耐弯曲性的钢梁 管板顶部和底部中的材 料被假定为处理大部分的压缩力 测得的中性轴位置已为每个位置的平均值 跨中梁 2 测得的平均中性轴位置 383mm 与 375mm 的计算中性轴的材料特性和转化部分相比 相 差不到 3 实时负荷分配 当前 NCDOT 设计实践使用分布系数 DF 估计被传输到多大比例被应用于活荷 载梁设计 美国国家公路和运输官员规格协会 AASHTO 2002 假设 DF S 1 680 AASHTO 式 3 23 2 3 1 5 支持四个以上的钢筋混凝土板 S 梁间距 毫米 DF 是 车轮荷载施加于梁线上的百分比 结构 089 022 的设计师关心这个假设在复合甲板上有 多准确 因此 甲板板的设计者使用了保守的分配系数 S 1 525 造成了 DF 0 783 桥的 试验确定适用于主梁的结构的分布因子 观察应变读数 以确定各种梁所采取的负载 每个梁的底部法兰都沿着桥跨中应变 计使用 使用这些工具所获得的信息 DF 计算使用斯托林斯和 Yoo 1993 开发得 公式 3 n 桥上轮线数 i 应变在第 i 个梁的底部 mm mm 第 7 页 共 12 页 j 第 j 个梁的底部的应变 mm mm wj 典型的室内梁的第 j 个的剖面模数的比率 k 主梁 根据 AASHTO 道路宽度大于 6 0m 应被设计为同时装载的两车道 每个等于一半 的道路宽度 对所有五个载荷路径进行了检查 并计算了每个梁分布系数 负载路径 1 和 4 的叠加 最能代表这个条件 主梁的分布因子示于表 1 中 此条件下的最大分配因 子被发现是 0 75 这种情况发生在梁 4 相对于主梁的间距 DF S 1 592 这显示了 AASHTO 标准混凝土桥面用于这座桥的设计值估计值之间的力矩分配为中心 桥梁挠度 梁 1 4 5 6 7 记录每个负载路径下的中跨梁挠度 叠加负载路径 1 和 4 模 拟两车道加载 梁 4 产生了 7mm 的最大挠度 结构的活荷载挠度是根据 AASHTO 建立 的也受 L 800 AASHTO 10 6 2 的限制 AASHTO 标准限制该结构的最大挠度约 L 1 680 根据结构的位移在规定范围内的知识 估计结构未来变形的方法 对于一个单一跨 度的梁桥 最大位移预期发生在跨中 利用跨度的简单假设 生成一个模型验证测试过 程中记录的挠度测量室内梁 该模型使用由美国钢结构协会 AISC 1998 给出的简单 的跨中挠度方程 这些方程中使用所施加的负载 负载的位置 以及复合的截面特性 来计算在任何一点上的梁的挠曲 挠度参照沿着桥的跨度 1 米处的增量计算 参照图 6 第 8 页 共 12 页 图 6 梁挠度比较 以转化部分为基础的综合转动惯量和钢的弹性模量 梁段模型一起使用 为了估计 从装载卡车模型的轴施加的负荷的量 使用一个车道加载的分布系数 从测试数据中估 计 0 50 分布因子 DF 且用来转换轴载的梁负载 被确定为记录的最大桥梁挠度 5mm 它发生在 1 6 梁载荷路径 在四分之一处 跨中和三分点处挠度绘制的梁 6 路径 1 加载 图 6 挠度与实测挠度计算的部分性能和简单的跨度梁方程的计算值与实测值之间有一 个明显的区别 这种差异是由于固定梁端排架提供的旋转克制造成的 假定由于主梁端 部的约束 跨度不会像完全固定或简单支承或者介于两者之间 为了验证 该模型 1998 被美国钢结构设计协会 以下简称 AISC 调整为固定梁方程 一旦图 6 中的三个图像 进行了比较 很明显 梁挠度测量应使用固定的支承和简单的支承机型估计值之间的 基于这些信息 被确定简支结构的假设有点保守 玻璃钢性能 测试的另一个方面涉及 GFRP 板本身的性能 研究人员检查甲板面板所施加的荷载 的反应 两个感兴趣的领域是玻璃钢复合甲板面板挠度和应变 选定的应变传感器的读 数和位移传感器 仪器的位置在图 1 被用在这两个方面的评价 路径 2 装载卡车时注意力放置在收集到的数据 路径 2 位于行车轮中心梁 5 和 6 之 间 此路径上的负载桥侧的较多位移传感器定位记录甲板面板 3 的相对变形 桥的这一 侧还包含较多的应变传感器 安装在面板的底部 1999 希夫和菲尔布里克证明了这些 仪器在复合材料中测量应变水平的准确性 当卡车沿路径 2 加载时 托架的挠度绘制在图 7 中 从该曲线图中 人们可以看到 第 9 页 共 12 页 面板的最大挠度为 5mm 也有人指出 面板似乎略有上升外倾角托架 6 此外倾角最大 值达到 2mm 图7 路径2负载下的应变面板 调查最终面积是在面板本身的应变 由玻璃纤维增强聚合物层合板的不同取向 纤 维的面板中的应变评价 没有允许的面板制造商给定的纤维本身的应变 制造商提供设 计压缩主面板底部上的整体许用应变 2 600 和极限应变 2 600 在托架 5 和 6 上进行了路径 2 负载的检查 参照图 8 托架 5 中观察到的最大拉伸 应变 在面板的最大应变约为 240 在材料的许用应变比在面板中经历的应变超过 10 倍的放大 录得最大负应变托架 6 在此位置上的应变达到 8 而且 在材料中的应变 诱导甚至没有达到允许在材料中的应变 图8 路径2负载情况下面板的应变 第 10 页 共 12 页 结论 研究是为了确定复合动作是否可以依靠一个玻璃钢复合甲板连接到钢梁 从梁的应 变收集数据 确定复合行动确实发生在主梁和玻璃钢面板间 从底部法兰进行测量中性 轴约为 380 毫米 这沿梁在不同的点 以及在不同的负载条件下都是一致的 通过使用 复合材料的弹性模量和梁 一个标准的转化部分计算的部分 随着转化节段模型 从底 部法兰估计中性轴约为 375 毫米 由此得出的结论是 主面板和主梁之间发生复合作用 这种复合动作可以有效地使 用转换部分分析建模 应指望在未来的设计中加入类似的甲板梁连接 活荷载的分布由装入两车道的应变读数确定 分布的最大因素约为 S 1 592 这是 介于由 AASHTO 推荐的 S 1 680 与面板设计师推荐的 S 1 525 之间的 对于桥 089 022 载入两车道的最大梁挠度估计为 7 毫米 这对应的跨比为 L 1 680 是一个在 AASHTO 所设的 L 800 范围内的值 使用改造部分特性以及 AISC 提供 的标准梁方程 生成一个模型 提供了一个保守估计的桥梁挠度 此模型基于一个简单 的跨度假设 被视为只是稍微保守 因为最终由排架提供约束 负载路径选择 GFRP 加载条件下的极限加载 从应变传感器记录的数据记录最大拉 伸应变 GFRP240 在材料中是允许的拉伸应变 2 600 在允许压缩应变 2 600 下 在材料中有 8 的最大压缩应变幅度 最大面板挠度记录 5mm 最大倾角 2mm 从应变计和传感器收集到的信息 很明显 在玻璃钢的应力水平的允许应力范围内 但是 有些领域 无法放入仪器 甲板板的腹板是封闭的 因此 研究人员无法将应变 仪或传感器附加到这些位置 因为网路的部分是从垂直位置略微倾斜的 可能有相当数 量的网路在材料中压缩应变 面板上的自己的面板制造商已经有广泛的测试报告 并且 发现他们经得起 75 年的生活模拟 在 MS 22 5 装载 2002 年 DuraSpan 在这项研究 中对此之前的研究有着相当的信任 致谢 作家想表达自己的感谢 北卡罗莱纳州运输部和马丁 玛丽埃塔复合材料桥计 划提供支持本研究的数据 我们也要感谢瑞德博士的宝贵意见 第 11 页 共 12 页 符号符号 本文使用下列符号 As 钢箱梁面积 B 钢箱梁底部法兰应变 btran 转换后宽度 DF 分配系数 DT 位移传感器 EFRP GFRP 面板的弹性模量 Es 钢梁的弹性模量 H 钢箱梁的高度 h 玻璃钢面板高度 k 梁数 n