FRP桥面板与组合桥梁PPT课件

-,1,GFRP-钢组合结构桥梁关键技术研究,-,2,1.GFRP桥面板的特点,-,3,纤维增强复合材料桥面板,在公路桥梁中，桥面板直接承受轮压荷载和环境荷载，是受超载、腐蚀、疲劳等不利因素影响最直接的构件，传统的钢筋混凝土桥面板和钢桥面板在恶劣的环境下会很快的锈蚀、开裂、剥离，甚至塌陷，它们给桥梁工程造成的经济损失是巨大的，所以人们一直在探索采用新的有效和可靠的建筑材料来代替传统材料。,-,4,纤维增强复合材料桥面板,具有耐腐蚀、比强度高、比模量大、抗疲劳性能优异的纤维增强复合材料（FRP）的出现，成为建筑和桥梁工程中提供了新选择。用GFRP制成的桥面板体系是近十多年内发展起来的一种新型桥面系结构形式。,-,5,纤维增强复合材料桥面板,常用的复合材料增强纤维材料（FRP）包括玻璃纤维、碳纤维、硼纤维和芳纶纤维等。碳纤维、硼纤维和芳纶纤维虽然具有卓越的机械性能和理化性能，但价格过于昂贵，采用这些材料制造桥面板成本太高，缺乏竞争力。,-,6,玻璃纤维增强复合材料（GFRP）桥面板,玻璃纤维虽然弹性模量较低，但价格低廉，而且对大气、水和各种腐蚀介质的化学性能比较稳定。所以，目前国际上通常采用玻璃纤维增强复合材料(GFRP)制造桥面板。,-,7,GFRP桥面板的特点,(1)GFRP桥面板重量轻，可大大降低桥梁恒载，提高有效承载力，并使基础工程在内的下部结构工程量减少，是解决桥梁结构轻型化问题的一个十分有效的途径。(2)虽然GFRP材料价格比传统材料高，但GFRP桥面板自重的减轻会使桥梁下部结构的造价减少，用它建造桥梁结构具有自重轻、施工方便优势，这是传统结构材料难以比拟的。,-,8,GFRP桥面板的特点,(3)GFRP桥面板耐腐蚀，有良好的耐腐蚀性。可以在酸、碱、氯盐和潮湿的环境中抵抗化学腐蚀,这是传统结构材料难以比拟的。目前在化工建筑、地下工程和水下特殊工程中，GFRP材料耐腐蚀的优点已经得到实际工程的证明。在瑞士、英国、加拿大等国家的寒冷地区以及一些国家的近海地区已经开始在桥梁、建筑中采用GFRP结构代替传统结构以抵抗除冰盐和空气中盐分的腐蚀消除了混凝土板具有的开裂,钢筋锈蚀等问题，节约了维修和防护费用。,-,9,GFRP桥面板的特点,(4)可在工厂中模块化生产,对环境的破坏小，运输吊装方便，大大减少建桥现场组装的时间，降低建造成本。(5)具有良好的抗疲劳、抗震和耐久性，使用寿命长。使得结构的维护费用和周期都将大大降低。从结构整个生命周期的费用来看，GFRP桥面板是非常具有竞争优势的。尤其在一些工作环境恶劣的地方。,-,10,GFRP桥面板的特点,(5)良好的可设计性。与传统结构材料相比，这是GFRP材料所独有的。工程师可以通过使用不同纤维种类、控制纤维的含量和铺陈不同方向的纤维设计出各种强度和弹性模量的GFRP产品。而且GFRP产品成型方便，形状可灵活设计。,-,11,GFRP桥面板的特点,(7)GFRP产品非常适合于在工厂生产、运送到工地、现场安装的工业化施工过程，有利于保证工程质量，有利于提高劳动效率，有利于工程建设的工业化。(8)GFRP产品还有一些其它优势，如透电磁波、绝缘、隔热、热胀系数小等等，这使得GFRP结构和GFRP组合结构在一些特殊场合能够发挥难以取代的作用。,-,12,GFRP桥面板的特点,(9)与传统结构材料不同，GFRP材料通常表现为各向异性，纤维方向的强度和弹模较高，而垂直纤维方向的强度和弹模很低。有关产品资料表明，两个方向的抗拉强度相差可达25倍，抗压强度相差可达5倍，模量相差可达13倍。,-,13,GFRP桥面板的特点,(10)纤维方向的抗拉强度比抗压强度高30%。因此在设计GFRP构件时，需要对两个方向分别进行设计。由于GFRP材料各向异性，在受力上有许多不同于传统结构材料的现象，例如拉伸翘曲现象，这在各向同性材料中是没有的，这加大了设计难度。,-,14,GFRP桥面板的特点,(11)与钢材相比较，大部分的GFRP产品的弹性模量较低：大约为钢材的1/201/2，大致与混凝土和木材在同一数量级。弹模低是GFRP作为结构材料最大的劣势，在设计中要充分考虑这个特点，应尽量使用几何刚度来弥补材料刚度的不足与钢材相比较。,-,15,GFRP桥面板的特点,(12)GFRP材料的剪切强度、层间拉伸强度和层间剪切强度仅为其抗拉强度的520%，而金属的剪切强度约为其拉伸强度的50%。这使得GFRP构件的连接成为突出的问题。GFRP结构可以采用铆接、栓接和粘接，但不管那种连接方式，连接部位都是整个构件的薄弱环节。,-,16,GFRP桥面板的特点,(13)与混凝土相比，一般GFRP材料的防火性能较差。临界温度为300左右，而且部分树脂材料有可燃性。通过改变树脂的组分，可以改善GFRP的防火性能。目前采用环氧树脂的GFRP材料，可在树脂中掺入阻燃剂，表面进行防火处理，其效果已经可以与混凝土结构相当。,-,17,GFRP桥面板的特点,(14)研究结果表明，GFRP材料本身的抗疲劳性能优于传统结构材料。但是值得注意的是，初始缺陷和工作环境对GFRP材料抗疲劳性能的影响非常显著。因此需要对实际工程中的GFRP结构和GFRP组合结构整体的抗疲劳性能还应进行深入研究。,-,18,GFRP桥面板的特点,(15)GFRP材料的耐久性也是很多学者关心的问题。目前许多GFRP产品供应商都通过加速试验来证明自己的产品寿命在35年以上，甚至达到70年。但是GFRP材料诞生也不过60多年，应用于土木工程中也最多30年。,-,19,GFRP桥面板的特点,应该注意的是，耐久性不仅仅是材料老化，还包括温度变化影响、湿度变化影响、GFRP的蠕变和应力松弛以及GFRP与混凝土碱性反应等等问题，而且在实际环境下这些因素是共同作用，相互影响的。在我国，有GFRP结构因耐久性而失效的例子，也有应用20年以上的工程。,-,20,GFRP桥面板的特点,(16)目前国际上通常采用玻璃纤维增强复合材料（GFRP）制造桥面板。一般GFRP桥面板产品的自重为0.751.1kN/m，是传统桥面板的1/31/4，价格为混凝土桥面板的34倍，为钢桥板的2倍。在HS20级荷载的作用下，桥板最大变形为L/450L/1300。,-,21,国外GFRP桥面板,-,22,-,23,GFRP桥面板的特点,纤维增强复合材料桥面板的基本结构主要有两种形式：（1）夹芯板结构（2）拉挤型材粘合结构。,-,24,GFRP桥面板的特点夹芯板结构,GFRP夹芯板结构可设计性好，可设计制造各种不同厚度、截面形状尺寸及不同强度要求的桥面板，尤其是可以方便地形成组合结构。这种结构存在生产成本较高，结构的连接和固定性能差等缺点。,-,25,KSCI系统,Kansas结构复合材料公司生产的KSCI系统属于蜂窝夹层组合结构，制造方法是采用多向铺层的GFRP夹心板接触低压成型法生产成型。,-,26,KSCI夹芯板结构GFRP桥面板,-,27,Hardcore系统,Hardcore公司制造的Hardcore桥面系统由上下表层的蒙皮加上中间的多重缠绕加筋腹板所构成。制造方法是真空辅助树脂浸渍模塑成型工艺。,-,28,拉挤型材GFRP桥面板,拉挤GFRP型材具有可以连续生产，生产效率高，原材料浪费少，整体性和截面形状一致性好，型材长度不受限制等优点，是目前国际上主要采用的桥面板结构形式。但生产拉挤型材的设备的初期投资比较昂贵，且型材截面形状和尺寸受到设备限制。,-,29,拉挤型材粘合结构GFRP桥面板产品性能可靠、强度高（设计应变比AASHTO中规定的还小20）、自重轻（约为混凝土桥板的2040）、截面低（为混凝土板的8090）、有很好的抗疲劳和抗腐蚀性能、施工方便、安装快捷。,拉挤型材GFRP桥面板,-,30,DuraSpan拉挤型材GFRP桥面板,-,31,Superdeck仿蜂巢截面双梯形/六边形拉挤型材GFRP桥面板,-,32,Superdeck系统又称为Superdeck仿蜂巢截面双梯形/六边形拉挤型材GFRP桥面板系统。它是由西弗利亚大学（WUV）和美国陆军建筑工程研究室（USACERL）联合开发和测试的。这种新的型材即梁单元也可组装起来产生正交异性的GFRP桥面板。,-,33,EZSpan系统,EZSpan系统是ARC（AtlanticResearchCorp.）和佐治亚理工学院（GeorgiaInstituteofTechnology）1999年开发的一种GFRP桥面板。9英寸厚的面板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。,-,34,EZSpan系统,每个等边三角形构架芯管边长约8英寸，用ARC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28英寸。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。,-,35,Strongwell系统,VirginiaTech和Strongwell公司开发和测试了Strongwell系统,也是采用拉挤型材粘贴而成的。所不同的是它由GFRP拉挤方管和平板粘结组成。整个系统的厚度可因方管的尺寸变化而变化，范围从120.7mm变化到203.3mm，自重为(90-117Kg/m2)。,-,36,Strongwell系统,-,37,ACCS系统,ACCS（AdvancedCompositesConstructionSystem）系统又叫COMPOSOLITETM系统,是一种先进的复合材料建筑板，可用作主要承载构件。其模块化的建筑系统由一些用拉挤法生产的互锁GFRP构件所组成。,-,38,其主要受力构件是有开口肋的面板，尺寸为76.2mm厚、609.6mm宽，此面板可以用三向连接器，450连接器，栓钉（toggle）或挂钩(hanger)等五种互锁的拉挤GFRP构件连接起来。主要构件和连接构件见图。,ACCS系统,-,39,Asset系统,Asset系统截面是由Mouchel(英国)，Fiberline(丹麦)，KTH(瑞典)，IETCC(西班牙)，Skanska(瑞典)，HIM(荷兰)和OxfordshireCountyCouncil(英国)等七个单位组成的合作体共同研发的。,-,40,Asset系统,Asset系统截面是基于英国BS5400规范中HA和HB类荷载取2米的跨度和40吨的荷载来设计的。另外，截面的高度和尺寸均要满足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225毫米，宽度包括搭接接头为521毫米，并采用无碱玻璃纤维浸异酞聚合树脂拉挤成型。,-,41,韩国的GFRP桥面板,-,42,韩国的GFRP桥面板,-,43,拉挤型材粘结GFRP桥面板性能比较,-,44,2、GFRP桥面板的生产工艺与粘结技术,-,45,GFRP桥面板的生产工艺,由于GFRP材料具有弹性模量低和各向异性等特点，简单地使用GFRP材料制造桥面板不易满足高性能、低成本的要求。因此，将不同种类的GFRP材料及传统结构材料进行合理的组合，开发出质轻高强、适用于公路桥梁的重型GFRP组合桥面板是目前国内外主要的研究领域之一。,-,46,GFRP板的生产工艺-手糊法,-,47,真空辅助树脂转移成型法,-,48,拉挤法,-,49,GFRP桥面板成型工艺比较,-,50,实桥用GFRP桥面板拉挤型材,-,51,实桥用GFRP桥面板拉挤型材,-,52,实桥用GFRP桥面板拉挤型材,-,53,实桥用GFRP桥面板拉挤型材,-,54,GFRP桥面板连接技术,对于GFRP桥面板的连接工艺设计、连接强度和失效形式分析是当前复合材料桥梁领域的研究热点之一。常用的GFRP桥面板连接固定的方式：金属螺栓和机械连接化学粘接机械与化学粘结混合连接,-,55,常用结构胶粘剂类型,丙烯酸结构胶粘剂,环氧结构胶粘剂,聚氨酯结构胶粘剂,-,56,化学胶粘剂的选择,复合材料-选择丙烯酸,聚氨酯或是环氧胶粘剂复合材料粘接复合材料-使用聚氨酯或是环氧胶复合材料粘接未处理金属使用丙烯酸胶复合材料粘接其它材质使用聚氨酯或环氧胶,-,57,GFRP桥面板的粘结实例,-,58,GFRP桥面板的粘结实例,-,59,GFRP桥面板的粘结实例,-,60,GFRP桥面板的粘结实例,-,61,3、GFRP桥面板与承重梁之间的连接技术,-,62,GFRP桥面板与钢结构和混凝土结构的机械连接,GFRP桥面板与钢结构和混凝土结构的连接是一个极其重要的问题。通常采用的方法是利用半硬泡沫塑料隔离板在桥面板内形成腔体，然后在腔体内浇入混凝土。,-,63,GFRP桥面板与钢结构机械连接,-,64,DuraSpan拉挤型材GFRP桥面板安装在钢、砼和全复合材料的纵梁上的相应的连接方式为例。,-,65,GFRP桥面板与钢结构的机械连接,-,66,GFRP桥面板与混凝土结构连接,-,67,GFRP桥面板与承重梁的胶粘剂连接,-,68,GFRP桥面板与承重梁的混合连接,-,69,GFRP桥面板与承重梁的混合连接,-,70,GFRP桥面板与承重结构的混合连接,-,71,GFRP桥面板与混凝土结构的连接,-,72,4、GFRP桥面板铺装技术研究,-,73,GFRP桥面板铺装技术研究,GFRP桥面板要承受载重车辆通过车轮施加的巨大荷载，由于车轮与桥面板的接触面积小，局部压力很大。铺装层对于分散荷载，提高GFRP桥面板的局部承压能力，避免发生局部屈曲和塌陷、避免阳光直射和顺利排水，都具有重要的作用。,-,74,GFRP桥面板铺装技术研究,GFRP桥面板的表面一般铺了约28mm-40mm厚的聚合物混凝土铺装层。实践证明，GFRP桥面板与铺装结构的连接技术是桥面系十分能安全有效工作的关键。,-,75,GFRP桥面板耐磨层,-,76,大广高速6号桥GFRP桥面板耐磨层,-,77,大广高速6号桥GFRP桥面系结构底部特征,-,78,5、GFRP桥面板的相关学科的研究,-,79,（1）GFRP桥面板结构的动力特性与稳定性研究,GFRP研究桥面板模态特性和阻尼特性；建立GFRP桥面板的有限元模型，分析在车辆作用下，GFRP桥面板的动力响应特性;GFRP夹芯桥面板的整体弹性失稳和局部皱曲失稳。,-,80,（2）GFRP桥面板承载能力与损伤机理研究,实践表明，对于GFRP桥梁上部结构的承载能力受结构的刚度和局部屈曲控制。目前常采用GFRP桥面板的FEM建模，研究在车载作用下，桥面板结构抗弯特性，变形和应力分布特点，优化GFRP桥面板几何参数，提高结构的抗弯刚度和强度。,-,81,（3）GFRP桥面板的抗疲劳性能研究,目前许多GFRP产品供应商都通过疲劳试验来验证自己的产品疲劳寿命。试验表明GFRP桥面板结构具有良好的耐疲劳特性。2000年，在美国NewHampshire州Hanover的寒区研究与工程实验室(CRREL)与多所大学合作，对不同的GFRP桥面板进行了疲劳试验。试验结果表明，在很大的温度变化范围内，GFRP桥面板的都具有很好的抗疲劳性。,-,82,GFRP桥面板的抗疲劳性能研究,-,83,GFRP桥面板的抗疲劳性能研究,-,84,（4）GFRP桥面板的湿热效应研究,研究当温度和湿度发生变化时，聚合物基体纤维增强复合材料中由于纤维和基体的热膨胀系数和吸湿量不同而产生的微观湿热应力，GFRP材料板内产生的残余应力和湿热变形。,-,85,（5）GFRP桥面板结构的老化机理、防护方法和使用寿命预测研究,耐久性不仅仅是材料老化，还包括阳光、大气、温度、湿度等变化的影响、GFRP的蠕变和应力松弛以及GFRP与混凝土碱性反应等等问题，而且在实际环境下这些因素是共同作用，相互影响的，国内外对这个方面的研究都还不够深入。,-,86,（6）GFRP桥面板的结构设计理论和规范的研究,由于FRP材料与传统的结构材料的力学性能有很大的不同，主要体现为线弹性、各向异性，材料组成复杂，可设计性强。FRP结构和FRP组合结构的设计与传统的结构设计方法有很多不同，它的设计包括材料设计和结构设计两部分，它们相互联系紧密，不能采用等代替换传统材料的方法进行设计。,-,87,GFRP桥面板的结构设计理论和规范的研究,目前，国际上还没有公布过针对FRP桥梁结构的设计规范。美国土木工程师协会（ASCE）正在制定GFRP拉挤型材结构的设计标准。它将被用于美国高速公路管理局（AASHTO）制定的FRP结构设计规范中。,-,88,6.国外GFRP桥面板应用实例,-,89,Portland河桥的维修,-,90,Portland河桥的维修,-,91,Portland河桥的维修,-,92,-,93,韩国的GFRP桥面板,-,94,韩国的GFRP桥面板,-,95,2001-2006韩国的GFRP桥面板应用工程,-,96,丹麦Kolding桥,Kolding桥是全部用GFRP材料建造的斜拉桥，位于丹麦Kolding市，由Kolding的Ramboll设计，Fiberline公司于1997年建成。它全长40.3米，跨径为27m+13m，吊塔高18.5m，GFRP材料箱高1.5m，桥宽3.2m。全桥自重125KN。设计荷载：行人5KN/m2,车载50KN。建设GFRP桥所花费的时间18小时。,-,97,丹麦Kolding桥,-,98,丹麦Kolding桥,-,99,FRP-PedestrianbridgeoverthefederalroadB106inSchwerin(Germany),德国Schwerin桥,-,100,德国Schwerin桥,-,101,德国Schwerin桥,-,102,德国Schwerin桥,-,103,欧洲WestMill桥,-,104,我国的GFRP人行桥,-,105,我国的GFRP人行桥,-,106,我国的GFRP人行桥,-,107,7、我国第一座GFRP-钢组合结构公路桥大广高速6号桥的关键技术研究与试制要点,-,108,我国第一座GFRP-钢组合结构公路桥大广高速6号桥简介,大广高速6号桥位于大广高速公路衡小改建段，上跨高速公路主线，原桥为15+218+15m钢筋混凝土现浇箱梁桥。由于原来的路面加宽为8车道，桥下净空不能满足要求，需要拆除重建。它的建成，开创了GFRP材料在我国公路桥梁工程中的应用的先例。,-,109,我国第一座GFRP-钢组合结构公路桥大广高速6号桥简介,大广高速6号跨线桥采用GFRP桥面板-钢、GFRP-混凝土组合结构。桥孔布置为20+4*25+20m；桥面宽度：净-7+20.5m，全宽8m；设计荷载：公路II级；桥位场区地震烈度：基本烈度为6度，按7度设防。,-,110,我国第一座GFRP-钢组合结构公路桥大广高速6号桥简介,-,111,（1）GFRP桥面板拉挤型材设计,GFRP型材横截面,GFRP型材拼装成型的桥面板横截面,GFRP型材截面尺寸,GFRP桥面板纵、横向示意图,-,112,GFRP桥面板截面形式,通过对目前国际上通常采用GFRP桥面板产品进行调研和比较后，拟定了结构截面形式。,-,113,（2）GFRP复合材料型材拉挤模具的设计与加工,模具是拉挤成型工艺中的关键部分，包括预成型模和成型模具的设计与加工。主要是设计和加工出有足够的强度和刚度，加热后热量分布均匀稳定、模腔表面光滑耐磨、摩擦阻力小且具有较高使用寿命的成型模具。,-,114,GFRP型材拉挤模具的设计与加工,-,115,（3）GFRP型材的拉挤成型工艺研究,采用国内提供的牵引力为25吨的玻璃钢拉挤机组，性能可以满足生产的需要。目前国内拉挤工艺技术发展十分迅速，拉挤型材制品已在国际市场占有一定市场，已具备了生产大尺寸截面拉挤制品能力。2008年12月完成实桥用拉挤型材的加工。2009年6月在形成批量生产能力。2010年上桥。,-,116,GFRP桥面板拉挤型材生产工艺研究,-,117,GFRP桥面板拉挤型材,-,118,（4）GFRP拉挤型材粘结工艺与粘结性能试验研究,通过GFRP拉挤型材的粘结试验，来确定粘结工艺。拉挤型材通过聚氨脂类胶粘结，因为这种材料的具有很好的抗剥离性能和抗疲劳性能。采用进口的聚氨脂类胶(7542胶)和环氧胶进行黏结试验，最后确定采用环氧胶进行实桥桥面板的黏结。,-,119,GFRP复合材料拉挤型材（1:4模型）粘结工艺试验,-,120,GFRP复合材料拉挤型材粘结桥面板（1:1）的粘结工艺试验,-,121,实用FRP复合材料拉挤型材粘结桥面板的粘结工艺,-,122,实用FRP复合材料拉挤型材桥面板的粘结,-,123,GFRP拉挤型材粘结性能拉拔试验,-,124,GFRP拉挤型材粘结性能推出试验,-,125,（5）GFRP拉挤型材和桥面板力学特性计算与试验研究,生产出的GFRP复合材料拉挤型材的力学性能符合欧洲拉挤型材E23规范规定的指标以及桥面板设计的要求。在制成GFRP复合材料桥面板后，进行了桥面板的静、动载试验.,-,126,GFRP桥面板材料拉伸性能试验,通过拉伸试验测定GFRP桥面板层合板结构的拉伸强度，纵、横向等效平均弹模和泊松比。,-,127,拉伸试验结果,从试验结果可以看出，FRP型材在纵向（纤维拉挤方向）具有较高的拉伸强度，而弹性模量较小，纵向弹模约为钢的1/7，横向弹模约为钢的1/12。,-,128,热胀系数实验,由于FRP材料的各向异性特征，其热胀系数在各方向也有所不同。测量FRP材料在FRP管纵向和横向两个方向的宏观线热膨胀系数（假设FRP材料为正交异性），采用高温卧式膨胀仪对试件进行测量。,-,129,拉挤FRP型材（1:2模型）静载试验,-,130,FRP型拉挤型材静载试验,对三根FRP型材试件进行静载试验，测试其基本的抗弯性能。试验采用跨中单点加载，两端简支。在试件中心位置用千斤顶加载，下垫9696mm钢片，试验通过力传感器量测千斤顶施加的荷载。构件自重与千斤顶重量相对于荷载很小，故忽略其影响。试件表面粘贴应变片，测量试件的应变及位移。,-,131,在逐级增加的荷载作用下，试件的变形呈线性趋势发展，残余变形较小；在荷载加到55kN后，出现”噼啪”的响声，在加载到62kN时，出现较大的”噼啪”声，局部破坏形成，原有加载区域下挠明显，并沿着加载区边缘形成裂痕，此时局部已形成冲切破坏；,-,132,加载至73kN时，压力计和位移计读数均已极不稳定，试件跨中顶板严重下陷,同时横截面变形很大,但底板无明显损伤发生。最终,当荷载加到168kN左右时，随着一声很大的响声，支座处腹板和底板产生了剥离和断裂，承载力完全丧失，试件完全破坏。,-,133,GFRP桥面板静载试验,试验整体实景工况1加载位置,-,134,FRP桥面板静载试验,工况2加载位置工况3加载位置,-,135,FRP桥面板静载试验,顶板测点布置底板测点布置,-,136,试验结果（挠度）,挠度荷载关系曲线总体上成线性关系，卸载后，变形基本能够恢复。1、2、3试件的跨中底板最大挠度分别达到0.8mm（挠跨比1/1000）、0.5mm（挠跨比为1/1600）、5.2mm（挠跨比为1/350）。,3#试件的局部挠度挠度荷载关系曲线同样呈现线性关系，与整体挠度不同的是，局部挠度和试件跨径没有关联，而和顶板的宽度以及局部刚度有关，在荷载50kN时，3试件测点S3、S4、S5的局部挠度分别达到4.9mm、6.5mm、6.6mm，远远大于跨中底板挠度。由此看出局部挠度是控制这种FRP桥面板使用性能的重要指标。,试件跨中底板挠度,试件加载区局部挠度：S3,-,137,总体来看，应变荷载变化规律线性特征明显。某些区段表现出的非线性，如图的陡增及1试件各个点类似“屈服”区是由于局部的纤维被拉断(加载区的局部破坏)引起，这种破坏特征可看成此构件的一种“伪延性”。,试验结果（应变）,-,138,试验结果,从试验分析来看，GFRP型材的应变和挠度均随荷载增加线性发展，结构破坏的主要因素是局部刚度的不足引起的，总的来说，GFRP型材的刚度是控制结构使用性能的关键因素。在使用过程中需要采取相应的措施避免结构局部受力过大（例如加载区、支座处等）。,-,139,GFRP桥面板材料弹性模量较小（纵向30Gpa，横向6GPa），分别为为钢弹性模量（210GPa）的1/7、1/30。GFRP桥面板材料具有较高的强度，纵向（纤维拉挤方向）宏观等效拉伸强度大于400Mpa。GFRP桥面板型材具有较强的抗弯能力（净跨径1.8m简支梁跨中集中荷载168KN时破坏），从破坏模式来看构件具有一定的伪延性。构件荷载作用下构件变形较大，跨中底板竖向挠度（70KN）为5.2mm，挠跨比达1/350。GFRP型材为刚度控制结构。,-,140,GFRP桥面板有限元建模,-,141,GFRP桥型材力学特性有限元分析,GFRP为各向异性材料，为计算方便，将GFRP材料作为正交异性材料处理，基本材料属性参数已通过试验测得，如表所示。模型的整体坐标如图3-1所示：截面在X-Y平面内，竖向为Y，构件轴向为Z方向。,-,142,GFRP型材力学特性有限元分析,-,143,GFRP型材力学特性有限元分析,单元类型：采用solid45单元来构造三维实体结构。GFRP型材的有限元计算按照静载试验进行。两端简支，净跨径1.8m，跨中截面施加集中荷载，加载面积1010cm2。由于有限元计算及试验所得的结果表面挠度与应力随荷载增加均为线性发展，故仅提取荷载50kN时有限元计算结果并与试验结果进行对比。,-,144,GFRP型材力学特性有限元分析,FRP型材有限元模型横截面网格,-,145,GFRP型材有限元分析结果,挠度及应变计算结果与GFRP型材静载试验结果对比，如表所示。通过对比可见两者是比较吻合的，GFRP型材有限元计算基本能够反映该结构的宏观受力情况。,-,146,GFRP桥面板力学特性有限元分析,GFRP型材有限元模型同样采用从单元建立模型方式。在GFRP型材模型基础上通过叠加、节点粘合的方式产生GFRP桥面板整体模型。模型共生成19024个节点，12000个单元。GFRP桥面板有限元模型如图所示,-,147,GFRP桥面板力学特性有限元分析,计算工况1、工况2荷载位置如图所示,荷位（计算工况1、工况2）,-,148,GFRP桥面板力学特性有限元分析,计算工况3、工况4荷载位置如图所示,荷位（计算工况3、工况4）,-,149,GFRP桥面板有限元分析结果,GFRP桥面板相应工况下的试验挠度值与有限元计算挠度值如表所示。对比计算结果可以看出，有限元值和试验值误差较小，有限元计算总体上能够反映结构受力变形情况。个别数值差距较大是由于试验测量误差的影响。,-,150,GFRP桥面板有限元分析结果,整体挠度值对比：公路I级标准轮载（7t）作用下跨中最大整体挠度为1.5mm，挠跨（1.8m）比为1/1200，超载（10t）作用下跨中最大整体挠度为2.1mm，挠跨比为1/850。,-,151,GFRP桥面板有限元分析结果,公路I级标准轮载（7t）作用荷位时（试验工况1），跨中顶板最大局部相对挠度为0.45mm，挠跨比为1/440。公路I级标准轮载（7t）作用在荷位时（试验工况2），跨中最大局部相对挠度为0.8mm，挠跨（20cm）比为1/500。,-,152,GFRP桥面板有限元分析结果,GFRP桥面板相应工况下的试验应变值与有限元计算应变值如表所示。,-,153,GFRP桥面板有限元分析结果,对比计算结果可以看出，应变的有限元值总体上大于试验值，但两者相差不大，有限元计算总体上能够反映结构的宏观受力状态。通过计算可知1）GFRP桥面板在公路I级标准轮载作用下整体挠度最大值为1.5mm，挠跨比为1/1200。,-,154,GFRP桥面板有限元分析结果,（2）GFRP桥面板在公路一级标准轮载作用下局部相对挠度最大值荷位时为0.45mm，挠跨比为1/440；荷位时为0.8mm，挠跨比为1/500。（3）GFRP桥面板整体刚度较大，但局部刚度较小，因而造成整体挠度较小，而局部挠度偏大的情况。作为传力结构，局部刚度不足会造成荷载传递不均，局部应力过大，铺装层表面开裂的不利情况。,-,155,GFRP桥面板动力特性分析,桥梁结构的模态特性是结构重要的动力特性，它是进行谱分析或模态叠加法谐响应分析或瞬态动力学分析所必需的前期分析过程。对桥梁的固有频率，由于桥梁结构的复杂性，很难求出精确的解析解。为了探讨GFRP桥面板-钢组合桥的动力特性，用有限元法对GFRP桥面板模型进行模态分析，然后与GFRP桥面板模型的动力特性试验进行对比研究，探讨影响GFRP桥面板-钢组合桥梁模态的因素。,-,156,GFRP桥面板动力特性试验,模态试验示意图,-,157,GFRP桥面板模态试验,DH5936动态测试分析仪GFRP桥面板模态测试现场,-,158,GFRP桥面板模态试验,-,159,GFRP桥面板模态试验,GFRP桥面板模型的前三阶频率如表所示,-,160,GFRP桥面板模态分析,-,161,-,162,GFRP桥面板模态分析,通过动力特性试验和有限元计算的振动频率比较可以看出有限元计算的前几阶频率与试验频率的相差值在5%以内。,-,163,GFRP桥面板参数分析,桥面板的设计包括铺层设计和截面形状设计两个方面。为GFRP型材截面示意图，控制GFRP桥面板截面形状的参数有：顶板厚度h1，底板厚度h2，腹板厚度t和空腔倒角r。对不同顶底板、腹板厚度和不同空腔倒角大小的GFRP桥面板在荷载作用下的应力分布和变形情况和首层破坏荷载值进行比较分析，以选择适应现有荷载条件的最优截面形式。,-,164,GFRP桥面板参数分析,GFRP拉挤型材参数尺寸,GFRP拉挤型材截面示意图,-,165,GFRP桥面板参数分析,顶、底板铺层数量都为13层，腹板铺层数量为7层，具体铺层材料见表1。,-,166,GFRP桥面板参数分析,顶、底板铺层数量都为13层，腹板铺层数量为7层，具体铺层材料见表1。腹板的铺层材料为表1的第1层到第7层。型材由外向内铺层编号由小到大排列，即各铺层中第1层为型材最外层，第13层为型材内表面。,-,167,GFRP桥面板参数分析,在分析中不考虑GFRP型材之间胶接层的影响，GFRP型材截面参数的选取如下：（1）顶板厚度h1:13mm，15mm，17mm，19mm，21mm；（2）底板厚度h2:11mm，13mm，15mm，17mm，19mm；（3）腹板厚度t：5mm，6mm，7mm，8mm，9mm；（4）倒角半径r：20mm，25mm，30mm，35mm，40mm。,-,168,GFRP桥面板参数分析,采用有限元程序对GFRP桥面板模型的加载受力过程进行分析。计算中采用正交异性材料来模拟复合材料，材料参数见表所示,-,169,GFRP桥面板参数分析,各铺层的基本强度指标见表所示,-,170,GFRP桥面板参数分析,计算GFRP桥面板模型在图示工况1和工况2两个工况下，荷载等级为100kN时，GFRP桥面板内各铺层的应力分布情况，并按照Tsai-Wu准则对各铺层的强度进行验算，并通过改变荷载的大小，确定不同GFRP桥面板模型的首层破坏荷载值的大小。,-,171,GFRP桥面板计算值分布云图,-,172,GFRP桥面板参数分析,在工况1加载条件下，桥面板各几何参数对其整体挠度的影响曲线,-,173,GFRP桥面板参数分析,通过增大GFRP桥面板截面参数可以降低桥面板在荷载作用下的整体挠度，GFRP桥面板的整体挠度随各参数的变大而下降。腹板厚度对GFRP桥面板整体挠度的影响大于增加顶、底板厚度或倒角尺寸的影响。通过增加顶底板的厚度，可以降低GFRP桥面板的整体挠度。,-,174,GFRP桥面板参数分析,增加腹板厚度能显著降低GFRP桥面板的整体挠度，而通过增加顶底板厚度和倒角尺寸一定程度上也能降低GFRP桥面板在荷载作用下的桥面板的整体挠度，但是降低的效率没有增加腹板厚度的高。,-,175,GFRP桥面板参数分析,在工况1加载条件下，各参数对GFRP桥面板局部挠度的影响曲线,-,176,GFRP桥面板参数分析,由于顶板是荷载直接作用的部位，增大顶板的厚度尺寸能增大顶板的局部刚度，从而降低在荷载作用下的局部挠度。同时，可以将顶板和腹板看成连续刚构形式结构，增大腹板厚度能增加腹板的刚度，降低顶板在荷载作用下的局部挠度。,-,177,GFRP桥面板参数分析,顶板厚度比底板厚度略大的时候，比单纯增大顶板或底板尺寸的桥面板首层破坏荷载值要高，这是由于顶板直接承受荷载作用，在荷载作用下局部变形比较大，应力情况比较复杂，而底板受力相对于顶板来说就简单。因此，适当的使顶板厚度略大于底板厚度能使顶板发生首层破坏时，底板也可能会或者即将发生首层破坏，从而能够充分利用材料的强度。,-,178,GFRP桥面板参数分析,分析结果表明：腹板厚度过小的时候，由于发生首层破坏的位置位于腹板上，因此腹板的厚度对于首层破坏强度的大小影响很大，当腹板厚度由5mm增大为7mm的时候，首层破坏荷载由145kN增大为203kN；腹板厚度大于7mm的时候，发生首层破坏的位置位于顶板或者底板上，因此此时增大腹板厚度对于增大首层破坏荷载值的效率没有增大顶板厚度高。在倒角半径大于30mm以后，增大倒角尺寸对于提高桥面板首层破坏荷载值的影响就不大了。,-,179,GFRP桥面板参数分析,因此，GFRP桥面板顶板厚度要略大于底板厚度，以充分利用顶底板的材料；腹板的总厚度要和顶底板的厚度相当，以确保首层破坏位置不在腹板上。根据以上分析，确定拉挤GFRP型材的具体尺寸如下：顶板17mm，底板15mm，腹板7mm，倒角30mm。,-,180,GFRP桥面板参数分析,根据此设计和研制了GFRP拉挤型材，它已被应用于我国第一座GFRP-钢组合结构公路桥中。,-,181,钢梁结构FE建模与分析,-,182,GFRP-钢组合桥梁结构FE建模与分析,-,183,（6）GFRP桥面界面力学性能研究,-,184,GFRP拉挤型材-钢粘结性能推出试验,-,185,GFRP拉挤型材-钢螺栓连接性能推出试验,-,186,GFRP桥面与铺装材料粘结性能试验,-,187,铺装结构的拉拔试验,由试验结果可以看出：采用改性环氧树脂胶的时候，胶接的强度大于3.4MPa，远远大于铺装层底面最大拉应力为0.12MPa，采用改性环氧树脂胶能保证铺装材料同GFRP桥面板之间粘接的可靠性。,-,188,铺装结构的剪切试验,因为行车荷载的冲击、振动等引起的垂直力和水平力的综合作用，以及由于GFRP面板与铺装材料之间的热胀系数不同，都会在粘结层上产生的剪应力。当