GFRP—花旗松膠合木夾芯橋面板受彎性能試驗(yàn)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

方海+韓娟+劉偉慶+祝露

摘要：采用花旗松膠合木作為芯材，玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（GFRP）作為面層制備夾芯結(jié)構(gòu)橋面板，在對(duì)花旗松膠合木芯材和GFRP開(kāi)展基本力學(xué)性能試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，開(kāi)展了GFRP花旗松膠合木夾芯梁的受彎性能試驗(yàn)，得出了其荷載跨中撓度曲線與GFRP荷載跨中應(yīng)變曲線，并對(duì)抗彎剛度測(cè)試值與理論計(jì)算值進(jìn)行了對(duì)比；針對(duì)某GFRP花旗松膠合木橋面板，提出了完整的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程，給出了橋面板的合理設(shè)計(jì)參數(shù)。研究結(jié)果表明：GFRP花旗松膠合木橋面板應(yīng)用于鋼梁復(fù)合材料橋面板組合橋梁結(jié)構(gòu)較為可行。

關(guān)鍵詞：GFRP；膠合木；夾芯結(jié)構(gòu)；橋面板；抗彎剛度

中圖分類號(hào)：TU399文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

歐美自1985年開(kāi)始了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）橋面板在結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用研究，并付諸于實(shí)際工程[1]，如1996年FRP橋面板體系較早應(yīng)用在美國(guó)堪薩斯州沙漠附近的無(wú)名溝壑上架起的一座公路橋，此后，F(xiàn)RP橋面板在美國(guó)近百座中短跨橋梁中得到應(yīng)用[2]。

FRP橋面板的基本結(jié)構(gòu)主要有2種形式，即夾芯板結(jié)構(gòu)和拉擠型材粘合結(jié)構(gòu)[3]。拉擠型材橋面板可以連續(xù)生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高，原材料浪費(fèi)少，整體性和截面形狀一致性好，其型材長(zhǎng)度不受限制，是目前各國(guó)主要采用的橋面板結(jié)構(gòu)形式，但是拉擠工藝制造的構(gòu)件截面形式固定，不能根據(jù)橋梁跨度大小靈活設(shè)計(jì)調(diào)整[4]。FRP夾芯板由高強(qiáng)度、高模量的面層與輕質(zhì)芯材復(fù)合而成，面層承受彎曲正應(yīng)力，芯材提高了結(jié)構(gòu)慣性矩，并提供剪切強(qiáng)度。盡管這種結(jié)構(gòu)存在成本高以及結(jié)構(gòu)的固定和連接性能差等缺點(diǎn)，但是能夠根據(jù)荷載條件進(jìn)行靈活設(shè)計(jì)制造。采用蜂窩夾層法的橋面板有Hardcore和KSCI等系統(tǒng)，夾芯橋面板一般采用真空導(dǎo)入成型工藝或手糊法制造[5]。國(guó)外較早應(yīng)用FRP夾芯橋面板的橋梁是美國(guó)加利福尼亞州的No Name Creek橋[6]，現(xiàn)場(chǎng)施工安裝只用了8 h。Stone等[7]對(duì)密蘇里州街區(qū)橋上的KSCI系統(tǒng)進(jìn)行加載測(cè)試，他們也對(duì)采用Hardcore橋面板的Bennetts Creek橋[8]進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)加載測(cè)試，結(jié)果均符合AASHTO標(biāo)準(zhǔn)。2001年美國(guó)緬因大學(xué)參考AASHTO LRFD設(shè)計(jì)方法在緬因州設(shè)計(jì)建造了SKIDMORE橋[9]，該橋采用東部鐵杉膠合木作為芯材，GFRP為面層。

膠合木作為一種結(jié)構(gòu)用材有較多優(yōu)點(diǎn)：①膠合工藝使原木材中的缺陷均勻分布，并能夠有選擇性地剔除原木中存在的節(jié)子、孔洞等天然缺陷，膠合后材料具有容許應(yīng)力高、變異系數(shù)小等特點(diǎn)；②膠合木不受天然木材尺寸的限制，能夠被制成滿足建筑和結(jié)構(gòu)要求的各種尺寸構(gòu)件，能夠直接加工成曲線、異型構(gòu)件，可滿足多種需要，尤其能滿足大截面、大跨度構(gòu)件的需要；③膠合木在加工過(guò)程中，其板材得到了充分干燥，能夠保證構(gòu)件尺寸和形狀的穩(wěn)定，減少了裂縫和變形對(duì)構(gòu)件功能的影響；④可用次生和三生樹(shù)林以及人造林的小樹(shù)，制成大型膠合木構(gòu)件，可以擴(kuò)大結(jié)構(gòu)用材的樹(shù)種。

本文中筆者提出采用性能穩(wěn)定的花旗松膠合木作為芯材，GFRP作為面層的夾芯結(jié)構(gòu)橋面板，應(yīng)用于中小跨度橋梁中，具有輕質(zhì)、易安裝、防除冰鹽腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊。1GFRP花旗松膠合木夾層板的結(jié)構(gòu)構(gòu)造與制備1.1結(jié)構(gòu)構(gòu)造

GFRP花旗松膠合木夾層板由GFRP面板和花旗松膠合木芯材組合而成，中間為花旗松膠合木芯材，上下為GFRP面板，如圖1所示。

1.2.1原材料

玻璃纖維采用常州天馬集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的雙軸向玻璃纖維布，鋪層設(shè)計(jì)為0°或90°，纖維縱橫向比例為1∶1?；w材料采用常州華科樹(shù)脂有限公司生產(chǎn)的間苯級(jí)不飽和聚酯樹(shù)脂，粘度為0.1～0.15 Pa·s，較適合于真空導(dǎo)入成型工藝。

1.2.2制備工藝

花旗松膠合木芯材采用寬度為35 mm的花旗松木板側(cè)面膠合，經(jīng)制材、窯干、木材分級(jí)、指接、拋光、涂膠、加壓膠合、整形加工、檢驗(yàn)等主要加工工藝制成。將花旗松膠合木芯材表面鋪設(shè)GFRP布，進(jìn)行真空導(dǎo)入操作即可完成GFRP花旗松膠合木夾層板構(gòu)件的制備。

1.3組分材料基本力學(xué)性能

1.3.1花旗松膠合木芯材基本力學(xué)性能

基于木材正交各向異性的特征，根據(jù)中國(guó)《木材順紋抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)方法》（GB 1938—2009）[10]和ASTM D14394[11]進(jìn)行了木材拉伸試驗(yàn)；根據(jù)《木材順紋抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法》（GB 1935—2009）[12]、《木材順紋抗壓彈性模量測(cè)定方法》（GB/T 15777—1995）1.3.2GFRP面層材性試驗(yàn)

GFRP面層由GFRP布與不飽和聚酯樹(shù)脂固化而成。試件按照《玻璃纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》（GB/T 1447—2005）制作，試驗(yàn)裝置如圖2所示，試件兩端采用鋁板對(duì)夾持端進(jìn)行增強(qiáng)，使試件不至于在夾持處發(fā)生破壞。

試驗(yàn)采用德國(guó)進(jìn)口Zwick/Roell電子拉伸試驗(yàn)機(jī)，按照DIN EN ISO 5274試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)速度為2 mm·min-1，連續(xù)加載，并用3816應(yīng)變箱測(cè)試應(yīng)表1膠合木芯材基本力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

利用試件上的應(yīng)變片縱向與橫向數(shù)值，測(cè)出GFRP面板的面內(nèi)泊松比為0.15。根據(jù)《纖維增強(qiáng)塑料縱橫剪切試驗(yàn)方法》（GB/T 3355—2005）進(jìn)行腹板縱橫向剪切試驗(yàn)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對(duì)于正交纖維增強(qiáng)平板縱橫向剪切試驗(yàn)，取纖維方向與試驗(yàn)機(jī)主拉伸方向成45°角，所以此種試驗(yàn)方法被稱作45°偏表2GFRP面層拉伸性能測(cè)試結(jié)果

試驗(yàn)在反力架上進(jìn)行，采用200 kN量程的千斤頂進(jìn)行逐級(jí)加載，每級(jí)荷載為1 kN，并通過(guò)力傳感器量測(cè)千斤頂施加的荷載。通過(guò)分配梁在夾層梁上形成2個(gè)加載點(diǎn)，加載點(diǎn)之間距離為250 mm，在加載點(diǎn)處鋪設(shè)細(xì)條橡膠墊以防止局部破壞，支座間距為900 mm。在梁跨中設(shè)置位移傳感器測(cè)試撓度，利用梁跨中上下側(cè)GFRP層的2個(gè)應(yīng)變片測(cè)試面層應(yīng)力，試驗(yàn)裝置如圖2所示。

2.2受彎破壞模式

試件J48F3與試件J54F3為GFRP花旗松膠合木夾層板，膠合木芯材厚度有所不同，兩者的破壞現(xiàn)象雖然相近，但是也有所區(qū)別：

（1）對(duì)于試件J48F3，加載初期無(wú)變化，當(dāng)加載至21 kN時(shí)出現(xiàn)輕微響聲，加載至26 kN時(shí)出現(xiàn)連續(xù)噼啪響聲，夾層板的撓度迅速增大，加載至31 kN時(shí)發(fā)生破壞，破壞現(xiàn)象為上面層壓皺斷裂錯(cuò)層，芯材有裂紋，破壞現(xiàn)象如圖3（a）所示。

（2）對(duì)于試件J54F3，由于該試件的芯材厚度有所增加，故加載至38 kN時(shí)試件才出現(xiàn)輕微響聲，當(dāng)加載至42 kN時(shí)出現(xiàn)連續(xù)輕微響聲，荷載增至49 kN時(shí)發(fā)生巨大響聲，芯材下部木材拉壞，試件隨即破壞，破壞現(xiàn)象如圖3（b）所示。

式中：Ec為芯材的順紋彈性模量；t為單層面板的厚度；c為芯材的厚度；d為芯材的厚度與單面板厚度之和；b為夾層板的寬度。

將表1，2中芯材與面層的基本力學(xué)性能測(cè)試值以及試件尺寸代入式（1），即可以計(jì)算得到GFRP花旗松膠合木夾層板試件J54F3的抗彎剛度為39 kN·m2，而試件J54F3的抗彎剛度試驗(yàn)值為34 kN·m2，兩者相差12.8%。

分析誤差產(chǎn)生的原因是：受彎試件僅上下面層為GFRP，而四周未被GFRP包裹，試件暴露于空氣中時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，其膠合木芯材存在吸濕現(xiàn)象，從而導(dǎo)致彈性模量下降，繼而抗彎剛度試驗(yàn)值略小于計(jì)算值。該試件在應(yīng)用于橋面板工程時(shí)，膠合木芯材上下及四周均被GFRP包裹，不存在吸濕等現(xiàn)象；同時(shí)在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，GFRP和膠合木芯材的基本力學(xué)性能均采用設(shè)計(jì)值，從而保證結(jié)構(gòu)的安全度。3復(fù)合材料橋面板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

上述通過(guò)試驗(yàn)和理論方法對(duì)比了GFRP花旗松膠合木夾層板的彎曲剛度求解公式和破壞模式。將該夾層板應(yīng)用于某公路單車道車行橋，如圖6所示。該橋由3根鋼主梁支承橫向橋面板結(jié)構(gòu)體系，主梁中心線之間的距離為1.8 m，設(shè)計(jì)荷載為公路Ⅰ級(jí)。橋面板最大撓度限制為L(zhǎng)/500，L為橋長(zhǎng)。

3.1.1材料屬性

在設(shè)計(jì)膠合木構(gòu)件時(shí)，一般將其視為整體截面構(gòu)件而不考慮膠縫的影響。國(guó)外對(duì)這種膠合木構(gòu)件已經(jīng)形成標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)與生產(chǎn)，并在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上確定其強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。中國(guó)目前由于缺乏系統(tǒng)的試驗(yàn)工作和足夠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)又不能簡(jiǎn)單引用國(guó)外規(guī)范，因此在《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50005—2003）中，膠合木構(gòu)件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值和彈性模量取值仍與截面相同的實(shí)木構(gòu)件相同，然后根據(jù)相應(yīng)的調(diào)整系數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

花旗松膠合木清材小構(gòu)件的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為

fk=uf-1.645σf（2）

式中：fk為材料強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值；uf為材料強(qiáng)度的平均值；σf為材料強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差。

首先將花旗松膠合木試驗(yàn)結(jié)果平均值轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)值，即可得出花旗松清材的力學(xué)性能，如表4所示。在膠合木構(gòu)件中，由于木材的很多天然缺陷被人工剔除或均勻分布于構(gòu)件中，因此其對(duì)材料強(qiáng)度的影響相對(duì)于實(shí)木材料要低很多。結(jié)合本課題組的制造現(xiàn)狀，建議系數(shù)KQ1值對(duì)于拉、壓、彎分別取為0.73，0.88，0.83。綜合以上分析，計(jì)算得出花旗松膠合木的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（表4），GFRP的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為144 MPa，其彈性模量設(shè)計(jì)值為20.95 GPa。

3.1.2內(nèi)力計(jì)算

（1）恒載引起的內(nèi)力

橋面板橫向支承于鋼梁時(shí)多采用連續(xù)梁形式，中間支點(diǎn)負(fù)彎矩對(duì)跨中正彎矩有卸載的作用，使內(nèi)力狀態(tài)比較均勻合理。因此首先計(jì)算橋面板的自重，將其作為均布荷載q作用于橋面板連續(xù)梁分析模型中，計(jì)算簡(jiǎn)圖即為恒載引起的彎矩圖和剪力圖（圖7）。

計(jì)算車輪荷載P并考慮沖擊作用，進(jìn)行荷載組合得到橋面板活載設(shè)計(jì)值。由于本設(shè)計(jì)方案的主梁中心線之間的距離為1.8 m，故按計(jì)算簡(jiǎn)圖確定活載引起的最不利彎矩圖和剪力圖（圖8）。

3.1.3強(qiáng)度驗(yàn)算

取最不利截面的彎矩和剪力，利用換算截面法驗(yàn)證GFRP面層和膠合木的正應(yīng)力和剪應(yīng)力是否大于材料強(qiáng)度，即要求保證

γ0S≤R（3）

式中：γ0為橋梁結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)；S為荷載效應(yīng)組合的設(shè)計(jì)值；R為結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力的設(shè)計(jì)值。

3.1.4撓度驗(yàn)算

由于復(fù)合材料橋面板自重較小，故使用考慮剪切效應(yīng)的鐵木辛柯公式求解活載引起的撓度。雙跨連續(xù)梁由于中間支座的支承，撓度大為降低，橋面板跨中撓度Δ的計(jì)算公式為[18]

式中：Δb為彎曲引起的撓度；Δs為剪切引起的撓度；p為車輛單輪荷載；s為橋面板有效跨度；EI為橋面板等效彎曲剛度；GA為橋面板等效剪切剛度。

3.2結(jié)果分析

橋面板初始設(shè)計(jì)值：橋面板長(zhǎng)度為3.6 m，寬度為0.5 m，總厚度為170 mm；采用160 mm的花旗松膠合木芯材以及上下各5 mm的GFRP面層，由式（4）計(jì)算得到橋面板跨中撓度為1.85 mm。

按AASHTO LRFD的規(guī)定，木結(jié)構(gòu)橋梁的撓度限值為2.5 mm，另一種在純膠合木橋面板設(shè)計(jì)中廣泛使用的撓度限值為有效跨度的1/500，本文中提出采用下式對(duì)撓度限值ΔLL.lim進(jìn)行驗(yàn)算

ΔLL.lim=min{s1500，2.5 mm}（5）

計(jì)算可得到橋面板跨中撓度小于2.5 mm，滿足撓度要求。將計(jì)算得出的彎曲正應(yīng)力、剪應(yīng)力與組分材料的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值進(jìn)行對(duì)比，均滿足設(shè)計(jì)要求，故本橋面板的初始設(shè)計(jì)參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求。4結(jié)語(yǔ)

（1）介紹了GFRP花旗松膠合木夾層板的材料組成與制備工藝，并根據(jù)相關(guān)規(guī)范得出了GFRP面層和膠合木芯材的基本力學(xué)性能測(cè)試值。

（2）開(kāi)展了GFRP花旗松膠合木夾層板的彎曲性能試驗(yàn)，觀測(cè)了其破壞現(xiàn)象，其抗彎剛度測(cè)試值與理論值相差為12.8%。

（3）針對(duì)某小型GFRP花旗松膠合木橋面板工程案例，提出了完整的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與驗(yàn)算流程，給出了橋面板的合理設(shè)計(jì)參數(shù)。

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