界面優(yōu)化下的GFRP-混凝土組合橋面板靜力性能試驗(yàn)研究*

郭詩惠，蔡春聲，張建仁，曾學(xué)

(1. 長沙理工大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖南 長沙 410114；2. 南陽理工學(xué)院 土木工程學(xué)院，河南 南陽 473000；3. 長沙理工大學(xué) 橋梁工程安全控制省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410114；

?

界面優(yōu)化下的GFRP-混凝土組合橋面板靜力性能試驗(yàn)研究*

郭詩惠1，2,3?，蔡春聲1,4，張建仁1，曾學(xué)1

(1. 長沙理工大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖南 長沙 410114；2. 南陽理工學(xué)院 土木工程學(xué)院，河南 南陽 473000；3. 長沙理工大學(xué) 橋梁工程安全控制省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410114；

4. 路易斯安那州立大學(xué) 土木與環(huán)境工程系，美國 巴吞魯日 LA70803)

為推廣GFRP-混凝土組合橋面板的工程應(yīng)用，在GFRP-混凝土組合板界面抗剪試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，選取黏砂連接和環(huán)氧樹脂濕黏結(jié)2種連接界面，將前期研究的GFRP-混凝土組合橋面板的連接界面進(jìn)行重新優(yōu)化設(shè)計(jì)，制作10塊試件進(jìn)行靜力試驗(yàn)，并將試驗(yàn)結(jié)果與前期研究結(jié)果進(jìn)行對比分析.研究結(jié)果表明：界面重新優(yōu)化設(shè)計(jì)的組合板試件，在試驗(yàn)加載過程中能夠滿足平截面假定，具有良好的整體工作性能，具有較高的承載力和良好的變形恢復(fù)能力；試件的破壞雖然為脆性破壞，但是在破壞前構(gòu)件的變形較大，有一定預(yù)兆，具有較高的強(qiáng)度安全儲(chǔ)備.

GFRP-混凝土組合板；靜力試驗(yàn)；試驗(yàn)分析；界面連接；界面優(yōu)化

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(fiber reinforced polymer，簡稱FRP)具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕、抗疲勞、線彈性及可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等特點(diǎn)，是替代鋼材的一種理想材料[1].FRP-混凝土組合橋面板是基于鋼-混凝土組合板設(shè)計(jì)思路提出的，是將FRP型材布置在組合板的受拉區(qū)、混凝土板布置在受壓區(qū)，二者之間通過一定的連接方式組合協(xié)同受力的一種結(jié)構(gòu)體系.

在土木工程中，傳統(tǒng)的鋼筋混凝土橋面板和鋼-混凝土組合橋面板，在惡劣的自然環(huán)境中鋼材銹蝕、混凝土開裂等問題日益嚴(yán)重，不僅嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的耐久性，而且會(huì)造成安全事故隱患[2-3].而FRP-混凝土組合橋面板具有自重輕、抗震性能好、耐腐蝕、抗疲勞、施工方便及維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)勢，能解決傳統(tǒng)橋面板在惡劣環(huán)境下鋼材銹蝕、劣化問題，從而改善和提高結(jié)構(gòu)的耐久性.

目前，國內(nèi)外學(xué)者對FRP材料在結(jié)構(gòu)的加固補(bǔ)強(qiáng)方面的研究和應(yīng)用較為廣泛[4-10]，而在FRP-混凝土組合結(jié)構(gòu)方面的研究卻很少，且不同研究者研究的角度不同導(dǎo)致研究結(jié)果存在較大差異：Deskovic等[11]對提出的纖維纏繞GFRP箱梁-混凝土組合板進(jìn)行了彎曲性能試驗(yàn)，研究結(jié)果顯示該組合板構(gòu)件發(fā)生了界面剝離破壞，表現(xiàn)出一定程度的“偽延性”；Hulatt等[12]采用真空袋法塑化工藝制作FRP殼，設(shè)計(jì)了FRP箱型梁、T型梁-混凝土組合板，并進(jìn)行了靜力試驗(yàn)研究，結(jié)果表明在荷載作用下FRP的力學(xué)性能沒有改變，但混凝土剛度卻明顯退化；Cheng等[13]對開發(fā)設(shè)計(jì)的模塊化的FRP-混凝土組合板體系進(jìn)行了靜力性能試驗(yàn)研究，結(jié)果顯示該組合板承載力較高，各項(xiàng)力學(xué)性能均能滿足AASHTOHS20規(guī)范規(guī)定的設(shè)計(jì)要求；Alnahhal等[14]對提出的FRP-混凝土組合橋面板進(jìn)行了彎曲、剪切性能試驗(yàn)研究，并用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究表明有限元結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好；馮鵬[15]設(shè)計(jì)了一種FRP-混凝土組合橋面板應(yīng)用于北京某人行天橋中，并對該組合板的變形控制方法進(jìn)行了研究；鄧宗才等[16]闡述了FRP-混凝土組合板的基本設(shè)計(jì)思想，對提出的組合板進(jìn)行了理論分析；郭詩惠等[17]按實(shí)橋尺寸設(shè)計(jì)了三孔箱型GFRP-混凝土組合板，并進(jìn)行了靜力性能試驗(yàn)研究，研究結(jié)果顯示該組合板具有較高的承載能力和變形恢復(fù)能力，組合板的最終破壞以撓度控制，具有較高的安全儲(chǔ)備.

雖然上述研究對FRP-混凝土組合結(jié)構(gòu)得到了一些有益的研究結(jié)果，但是在連接界面上并沒有進(jìn)行深入研究.界面的可靠連接是保證組合結(jié)構(gòu)正常工作的基礎(chǔ)，針對文獻(xiàn)[17]，作者參考相關(guān)研究，對該組合板的界面連接方式重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，并制作27個(gè)試件，進(jìn)行了雙剪推出試驗(yàn)研究[18]，研究結(jié)果顯示，設(shè)計(jì)的連接界面抗剪強(qiáng)度均較高、破壞時(shí)界面出現(xiàn)的滑移值均較小，可以考慮作為組合板界面的構(gòu)造連接.從經(jīng)濟(jì)和方便施工的角度考慮，本文從設(shè)計(jì)的界面中選取黏砂連接和環(huán)氧樹脂濕黏結(jié)2種連接方式，以混凝土強(qiáng)度等級、混凝土板厚為參數(shù)，制作10塊GFRP-混凝土組合板試件，進(jìn)行靜力加載試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)過程和試驗(yàn)結(jié)果分析其典型破壞形態(tài)、承載力和剛度的影響因素，并與前期開展的組合板試件的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，為推進(jìn)FRP-混凝土組合板的工程應(yīng)用提供設(shè)計(jì)參考和依據(jù).

1 試驗(yàn)方案

1.1 試件制作

本試驗(yàn)采用的試件與文獻(xiàn)[17]中開展的GFRP-混凝土組合板試件在材料、尺寸和形狀等方面完全相同，只是界面連接方式不同.根據(jù)文獻(xiàn)[18]，本試驗(yàn)的組合板試件界面采用黏砂連接和環(huán)氧樹脂濕黏結(jié).

文獻(xiàn)[17]中的界面制作過程為：首先在GFRP上翼板采用噴砂粗糙處理，然后涂刷環(huán)氧樹脂有機(jī)膠，最后在膠層上滿撒石英砂.針對文獻(xiàn)[17]界面過早出現(xiàn)滑移的試驗(yàn)結(jié)果，文獻(xiàn)[18]將連接界面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，從界面的粗糙處理、膠結(jié)劑的選用、膠層厚度、石英砂粒徑及石英砂的膠層面積覆蓋率等方面都進(jìn)行了說明.界面膠結(jié)劑采用瑞士西卡公司生產(chǎn)的Sikadur31CFN環(huán)氧黏結(jié)劑，涂刷厚度為4 mm[19]，根據(jù)其使用說明，在黏接玻璃制品材料時(shí)先涂刷Sikafloor156作為底涂，然后在濕狀態(tài)下涂刷Sikadur31CFN膠層.界面制作具體過程為：先用打磨機(jī)將GFRP上翼板打磨并清洗干凈，干燥后涂刷Sikafloor156底涂，在底涂濕狀態(tài)下涂刷4 mm厚度的Sikadur31CFN膠層.黏砂連接界面是在膠層上均勻地撒粒徑5～8 mm的潔凈石英砂，砂粒的面積覆蓋率為40%～50%[18]，為保證連接效果，砂粒應(yīng)部分嵌入膠層內(nèi)，部分露在外面.環(huán)氧樹脂濕黏結(jié)界面是指在未固化的膠層上澆筑混凝土，讓膠和混凝土融合并一起固化成型的一種黏接方法.

以連接界面、混凝土強(qiáng)度等級和混凝土板厚為參數(shù)，本試驗(yàn)共設(shè)計(jì)制作了10個(gè)GFRP-混凝土組合板試件，其截面形式、幾何尺寸和構(gòu)造如圖1所示，材料性能指標(biāo)見表1和表2.

圖1 試件幾何尺寸及構(gòu)造Fig.1 Dimensions and detailing of specimen表1 GFRP試件的力學(xué)性能指標(biāo)Tab.1 Mechanical properties of GFRP specimens

密度/(103kg·m-3)泊松比縱向壓縮強(qiáng)度/MPa縱向拉伸強(qiáng)度/MPa彈性模量/GPa縱向剪切模量/MPa2．050．40537052637．3326

表2 Sikadur31CFN的力學(xué)性能指標(biāo)Tab.2 Mechanical properties of Sikadur31 CFN

1.2 加載裝置

試驗(yàn)采用1 000 kN的電液式加載機(jī)，加載方式為跨中2點(diǎn)對稱集中加載，加載裝置如圖2所示.加載前先進(jìn)行預(yù)加載，以檢查試驗(yàn)裝置和測試儀器的可靠性.正式加載采用分級加載，每20 kN為一級，保持荷載5 min，采集數(shù)據(jù)和記錄試驗(yàn)現(xiàn)象后再進(jìn)行下級加載，直至試件破壞.

1.3 量測內(nèi)容及測點(diǎn)布置

儀器：Agilent 725ES型電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀，上海瀚漫實(shí)業(yè)有限公司；TM3000 15 kV型掃描電子顯微鏡，日本日立公司；DHG-9053A型電熱恒溫干燥箱，上海精宏試驗(yàn)設(shè)備有限公司；SCX-1500A型箱式電爐，上海祖發(fā)實(shí)業(yè)有限公司；SX-610型筆式pH計(jì)，上海三信儀表廠。

在試驗(yàn)加載過程中，通過在構(gòu)件上布置百分表對試件的撓度進(jìn)行量測，撓度測點(diǎn)D1～D6布置如圖3所示.在GFRP底板、混凝土頂板及構(gòu)件跨中側(cè)面布置電阻應(yīng)變片，以量測構(gòu)件在各受力階段的應(yīng)變發(fā)展情況，應(yīng)變片布置如圖4所示.

圖2 試件加載裝載Fig.2 Loading set-up of specimens

圖3 撓度測點(diǎn)布置圖Fig.3 Layout of the deflection measuring points

圖4 應(yīng)變測點(diǎn)布置圖Fig.4 Layout of the strain measuring points

1.4 試驗(yàn)破壞現(xiàn)象分析

試件在加載過程中，GFRP構(gòu)件與混凝土板協(xié)同工作，隨著荷載的增加構(gòu)件的撓度逐漸增大，加載到極限荷載前構(gòu)件一直沒有出現(xiàn)裂縫和明顯的滑移現(xiàn)象，所有試件的破壞都是出現(xiàn)在單側(cè)加載區(qū)混凝土板附近，破壞時(shí)構(gòu)件截面剛度突然降低，導(dǎo)致此處

變形突然增大，但GFRP構(gòu)件整體性比較好.試件的破壞是突然發(fā)生的，同時(shí)伴隨巨大的一聲響及連續(xù)噼啪響聲.卸載后由于GFRP構(gòu)件的彈性回縮，10塊試件的殘余變形均小于0.5 mm.

試驗(yàn)過程中試件主要有混凝土壓碎破壞和界面剝離破壞2種典型破壞形態(tài).由于GFRP構(gòu)件2側(cè)伸入混凝土板內(nèi)的倒L型肋對混凝土板的約束作用，因此試件破壞時(shí)釋放的能量對其產(chǎn)生巨大的作用力，從而使其及與其相連接的2側(cè)腹板發(fā)生破壞，各試件的破壞形態(tài)見表3.混凝土壓碎破壞(破壞形態(tài)Ⅰ)：加載到極限荷載時(shí)，一側(cè)加載板外側(cè)混凝土壓潰，同時(shí)此加載點(diǎn)處兩側(cè)GFRP腹板與翼板脫離并向外屈曲破壞，如圖5(a)所示.

界面剝離破壞(破壞形態(tài)Ⅱ)：加載到極限荷載時(shí)，一側(cè)加載板處混凝土側(cè)板先出現(xiàn)明顯的斜裂縫，裂縫迅速擴(kuò)展并沿板頂面貫通，接著與其相連的剪跨段混凝土板發(fā)生界面剝離破壞，而另一側(cè)試件沒有出現(xiàn)明顯開裂和界面剝離情況.界面剝離破壞表現(xiàn)為2種形態(tài)：僅混凝土板與連接界面剝離發(fā)生滑移破壞(記為破壞形態(tài)Ⅱa)，如圖5(b)所示；混凝土板與連接界面剝離發(fā)生滑移破壞、同時(shí)GFRP外側(cè)腹板與翼板脫離向外屈曲、剪切破壞(記為破壞形態(tài)Ⅱb)，如圖5(c)所示.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

各試件的參數(shù)及主要試驗(yàn)結(jié)果見表3.

2.1 荷載-撓度曲線

在加載過程中隨著荷載的增大, 試件撓度基本上呈線性增長，達(dá)到極限荷載時(shí)，構(gòu)件撓度達(dá)到最大值.試件的破壞是突然發(fā)生的，具有典型的脆性破壞特征.試件破壞時(shí)，構(gòu)件的變形較大，撓跨比遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTDG 62—2012)規(guī)定的1/600.加載結(jié)束后，在卸載過程中，由于GFRP構(gòu)件的彈性回縮，整個(gè)構(gòu)件的撓度逐漸變小，卸載結(jié)束后幾乎沒有殘余撓度.圖6和圖7給出了2種不同連接界面的各組合板試件的荷載-跨中撓度曲線.

表3 試件參數(shù)及主要試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Properties and test results of specimens

跨中撓度/mm (a) 混凝土板厚相同(h=100 mm)

跨中撓度/mm (b)混凝土強(qiáng)度等級相同(C40)圖6 試件(黏砂連接界面)荷載-跨中撓度曲線Fig.6 Load-deflection curves at mid-span section of specimens(sand-bonding interface)

跨中撓度/mm (a) 混凝土板厚相同(h=100 mm)

跨中撓度/mm (b)混凝土強(qiáng)度等級相同(C40)圖7 試件(濕黏結(jié)界面)荷載-跨中撓度曲線Fig.7 Load-deflection curves at mid-span section of specimens(wet-bonding interface)

2.2 應(yīng)變分析

圖8所示為組合板構(gòu)件混凝土頂板的加載點(diǎn)荷載-應(yīng)變曲線.試件的荷載-應(yīng)變曲線包括直線段和非直線段2部分：在加載初期圖形呈線性，隨著荷載的逐漸增大，圖形的非線性特性越來越明顯，直至構(gòu)件破壞.從表3和圖8中可看出，破壞形態(tài)為Ⅰ的試件(FCCD-1, FCCD-4, FCCD-6, FCCD-7, FCCD-9, FCCD-10)在破壞時(shí)混凝土頂板的壓應(yīng)變均超過了-2 500 με，最大為-3 245 με(試件FCCD-9)，已經(jīng)接近混凝土的極限壓應(yīng)變規(guī)范值-3 300 με，說明界面的抗剪連接性能較高；而破壞形態(tài)為Ⅱ的試件(FCCD-2, FCCD-3, FCCD-5, FCCD-8)在破壞時(shí)混凝土頂板的壓應(yīng)變均低于-2 500 με，最小僅為-1 136 με(試件FCCD-8)，遠(yuǎn)小于混凝土的極限壓應(yīng)變，說明試件的界面抗剪連接性能相對較低.

圖9為GFRP底板的荷載-跨中應(yīng)變曲線.從圖中可看出，所有試件在加載過程中GFRP底板的荷載-應(yīng)變曲線始終保持直線狀態(tài)，荷載與應(yīng)變之間是完全的彈性關(guān)系.這是因?yàn)镚FRP材料的抗拉強(qiáng)度較高，構(gòu)件在破壞時(shí)GFRP底板的縱向拉應(yīng)變(最大為5 515 με)遠(yuǎn)小于其極限拉應(yīng)變(14 100 με)，說明其強(qiáng)度性能沒有充分發(fā)揮并有待于進(jìn)一步研究.

應(yīng)變/με (a) 黏砂連接界面

應(yīng)變/με (b)濕黏結(jié)界面圖8 混凝土頂板加載點(diǎn)荷載-應(yīng)變曲線Fig.8 Load-strain curves of concrete deck top at loading point section

圖10所示為組合板試件跨中截面縱向應(yīng)變沿高度變化曲線.從圖中可看出，各試件在加載過程中縱向應(yīng)變沿截面高度始終呈線性變化，能夠滿足平截面假定.這表明組合板試件在加載過程中保持良好的整體工作性能，連接界面抗剪性能較高，界面間的滑移量很小.混凝土板厚為70 mm的試件(FCCD-1，F(xiàn)CCD-6)的連接界面基本上處于中性軸的位置，其余試件的連接界面位于中性軸的下方，使界面處的混凝土處于受拉狀態(tài)，且隨混凝土板厚的增大界面混凝土所受的拉力增大.

應(yīng)變/με (a) 黏砂連接界面

應(yīng)變/με (b)濕黏結(jié)界面圖9 GFRP底板荷載-跨中應(yīng)變曲線Fig.9 Load-strain curves at mid-span section of GFRP bottom

圖10 試件跨中截面應(yīng)變分布(圖中Pu為構(gòu)件的極限承載力)Fig.10 Strain distribution at mid-span section of specimens

3 試驗(yàn)結(jié)果對比分析

為和前期開展的GFRP-混凝土組合板構(gòu)件的試驗(yàn)結(jié)果[17]進(jìn)行對比，本試驗(yàn)構(gòu)件僅對連接界面進(jìn)行改變，而構(gòu)件的形狀、尺寸、材料特性及加載點(diǎn)位置均不改變.本次試驗(yàn)構(gòu)件的連接界面有黏砂連接和濕黏結(jié)2種，前期試驗(yàn)構(gòu)件連接界面為黏砂連接，2次試驗(yàn)的界面具體做法見本文中的試件制作.

為對比直觀，選取黏砂連接界面進(jìn)行2次試驗(yàn)結(jié)果對比，具體見表4.

從表4可看出，和前期試驗(yàn)構(gòu)件的試驗(yàn)結(jié)果相比，界面經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的試件在承載力和剛度上均有較大幅度的提高，說明經(jīng)優(yōu)化后的界面連接更為可靠，GFRP-混凝土組合板整體工作性能較好.

表4 2批試件試驗(yàn)的主要結(jié)果對比Tab.4 Comparison of test results of the two sets of tests

4 結(jié) 論

1)界面經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的GFRP-混凝土組合板試件，在試驗(yàn)加載過程中界面間出現(xiàn)的滑移值很小，具有良好的整體工作性能.

2)本文設(shè)計(jì)的GFRP-混凝土組合板試件具有較高的承載能力和良好的變形恢復(fù)能力.試件的破壞雖然為脆性破壞，但是在破壞前構(gòu)件的變形較大，因此，在進(jìn)行GFRP-混凝土組合板設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按正常使用極限狀態(tài)考慮，以變形為控制因素，從而使構(gòu)件具有較高的強(qiáng)度安全儲(chǔ)備.

3)試驗(yàn)表明，在界面連接可靠的情況下，增大混凝土板厚能有效提高GFRP-混凝土組合板構(gòu)件的承載力和剛度，提高混凝土強(qiáng)度等級僅能提高組合板構(gòu)件的承載力，而對構(gòu)件的剛度影響不大.但是增大混凝土板厚不僅使構(gòu)件的重量增加，而且可能造成組合板構(gòu)件的界面混凝土處于受拉的不利狀態(tài)，因此在進(jìn)行組合板設(shè)計(jì)時(shí)，在確定了混凝土強(qiáng)度等級后還應(yīng)將混凝土板厚控制在合理的范圍內(nèi).

4)本文設(shè)計(jì)的組合板試件在試驗(yàn)加載開始至破壞前能夠滿足平截面假定，在理論計(jì)算中可忽略界面滑移對結(jié)構(gòu)剛度及承載力的影響，認(rèn)為GFRP和混凝土協(xié)同工作.

5) 由于GFRP-混凝土組合板的破壞大多數(shù)受界面性能控制，高混凝土強(qiáng)度，厚混凝土板厚，以及FRP材料都有可能不能充分利用，因而設(shè)計(jì)中要綜合考慮.

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GUO Shihui1,2,3?, CAI Chunsheng1,4, ZHANG Jianren1, ZENG Xue1

(1.School of Civil Engineering and Architecture, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China;2. Department of Architecture, Nanyang Institute of Technology, Nanyang 473000, China;3. Key Laboratory of Safety Control for Bridge Engineering of Ministry of Education and HunanProvince, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China;4. Department of Civil and Environmental Engineering, Louisiana State University, Baton Rouge 70803, USA)

Reliable interface connections of composite decks are important for their structural performance. To promote engineering applications of GFRP-concrete bridge decks, both the distributed sand bonding interface and the wet epoxy resin bonding interface are considered in the present study. Previous GRFP-concrete interface details are also optimized based on the double-shear test results of the GFRP-concrete composite bridge deck. Ten specimens are manufactured and tested under static loading, and the test results are compared with the previous test results. The present study shows that, with the optimized GFRP-concrete interface, the deformation of the specimens agrees with the plane deformation assumption during the loading process. The specimens show good integrity and high load-carrying capacity as well as good capability in recovering their deformations. Although brittle failure modes are observed in the specimens, large deflections occur before failure, which give some failure warning and ensure relatively high reservation of strength safety.

GFRP-concrete composite deck; static tests; test analysis; interface connection; optimized interface

2016-09-04

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51229801)，National Natural Science Foundation of China(51229801); 國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃 (973計(jì)劃)項(xiàng)目(2015CB057701)，Major State Basic Research Development Program of China (973 Program) (2015CB057701 ); 長沙理工大學(xué)橋梁工程湖南省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目(14KA01),Open Fund of Hunan Province University Key Laboratory of Bridge Engineering(Changsha University of Science & Technology)(14KA01); 河南省基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究項(xiàng)目(152300410017)，Base and Cutting-edge Technology Research Projects of Henan(152300410017)

郭詩惠(1971-)，女，河南南陽人，長沙理工大學(xué)博士研究生，南陽理工學(xué)院副教授 ?通訊聯(lián)系人，E-mail:guoguo91@126.com

1674-2974(2017)03-0019-09

10．16339/j．cnki．hdxbzkb．2017．03．003

U443.31;U441

AStatic Experimental Study on Performance of GFRP-concrete Composite Bridge Deck with an Optimized Interface