新型玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料
——輕木夾心橋面板概念、設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證

李春生， 周興黨， 高雁波， 顏美 編譯

(1.云南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司， 云南 昆明 650041； 2.云南省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院)

玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Glass Fiber-Reinforced Polymer，GFRP)在橋面板中具有良好的應(yīng)用前景。玻璃復(fù)材橋面板有耐腐蝕及輕質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)，且可快速安裝和替換現(xiàn)有的重混凝土橋面板從而實(shí)現(xiàn)橋面加寬或升級(jí)。玻璃復(fù)材橋面板有兩種基本形式：① 由拉擠型材膠結(jié)組成的正交異性橋面板；② 夾心橋面板。與前者相比，夾心橋面板具有優(yōu)越的幾何協(xié)調(diào)性，能適應(yīng)較大跨度或斜交的橋面結(jié)構(gòu)。夾心橋面板通常由上下表層和中間的蜂窩或泡沫夾心組成。使用泡沫夾心時(shí)，一般需要設(shè)置額外的玻璃復(fù)材腹板來(lái)提高夾心層的抗剪承載力。然而，不管是蜂窩還是泡沫夾心，腹板對(duì)上表層提供的支撐剛度都不均勻，從而容易造成高頻輪載下上表層與夾心層間的剝離。

為同時(shí)達(dá)到足夠的抗剪承載力和均勻的上表層支撐，Keller設(shè)計(jì)了一種使用輕型混凝土夾心的玻璃復(fù)材-混凝土組合橋面板。另外一種能滿足抗剪要求的可選夾心材料則是輕木；其中，木材纖維方向與上表層主向相垂直。

基于輕木優(yōu)越的力學(xué)性能，該文提出一種玻璃復(fù)材-輕木夾心橋面板結(jié)構(gòu)，并應(yīng)用于一座位于瑞士貝克斯橫跨阿旺松河流的橋梁。該文介紹這種新型橋面板的概念、設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 阿旺松橋的設(shè)計(jì)和施工

1.1 背景和橋梁尺寸

建于1900年橫跨瑞士貝克斯阿旺松河流的一座混凝土老橋因嚴(yán)重的腐蝕問(wèn)題亟需更新替換。替換后，11.45 m跨橋梁的橋?qū)捰稍瓉?lái)的5.3 m增加到7.5 m，從而實(shí)現(xiàn)單車道至雙車道的擴(kuò)展。根據(jù)瑞士SIA 261標(biāo)準(zhǔn)，新橋的車輛荷載需從280 kN增加到400 kN。由于該橋位于山區(qū)且是通向貝克斯后山谷的唯一途徑，因施工造成的交通阻斷須最小化；因此，原有6 m高、且未被腐蝕的石頭承臺(tái)需要保留。但由于承臺(tái)承載能力的限制，新橋中因車道擴(kuò)展造成的車載增加需通過(guò)使用輕型上部結(jié)構(gòu)來(lái)彌補(bǔ)。另外，設(shè)計(jì)中還需考慮幾何約束因素，如65°的橋面斜交角和8%的縱坡。為簡(jiǎn)化后期維護(hù)，設(shè)計(jì)中采用了不帶伸縮縫的半整體式方案，即瀝青鋪裝層從承臺(tái)連續(xù)至橋面。

1.2 橋梁結(jié)構(gòu)概念和細(xì)節(jié)

通過(guò)不同結(jié)構(gòu)、材料和施工方案的對(duì)比研究表明：輕質(zhì)夾心橋面板與兩根縱向鋼主梁進(jìn)行黏結(jié)是最佳方案。

橋面板的主跨方向是橋梁橫向；但在橋梁縱向，橋面板也相當(dāng)于鋼主梁的上弦。橋面板的主要尺寸如下：鋼主梁間的跨度為3.9 m，懸挑1.8 m，橋面板厚285 mm，重量160 kg/m2(只有類似混凝土橋面板的1/4)。

兩根高650 mm、寬400 mm的工字型鋼主梁兩端嵌入橋梁承臺(tái)內(nèi)。氯丁橡膠帶橫梁為橋面板的橫向邊緣提供了非黏結(jié)支撐；邊緣的轉(zhuǎn)角和平面內(nèi)位移符合連續(xù)橋面鋪裝施工的標(biāo)準(zhǔn)要求。這種半整體式的結(jié)構(gòu)構(gòu)造見圖1。橫梁安裝完成后再現(xiàn)澆過(guò)渡板，從而避免給鋪裝層造成剛度不連續(xù)的支撐。

圖1 橋臺(tái)構(gòu)造(單位：mm)

施工現(xiàn)場(chǎng)，60 mm厚的瀝青層在120 ℃的中等溫度下進(jìn)行鋪裝，即小于樹脂的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)。橋面板表面在工廠加工時(shí)已添加了一層黏結(jié)保護(hù)層，因此不需要額外的保護(hù)措施。防護(hù)欄錨固于夾心板內(nèi)。與傳統(tǒng)混凝土橋面板相比，玻璃復(fù)材橋面板邊緣構(gòu)造簡(jiǎn)潔，因此幾乎不需要后期維護(hù)。

1.3 制造和施工

85 m2的橋面板由3塊相似尺寸的板拼裝組成；這些板在工廠由真空浸漬工藝加工而成。3塊梯形板之間的連接接頭與承臺(tái)邊緣平行。新的上部結(jié)構(gòu)在原橋址的邊上現(xiàn)場(chǎng)組裝，程序如下：先安裝兩根鍍鋅鋼主梁，澆筑混凝土橫梁，然后安裝3塊板并與鋼主梁黏結(jié)，最后在3塊板間的接頭處注入環(huán)氧膠進(jìn)行連接。舊橋拆除及橋臺(tái)準(zhǔn)備工作完成后，新的上部結(jié)構(gòu)由起重機(jī)整體吊裝到位。

因施工造成的交通中斷持續(xù)共10 d。其中，舊橋拆除耗時(shí)2 d，新橋安裝耗時(shí)3 h。剩下時(shí)間用于過(guò)渡板的澆筑及兩邊道路的重建和加寬。與現(xiàn)澆混凝土橋相比，交通中斷時(shí)間縮短了近40 d(節(jié)省約80%的時(shí)間)。

2 玻璃復(fù)材夾心橋面板構(gòu)造

2.1 概念、使用材料和加工工藝

夾心板由上下兩層22 mm厚的玻璃復(fù)材表層和241 mm厚的輕木心組成。玻璃纖維呈正交異性布置：沿橋梁縱向和橫向的纖維(0°)約分別占25%和75%，因此，兩個(gè)方向的平均纖維體積含量為55%?；w選用了耐化學(xué)性、耐久性、易于塑化且價(jià)格相對(duì)較低的乙烯基樹脂。玻璃復(fù)材表層在組成板的連接處采用斜接連接。

輕木夾心的纖維方向與表層垂直，能提供足夠的抗凹陷和抗剪強(qiáng)度。為減小這種自然木材的材料變異性，采用了由薄層木板通過(guò)膠黏而成的單板層積結(jié)構(gòu)(LVL)。輕木心平均密度為250 kg/m3，即只有鋼筋混凝土的1/10。玻璃復(fù)材表層和LVL輕木心的材料屬性如表1、2所示。

表1 玻璃復(fù)材層材料屬性(x=0°, y=90°)

注：a為彈性極限；b為塑性極限；*為加工廠提供。

表2 LVL輕木心材料屬性

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)主要參考了與歐洲Eurocode標(biāo)準(zhǔn)理念一致的瑞士SIA標(biāo)準(zhǔn)。正常使用和承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)(SLS和ULS)采用部分安全系數(shù)法，即分別考慮荷載和材料安全系數(shù)。對(duì)于荷載部分，荷載組合和對(duì)應(yīng)安全系數(shù)基于瑞士標(biāo)準(zhǔn)SIA 260和SIA 261確定。輕木的材料安全系數(shù)選取基于SIA 265。由于瑞士和歐洲標(biāo)準(zhǔn)均沒有針對(duì)玻璃復(fù)材的相關(guān)規(guī)定，其安全系數(shù)的選取參考了與歐洲標(biāo)準(zhǔn)理念一致的德國(guó)BüV和歐洲Eurocomp 標(biāo)準(zhǔn)。

在承載能力極限狀態(tài)(ULS)下，BüV標(biāo)準(zhǔn)中設(shè)計(jì)抗力Rd計(jì)算如下：

(1)

式中：Rk為抗力的特征值(5%分位數(shù))；γm為材料系數(shù)(層和板取1.2，連接接頭取1.5)；系數(shù)A考慮了3種參數(shù)：A1為荷載持續(xù)時(shí)間(短期和長(zhǎng)期)；A2為環(huán)境腐蝕；A3為溫度。

健康宣教知曉率問(wèn)卷調(diào)查內(nèi)容包括：（1）疾病知識(shí)；（2）藥物使用知識(shí)；（3）規(guī)范治療重要性；（4）消毒隔離知識(shí)；（5）藥物的不良反應(yīng)；（6）生活方式改變；完成上述6項(xiàng)表示完全知曉，如果只是做到前五項(xiàng)屬于部分知曉，否則屬于不知曉，知曉率=完全知曉率+部分知曉率。研究結(jié)果顯示，對(duì)照組健康宣教知曉率80%，低于觀察組98%，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），見表2。

在正常使用能力極限狀態(tài)(SLS)下，層和板應(yīng)變、撓度設(shè)計(jì)需考慮蠕變和系數(shù)A(但γm=1.0)。參考BüV，剛度設(shè)計(jì)采用彈模和剪切模量的平均值，而非特征值。彈性應(yīng)變最大容許設(shè)計(jì)值為0.20%(BüV)，短期和長(zhǎng)期效應(yīng)下橋面板最大容許撓度分別為跨度的1/500和1/700(SIA 260)。兩種極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)采用的材料系數(shù)(已包括系數(shù)A)，如表3所示。由于BüV標(biāo)準(zhǔn)沒有對(duì)層合板的疲勞特性作相關(guān)規(guī)定，選取了Eurocomp標(biāo)準(zhǔn)中的附加抗力系數(shù)γm,fat=1.5。

使用Ansys有限元程序?qū)φ麡蜻M(jìn)行三維模擬分析。橋面板的整體驗(yàn)算采用了層合殼單元，而膠結(jié)處局部分析采用了實(shí)體單元，得到了不同方向的橋面板軸力設(shè)計(jì)值EN,d、彎矩設(shè)計(jì)值EM,d和剪力設(shè)計(jì)值EV,d。承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算考慮了其組合效應(yīng)。假設(shè)玻璃復(fù)材表層主要承擔(dān)彎矩和軸力，而輕木心承擔(dān)剪力，表層和夾心層的驗(yàn)算分別使用式(2)、(3)：

表3 阿旺松橋設(shè)計(jì)采用的材料系數(shù)

(2)

(3)

式中：R為抗力；x、y、z分別為平面內(nèi)相互垂直的兩個(gè)方向和平面外方向。

玻璃復(fù)材表層的彎矩和軸力抗力值由第一層達(dá)到最大應(yīng)力準(zhǔn)則出現(xiàn)破壞時(shí)的應(yīng)力分布所決定。由于層合板橫向強(qiáng)度驗(yàn)算更為關(guān)鍵，輕木在垂直于纖維方向的軸向應(yīng)力小于其強(qiáng)度。另外，夾心抗剪承載力的計(jì)算則基于輕木的抗剪強(qiáng)度和沿厚度方向剪應(yīng)力均勻分布的假設(shè)。

縱向橋面板和主梁的膠黏連接設(shè)計(jì)，在板與板膠黏連接相垂直的方向，假設(shè)接頭的承載能力與相關(guān)的足尺梁試驗(yàn)結(jié)果一致。橋梁縱、橫向的撓度以及橋面板邊緣撓度通過(guò)有限元模型計(jì)算得到。橫向撓度在SLS狀態(tài)下達(dá)到極限值，即跨長(zhǎng)的1/500。

3 試驗(yàn)研究

3.1 概述

為了驗(yàn)證橋面板的組成板之間橫向膠結(jié)接頭設(shè)計(jì)的合理性，對(duì)兩個(gè)足尺梁進(jìn)行了疲勞和準(zhǔn)靜載試驗(yàn)，并加載至破壞。兩根梁的Z字形膠結(jié)接頭均位于跨中。B1梁中，Z字形膠結(jié)接頭的豎向部分與上下底板呈70°夾角，而B2梁中呈90°，見圖2。

圖2 兩種連接方式(單位：mm)

B1梁的設(shè)計(jì)與最終橋面板設(shè)計(jì)相差較大，而B2梁則是基于B1的改進(jìn)設(shè)計(jì)，與最終的橋面板設(shè)計(jì)基本一致。兩根梁的夾心部分都是由塊狀輕木拼裝而成，而最終設(shè)計(jì)中LVL構(gòu)造的選取則是基于后續(xù)的詳細(xì)材性試驗(yàn)。另外，將護(hù)欄固定于橋面板的設(shè)計(jì)也通過(guò)足尺試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。試驗(yàn)中，水平力施加在距離橋面板0.7 m高的桿端；破壞發(fā)生在固定處而橋面板仍保持完好。

3.2 小尺寸試驗(yàn)

對(duì)4根845 mm跨度夾心梁(構(gòu)造與上述梁相同)進(jìn)行了四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)；對(duì)于夾心部分，其中兩根梁采用橫切面的塊狀構(gòu)造，而另外兩根則采用LVL構(gòu)造。對(duì)這些梁進(jìn)行了1 000萬(wàn)次疲勞加載；疲勞荷載幅對(duì)應(yīng)SIA 265規(guī)定的輕木疲勞極限強(qiáng)度值(0.7 MPa，即30%的抗剪強(qiáng)度)。所有梁均未出現(xiàn)早期破壞或剛度和強(qiáng)度折減。

4 分析及討論

4.1 材料系數(shù)

阿旺松橋梁的設(shè)計(jì)參考了德國(guó)BüV標(biāo)準(zhǔn)。SLS和ULS狀態(tài)設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的材料系數(shù)見表3。此節(jié)對(duì)采用此標(biāo)準(zhǔn)的合理性及其對(duì)橋梁設(shè)計(jì)的影響進(jìn)行了討論。其他可參考的標(biāo)準(zhǔn)有歐洲Eurocomp，英國(guó)BD 90/05和荷蘭CUR 96+。

在所有參考標(biāo)準(zhǔn)中，材料系數(shù)(也稱抗力系數(shù))可進(jìn)一步劃分成幾個(gè)子系數(shù)或計(jì)入附加因素或轉(zhuǎn)換系數(shù)，見表4和式(1)(BüV標(biāo)準(zhǔn))；第一列列舉了影響材料性能的各種子系數(shù)，包括：參數(shù)來(lái)源(來(lái)自材料手冊(cè)或試驗(yàn))、纖維和基體類型(特別是后者的固化程度)、加工工藝(手糊或全自動(dòng)化成型，如拉擠)、荷載持續(xù)(包括荷載和時(shí)間相關(guān)的抗力和剛度)、疲勞及環(huán)境影響(如溫度和濕度)。另外，有些文件也規(guī)定了接頭設(shè)計(jì)時(shí)所需考慮的系數(shù)。

表4 計(jì)算材料系數(shù)時(shí)考慮的因素

注：HDT為加熱變形溫度；UV為紫外線；G為玻璃纖維；C為碳纖維；A為芳綸纖維。

ULS狀態(tài)下，抗力可通過(guò)Eurocomp和CUR 96+提出的式(4)、(5)計(jì)算；其中，子系數(shù)和轉(zhuǎn)換系數(shù)參見表4，且常需同時(shí)考慮多個(gè)系數(shù)。SLS狀態(tài)下(如彈性模量)也需考慮子系數(shù)；其中，第一個(gè)系數(shù)通常等于1.0[γm(BüV) =γm(CUR 96+)=1.0]，但在Eurocomp中，γm(SLS)=γm(ULS)>1.3。

(4)

(5)

為比較不同的系數(shù)選取對(duì)橋梁設(shè)計(jì)可能產(chǎn)生的影響，阿旺松橋橋面板玻璃復(fù)材表層在ULS和SLS狀態(tài)下參考不同標(biāo)準(zhǔn)所選取的材料系數(shù)如表5所示。宏觀對(duì)比看，參考不同標(biāo)準(zhǔn)所得結(jié)果差距顯著，例如SLS狀態(tài)下永久荷載系數(shù)取值從1.50(BüV和CUR 96+)增加到3.45(Eurocomp)。但對(duì)于最常見的關(guān)鍵設(shè)計(jì)，系數(shù)的變化則相對(duì)較小，例如橋面板在車載作用下的撓度驗(yàn)算(阿旺松橋也是關(guān)鍵設(shè)計(jì)之一)，系數(shù)只從1.10(CUR 96+)增加到1.56(BD 90/05)。因此，按BüV標(biāo)準(zhǔn)采用的1.50處于較高的安全區(qū)域。

表5 阿旺松橋梁設(shè)計(jì)可采用的不同材料系數(shù)對(duì)比

阿旺松橋的第二個(gè)關(guān)鍵在于車載下層合板在垂直于0°橋面板邊緣的90°鋪層方向的橫向強(qiáng)度設(shè)計(jì)。對(duì)應(yīng)系數(shù)為2.64，即遠(yuǎn)高于Eurocomp的1.50和CUR 96+的1.70。另外，輕木心的疲勞設(shè)計(jì)比玻璃復(fù)材層合板更為關(guān)鍵。因此，參考不同標(biāo)準(zhǔn)選取的材料系數(shù)組合，其安全性從低到高分別為CUR 96+，Eurocomp，BüV和BD 90/05；其中，最后兩種情況的安全級(jí)別相近。若參考CUR 96+標(biāo)準(zhǔn)，阿旺松橋的表層板厚度可減小，從而大幅降低材料費(fèi)用。但如果在彈性模量和剪切模量均采用平均值而非特征值的情況下，SLS設(shè)計(jì)仍選取1.10的材料系數(shù)則太為激進(jìn)?？紤]到這是第一個(gè)應(yīng)用這種新型橋面板的案例，最終采用了更為保守的BüV標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 連接構(gòu)造的改進(jìn)設(shè)計(jì)

B1梁連接接頭的安全系數(shù)只有3.0，低于表3中的規(guī)定值3.30，但B2梁的安全系數(shù)(9.5)則遠(yuǎn)高于這個(gè)規(guī)定值。前者低值主要?dú)w因于：① B1梁接頭構(gòu)造會(huì)導(dǎo)致明顯偏心，產(chǎn)生較大的沿厚度方向的拉(剝離)應(yīng)力，從而導(dǎo)致底部搭接部分易出現(xiàn)較早的初始破壞；② B2梁的接頭連接采用樹脂注入法，可提高接頭的整體質(zhì)量。另外，B2的接頭構(gòu)造不需要輕木心的機(jī)械加工。

B2梁破壞時(shí)，接頭部分的彎矩為190×1.43/0.6=453 kN·m/m，對(duì)應(yīng)的表層軸向力為453/0.265=1 710 kN/m?；诒?中的平均強(qiáng)度及考慮平面應(yīng)變分布和彈性變形，計(jì)算得到表層的強(qiáng)度為3 150 kN/m。因此，接頭的抗彎承載力為整體梁結(jié)構(gòu)抗彎承載力的54%。類似地，接頭的抗剪承載力為輕木心的43%(190/445 kN)。

5 結(jié)論

描述了位于瑞士貝克斯的阿旺松橋的概念、設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：

(1) 采用玻璃復(fù)材夾心橋面板與鋼梁黏結(jié)的施工方式將交通阻隔時(shí)間減少了近40 d，節(jié)省了約80%的時(shí)間，并實(shí)現(xiàn)雙車道的擴(kuò)展，從而證明了所提出橋梁方案的優(yōu)勢(shì)。

(2) 半整體式設(shè)計(jì)可省去伸縮縫設(shè)置，實(shí)現(xiàn)瀝青層從橋臺(tái)到橋面的連續(xù)鋪裝，從而簡(jiǎn)化和減少了后期維護(hù)。

(3) 玻璃復(fù)材表層和LVL輕木心組成的夾心組合橋面板可節(jié)省加工成本，并同時(shí)滿足正常使用和承載能力極限狀態(tài)及疲勞性能要求。

(4) 同樣使用膠黏結(jié)的情況下，斜接接頭性能優(yōu)于搭接；前者減少了偏心且可通過(guò)樹脂注入工藝提高接頭質(zhì)量。

(5) 橋面板設(shè)計(jì)尺寸很大程度上取決于參考的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)于阿旺松橋的案例，德國(guó)BüV和英國(guó)BD 90/05標(biāo)準(zhǔn)分別提供了最保守的抗力或材料系數(shù)，而荷蘭CUR 96+標(biāo)準(zhǔn)則最不保守，另外，歐洲Eurocomp標(biāo)準(zhǔn)則介于兩者之間。對(duì)于剛度設(shè)計(jì)，材料系數(shù)選取會(huì)影響橋面板的構(gòu)造和材料用量。

——編譯自：Keller T., Rothe J., De Castro J. Osei-Antwi M. GFRP-Balsa Sandwich Bridge Deck: Concept, Design, and Experimental Validation[J].J.Compos Constr., 2014,18(2).