橋梁有機(jī)玻璃縮尺模型粘結(jié)選用研究

邵明潔，李新生

(蘇州科技大學(xué)，江蘇 蘇州 215009)

有機(jī)玻璃是一種各向同性的均質(zhì)材料，由于其加工的模型占地空間小、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，常用于各種結(jié)構(gòu)模型靜力性能試驗(yàn)。很多高?；蚩蒲袡C(jī)構(gòu)研究橋梁構(gòu)在彈性工作狀態(tài)下的受力性能時(shí)常用有機(jī)玻璃縮尺模型進(jìn)行試驗(yàn)與分析。夏文傳[1]等人開(kāi)展了建立有機(jī)玻璃模型試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證大跨連續(xù)梁拱組合橋梁拱分擔(dān)比例研究；閆暢[2]等人基于不同的鉸縫高度的裝配式空心板制作有機(jī)玻璃模型，研究空心板橋受力性能；熊文亮[3]等人針對(duì)彎梁橋建立有機(jī)玻璃模型，結(jié)合Ansys進(jìn)行抗傾覆性能研究，得到相關(guān)參數(shù)的變化規(guī)律；張曉東[4]等人通過(guò)有機(jī)玻璃模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究裂縫對(duì)簡(jiǎn)支梁應(yīng)力分布的影響，最終得出隨裂縫深度增加而增大等，使有機(jī)玻璃縮尺模型試驗(yàn)得到了廣泛應(yīng)用。

目前，有機(jī)玻璃加工模型方法大致采用兩種：(1)采取小節(jié)段(例：間距2 cm)的模型進(jìn)行連接；(2)采取分離式組裝進(jìn)行連接，(例：箱梁模型分別加工頂板、腹板和底板，采用粘結(jié)劑進(jìn)行連接)。

對(duì)于比較復(fù)雜的箱梁截面，如斜腹板，這種結(jié)構(gòu)不能一次加工而成，需要進(jìn)行分塊連接。為使模型分塊之間連接性能滿足傳力效果，滿足試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果的精度和準(zhǔn)確性，從而對(duì)分塊之間的連接方法、手段進(jìn)行研究非常必要。

1 模型試驗(yàn)

1.1 模型設(shè)計(jì)與制作

選定蘇州高新區(qū)天池山互通改造工程跨太湖大道J匝道第二聯(lián)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋的大懸臂魚(yú)腹形箱型橋梁截面為依托，將原型斷面按幾何比尺1/50縮小，采用激光數(shù)字雕刻機(jī)加工而成。本次采用其中2 cm的一小節(jié)段進(jìn)行研究，箱梁縮尺模型需要進(jìn)行粘接而成，選用有機(jī)玻璃專(zhuān)用溶劑“氯仿”、植筋膠和環(huán)氧樹(shù)脂膠；其中模型為總寬310 mm，梁高34 mm，頂板、腹板、底板厚度為5 mm的魚(yú)腹形箱型截面。箱梁橫斷面模型如圖1所示。

圖1 小節(jié)段模型圖

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

本次試驗(yàn)采用電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，最大試驗(yàn)力可達(dá)到10 kN；應(yīng)變片采用中航BE120-5AA-P200；應(yīng)變采集系統(tǒng)采用東華測(cè)試DH2893；標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)溫度為20 ℃±2 ℃，相對(duì)濕度為50%±5%。

1.3 材料性能試驗(yàn)

單向拉伸試驗(yàn)裝置如圖2所示，試件的兩端固定在拉伸機(jī)上，在試件的正反兩面各貼一對(duì)縱向和橫向應(yīng)變片，施加0.1 kN的拉力，每隔1 min記錄一次應(yīng)變讀數(shù)，來(lái)測(cè)定有機(jī)玻璃的彈性模量E和泊松比U值。

圖2 拉伸試驗(yàn)機(jī)

在標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)溫度下，測(cè)得的應(yīng)變數(shù)據(jù)如表1、表2所示，根據(jù)公式可得彈性模量E和泊松比U分別為

表1 拉伸試驗(yàn)縱向應(yīng)變測(cè)試結(jié)果

表2 拉伸試驗(yàn)橫向應(yīng)變測(cè)試結(jié)果

E=σ/ε

(1)

U=-ε′/ε

(2)

由拉伸試件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，該有機(jī)玻璃材料在受力12 min后的應(yīng)變相對(duì)穩(wěn)定，可由此時(shí)的應(yīng)變值計(jì)算彈性模量和泊松比，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 拉伸試驗(yàn)結(jié)果匯總表

故此次拉伸試驗(yàn)所采用的有機(jī)玻璃材料，在室溫20±2 ℃下的彈性模量E=2.25×109Pa，泊松比U=0.45。

1.4 加載試驗(yàn)

采用電子式萬(wàn)能儀器進(jìn)行加載，按照0.5 mm/min的加載速率，在跨中施加荷載P，每間隔0.05 kN讀取一次力、變形和應(yīng)變數(shù)據(jù)，加載至最大荷載P至0.1 kN試驗(yàn)結(jié)束。試驗(yàn)加載裝備如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)加載儀器

圖4 加載數(shù)據(jù)控制器

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 有機(jī)玻璃模型受力性能試驗(yàn)

通過(guò)采用剛臂處理的midas單元(如圖5所示)進(jìn)行有機(jī)玻璃材料模型數(shù)據(jù)分析，與有機(jī)玻璃模型實(shí)測(cè)得5點(diǎn)應(yīng)力數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表4。

圖5 桿系單元模型劃分圖

表4 有機(jī)玻璃原料模型與桿系、平面應(yīng)力單元分析應(yīng)力數(shù)據(jù)結(jié)果

故有機(jī)玻璃縮尺模型試驗(yàn)所測(cè)得5點(diǎn)應(yīng)力與midas單元應(yīng)力結(jié)果誤差小于5%，驗(yàn)證有機(jī)玻璃模型試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確度，保證了數(shù)據(jù)的可靠性。

2.2 粘結(jié)試件受力性能試驗(yàn)

本試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀捎谑亲孕星懈畹哪Ｐ?，存在連接面有缺口、不平滑現(xiàn)象，分別選用植筋膠、環(huán)氧樹(shù)脂膠和亞克力膠三種膠水進(jìn)行粘結(jié)，試件如圖6所示，將試件置于電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上對(duì)跨中進(jìn)行加載，測(cè)得5點(diǎn)應(yīng)力值如表5所示。

表5 粘結(jié)試件最大加載力下的應(yīng)力與原材數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果

圖6 有機(jī)玻璃粘結(jié)試件

由上述數(shù)據(jù)可知，從加載力和跨中最大應(yīng)力來(lái)看，環(huán)氧樹(shù)脂膠優(yōu)于亞克力膠、 優(yōu)于植筋膠，選擇環(huán)氧樹(shù)脂膠更為可靠； 從傳力效果來(lái)看， 三種膠水的粘結(jié)試件與原材在相同加載力下的應(yīng)力做對(duì)比，環(huán)氧樹(shù)脂膠更好一些。

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)有機(jī)玻璃材料性能試驗(yàn)和有機(jī)玻璃粘結(jié)試件的傳力性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)合桿系單元、平面應(yīng)力單元分析進(jìn)行驗(yàn)證，得到以下結(jié)論。

(1)測(cè)得本次使用的有機(jī)玻璃的彈性模型E=2.25×109Pa，泊松比U=0.45。

(2)有機(jī)玻璃的材料性能受溫度影響較大，在試驗(yàn)過(guò)程中，應(yīng)維持室溫在同一溫度下。

(3)所涂膠水的厚度和最大加載力數(shù)值成正比，要保證粘結(jié)質(zhì)量后再進(jìn)行模型試驗(yàn)。

(4)通過(guò)對(duì)不同膠水的傳力效果測(cè)試，在連接面存在缺口等綜合考慮下，使用環(huán)氧樹(shù)脂膠進(jìn)行粘結(jié)效果最好。