一種新型復(fù)合材料步行板

呂文麗， 盧瑞林， 曾 智

(株洲時代新材料科技股份有限公司， 湖南株洲 412007)

0 前言

目前，鐵路橋梁橋面上使用的步行板主要是鋼筋混凝土或鋼制步行板?，F(xiàn)有步行板在使用過程中出現(xiàn)了很多問題，如質(zhì)量大、易碳化、易露筋、易斷裂等，嚴(yán)重危及人身安全；此外，鋼筋混凝土或鋼制步行板的后期維護困難、維護頻率高、運營成本高且影響線路正常營運[1-2]。

國內(nèi)外工程界對步行板進行了很多改進嘗試，如采用橡膠步行板代替鋼筋混凝土或鋼制步行板，采用復(fù)合材料制作混凝土T形梁人行道的步行板，但是都只是少量試用。橡膠步行板在環(huán)境溫度較高時，彈性模量顯著減小，在人行荷載作用下變形增大，使行人產(chǎn)生不安全感。傳統(tǒng)的復(fù)合材料步行板采用模壓工藝成型，模壓復(fù)合材料步行板的制作過程受溫度、模壓壓力、模壓時間等因素的影響，即使模壓復(fù)合材料步行板的原材料、結(jié)構(gòu)形式和尺寸完全相同，其質(zhì)量也難以保持統(tǒng)一;同一模壓復(fù)合材料步行板不同部位由于纖維含量不同,物理和力學(xué)性能也不同。另外，模壓設(shè)備投入較大，生產(chǎn)效率低[3-5]。

相比鋼筋混凝土或鋼制步行板，復(fù)合材料步行板的質(zhì)量可以減輕40%～85%。如果能夠以產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、輕質(zhì)高強、耐久性好的復(fù)合材料步行板代替鋼筋混凝土或鋼制步行板，同時保證復(fù)合材料步行板的標(biāo)準(zhǔn)化批量生產(chǎn)、簡便安裝，那么不僅能夠縮短步行板施工周期、保證施工質(zhì)量、減少養(yǎng)護維修工作量，甚至可以做到免維護，從而節(jié)省鐵路橋梁的生命周期成本[6-7]。

筆者根據(jù)現(xiàn)有鐵路橋梁步行板的需求，設(shè)計了一種拉擠工藝成型的新型復(fù)合材料步行板，并通過仿真分析計算及試驗驗證了該產(chǎn)品的安全性，為后續(xù)產(chǎn)品的批量應(yīng)用打下基礎(chǔ)[8-11]。

1 材料、結(jié)構(gòu)及工藝

玻璃纖維具有較高的力學(xué)性能，聚氨酯樹脂具有韌性好、固化快、無苯乙烯煙霧等優(yōu)點。為了增加復(fù)合材料步行板的橫向強度，增強材料采用玻璃纖維紗和玻璃纖維氈；基體材料則選用聚氨酯樹脂[12-13]。

拉擠成型工藝是玻璃纖維紗和玻璃纖維氈在外力牽引下，經(jīng)過液態(tài)樹脂浸膠、加熱固化、擠壓成型、定長切割等工序，連續(xù)生產(chǎn)線型制品的一種工藝方法。拉擠成型工藝的生產(chǎn)效率高，所得制品具有良好的沖擊強度、韌性及剪切性能，且制品結(jié)構(gòu)、尺寸、性能穩(wěn)定，因此選擇拉擠成型工藝生產(chǎn)步行板。

所設(shè)計的復(fù)合材料步行板為梳字形結(jié)構(gòu)，長度方向兩側(cè)結(jié)構(gòu)做加強處理。復(fù)合材料步行板幾何模型和產(chǎn)品截面示意圖分別見圖1和圖2。

圖2 復(fù)合材料步行板產(chǎn)品截面示意圖

2 技術(shù)要求

復(fù)合材料步行板的強度要求為安全系數(shù)≥3.4；剛度要求為復(fù)合材料步行板最外側(cè)的豎向撓度必須小于L/300=5 mm(L為復(fù)合材料步行板的跨距，為1 500 mm)。

3 仿真計算

3.1 邊界條件

復(fù)合材料步行板保持1 500 mm的跨距，長度方向兩端50 mm寬的區(qū)域固定。

3.2 載荷條件

3.2.1 強度校核

工況一：主力(自重+10 kPa均布載荷)。

工況二：主力(自重+1.5 kN豎向集中載荷，加載塊邊緣橫置(見圖3))+附加力(1.96 kN/m2向下風(fēng)載)。

圖3 復(fù)合材料步行板邊緣橫置加載區(qū)域

工況三：主力(自重+1.5 kN豎向集中載荷，加載塊邊緣縱置(見圖4))+附加力(1.96 kN/m2向下風(fēng)載)。

圖4 復(fù)合材料步行板邊緣縱置加載區(qū)域

3.2.2 剛度校核

工況四：自重+4.0 kPa均布載荷。

工況五：自重+1.5 kN豎向集中載荷，加載塊邊緣橫置(見圖3)。

工況六：自重+1.5 kN豎向集中載荷，加載塊邊緣縱置(見圖4)。

3.3 計算模型及數(shù)據(jù)

采用HyperMesh劃分網(wǎng)格，運用ABAQUS軟件進行有限元分析計算，所采用的單位系統(tǒng)為mm、N、MPa。

復(fù)合材料步行板有限元分析模型采用C3D8R單元，網(wǎng)格數(shù)共計402 300，詳細(xì)模型見圖5和圖6。

圖5 復(fù)合材料步行板整體網(wǎng)格模型

圖6 復(fù)合材料步行板局部網(wǎng)格模型

3.4 材料參數(shù)

復(fù)合材料步行板的性能參數(shù)見表1，其中：E為彈性模量；μ為泊松比；G為剪切模量；S為剪切應(yīng)力；下標(biāo)1為x方向，即纖維主方向；下標(biāo)2為y方向，即厚度方向；下標(biāo)3為z方向，即垂直于纖維主方向；XT為x方向的許用拉伸應(yīng)力；XC為x方向的許用壓縮應(yīng)力。

表1 復(fù)合材料步行板性能參數(shù)

3.5 強度計算結(jié)果

3.5.1 工況一

復(fù)合材料步行板在工況一載荷作用下x方向的主應(yīng)力云圖見圖7。由圖7可以看出：復(fù)合材料步行板x方向的最大主應(yīng)力為52.68 MPa，發(fā)生在復(fù)合材料步行板兩端固定處；對應(yīng)的設(shè)計許用壓縮應(yīng)力為732 MPa，安全系數(shù)為13.90，因此強度滿足設(shè)計要求。

圖7 工況一復(fù)合材料步行板x方向主應(yīng)力云圖

復(fù)合材料步行板在工況一載荷作用下的剪切應(yīng)力云圖見圖8。由圖8可以看出：復(fù)合材料步行板的最大剪切應(yīng)力為9.40 MPa，同樣發(fā)生在復(fù)合材料步行板兩端固定處;對應(yīng)的許用剪切應(yīng)力為59 MPa，安全系數(shù)為6.28，因此強度滿足設(shè)計要求。

圖8 工況一復(fù)合材料步行板剪切應(yīng)力云圖

3.5.2 工況二

復(fù)合材料步行板在工況二載荷作用下x方向的主應(yīng)力云圖見圖9。由圖9可以看出：復(fù)合材料步行板x方向的最大主應(yīng)力為45.02 MPa，發(fā)生在復(fù)合材料步行板兩端固定處;對應(yīng)的設(shè)計許用壓縮應(yīng)力為732 MPa，安全系數(shù)為16.23，因此強度滿足設(shè)計要求。

圖9 工況二復(fù)合材料步行板x方向主應(yīng)力云圖

復(fù)合材料步行板在工況二載荷作用下的剪切應(yīng)力云圖見圖10。由圖10可以看出：復(fù)合材料步行板的最大剪應(yīng)力為7.92 MPa，同樣發(fā)生在復(fù)合材料步行板兩端固定處;對應(yīng)的許用剪切應(yīng)力為59 MPa，安全系數(shù)為7.45，因此強度滿足設(shè)計要求。

圖10 工況二復(fù)合材料步行板剪切應(yīng)力云圖

3.5.3 工況三

復(fù)合材料步行板在工況三載荷作用下x方向的主應(yīng)力云圖見圖11。由圖11可以看出：復(fù)合材料步行板x方向的最大主應(yīng)力為65.70 MPa，發(fā)生在復(fù)合材料步行板兩端固定處;對應(yīng)的設(shè)計許用壓縮應(yīng)力為732 MPa，安全系數(shù)為11.14，因此強度滿足設(shè)計要求。

圖11 工況三復(fù)合材料步行板x方向主應(yīng)力云圖

復(fù)合材料步行板在工況三載荷作用下的剪切應(yīng)力云圖見圖12。

圖12 工況三復(fù)合材料步行板剪切應(yīng)力云圖

由圖12可以看出：復(fù)合材料步行板的最大剪應(yīng)力為11.16 MPa，同樣發(fā)生在復(fù)合材料步行板兩端固定處;對應(yīng)的許用剪切應(yīng)力為59 MPa，安全系數(shù)為5.29，因此強度滿足設(shè)計要求。

3.6 剛度計算結(jié)果

3.6.1 工況四

復(fù)合材料步行板在工況四載荷作用下的豎向撓度云圖見圖13。由圖13可以看出：復(fù)合材料步行板的最大豎向撓度為1.21 mm，小于5 mm，剛度滿足設(shè)計要求。

圖13 工況四復(fù)合材料步行板豎向撓度云圖

3.6.2 工況五

復(fù)合材料步行板在工況五載荷作用下的豎向撓度云圖見圖14。由圖14可以看出：復(fù)合材料步行板的最大豎向撓度為2.56 mm，小于5 mm，剛度滿足設(shè)計要求。

圖14 工況五復(fù)合材料步行板豎向撓度云圖

3.6.3 工況六

復(fù)合材料步行板在工況六載荷作用下的豎向撓度云圖見圖15。

圖15 工況六復(fù)合材料步行板豎向撓度云圖

由圖15可以看出：復(fù)合材料步行板的最大豎向撓度為3.43 mm，小于5 mm，剛度滿足設(shè)計要求。

4 剛度試驗驗證

復(fù)合材料步行板保持1 500 mm的跨距，長度方向兩端50 mm寬區(qū)域固定，在復(fù)合材料步行板居中位置放置100 mm×200 mm的加載塊，通過加載塊上表面豎向加載。加載工況區(qū)域選取仿真分析剛度試驗校核的極限工況，即按照剛度校核工況五(復(fù)合材料步行板邊緣縱置加載區(qū)域)進行加載(見圖16)。

圖16 步行板力學(xué)性能測試

在復(fù)合材料步行板加載區(qū)域反面布置3個縱向位移傳感器，采用1.0 kN荷載預(yù)壓，重復(fù)2次。正式開始試驗前，記錄傳感器初始讀數(shù)。然后以級差300 N進行加載，直至1.5 kN；每級載荷到位后，記錄傳感器讀數(shù)；最后一級載荷加載完成后，直接將載荷減為零，記錄傳感器讀數(shù)。如果載荷歸零后傳感器的讀數(shù)與初始讀數(shù)的差異過大，或者載荷-位移/應(yīng)變關(guān)系不呈線性變化，則該次試驗作廢并重新進行試驗。有效試驗重復(fù)進行3次，取3次試驗的平均值。

通過試驗測試，復(fù)合材料步行板產(chǎn)品無破壞，跨中最大豎向撓度為3.41 mm。

5 結(jié)語

通過仿真計算復(fù)合材料步行板的不同工況，復(fù)合材料步行板的強度和剛度均滿足設(shè)計要求。復(fù)合材料步行板的最小安全系數(shù)為5.29，大于3.4的技術(shù)要求，即強度滿足設(shè)計要求；復(fù)合材料步行板的最大豎向撓度為3.43 mm，小于5 mm的技術(shù)要求，即剛度滿足技術(shù)要求。

通過剛度試驗校核，復(fù)合材料步行板最大豎向撓度為3.41 mm，與仿真分析結(jié)果(3.43 mm)基本相符，證明了仿真分析結(jié)果的可靠性。

理論分析計算和試驗驗證結(jié)果表明所研究的新型復(fù)合材料步行板在實際使用工況下具有足夠的安全性。