FRP桥面板结构特点与实例

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第29卷第1期2005年2月南京理工大学学报

JournalofNanjingUniversityofScienceandTechnologyVol.29No.1

Feb.2005

FRP桥面板结构特点与实例

万　水

,胡　红,周荣星

(1.东南大学交通学院,江苏南京210096;2.东华大学纺织学院,上海210051)

摘　要:该文分析比较了目前国际上广泛应用的2类FRP桥面板———拉挤型材黏合结构FRP桥面

板和夹芯FRP桥面板的结构特点,并以欧洲第一座复合材料高速公路桥WestMill桥为例,对FRP桥面板的力学特性、结构优化和加工工艺等进行了详细的介绍和分析。关键词:复合材料;桥面板;桥梁结构中图分类号:U441　　文献标识码:A　　文章编号:1005-9830(2005)01-0017-05

StructuralCharacteristicsofFRPBridgeDecksandIts

ApplicationInstanceinBridgeEngineering

WANShui,HUHong,ZHOURong2xing

(1.TransportationCollege,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China;2.CollegeofTextile,DonghuaUniversity,Shanghai210051,China)

Abstract:Differentstructuralcharacteristicsbetweensandwichdeckandbondedpultrudeddeck,whicharetwomajortypesofFRPbridgedecksintheworld,arecomparedandanalyzed.ThestructureandtheFRPdeckoftheWestMillbridge,thefirstexpresswayFRPbridgeinEurope,isintroduced.Theme2chanicalproperty,design,manufactureandoptimizationoftheFRPbridgedeckarediscussed.Keywords:compositematerials;bridgedeck;bridgestructure

　　目前,国际上通常采用玻璃纤维增强复合材

[1-3]

料(GFRP)制造桥面板。普通的纤维增强复合材料(FRP)桥面板产品的面密度为75～110kg/m,是传统桥面板的1/3～1/4,价格为混凝土桥面

成组合结构,但这种结构存在生产成本较高,结构的连接和固定性能差等缺点。拉挤型材具有可以连续生产,生产效率高,原材料浪费少,整体性和截面形状一致性好,型材长度不受限制等优点,是目前国际上主要采用的桥面板结构形式。但生产拉挤型材的设备初期投资十分昂贵,且型材截面形状和尺寸受到设备限制。

板的3～4倍,钢桥板的2倍。在HS20级荷载的作用下,桥板最大变形为L/450～L/1300,L为桥梁跨径。生产FRP桥面板结构有多种方法:如拉挤成型工艺,手糊开模成型工艺,真空辅助树脂转移模塑成型法等。纤维增强复合材料桥面板的基本结构主要有2种形式:一种是夹芯板结构;另一

[4]

种是拉挤型材黏合结构。夹芯板结构可设计性好,可设计制造各种不同厚度、不同截面形状尺寸及不同强度要求的桥面板,尤其是可以方便地形

　收稿日期:2003-07-02

1　拉挤型材黏合结构FRP桥面板

拉挤型材黏合结构FRP桥面板产品性能可

靠,强度高(设计应变比AASHTO中规定的还小20%),面密度小(约为混凝土桥板的20%～

3作者简介:万水(1960-),男,四川人,博士,教授,主要研究方向:结构动力学,E2mail:wanshui60421@yahoo.com。

南　京　理　工　大　学　学　报第29卷第1期

40%),截面低(为混凝土板的80～90%),抗疲劳

　　Duraspan桥面板由MartinMariettaCompositesInc公司生产,它由挤成0.305m宽梯形截面的拉挤

型材(包括2个梯形管)和拉挤板(2块表面板)黏

和抗腐蚀性能好,施工方便,安装快捷,因此得到

[4]

了广泛应用。目前,国外已经有多种不同截面形式的FRP拉挤型材桥面板产品,主要产品及其性能见表1。CreativePultrusionsInc(CPI)公司开发的Superdeck由仿蜂巢状的双梯形/六边形拉挤型材粘接而成(见图1),采用了三轴向E型玻璃纤维增强织物。在俄亥俄州的LaurelLick桥、WickwireRun桥、ShawneeCreek桥和SalemAvenue桥等工程实践中都采用了这种桥面板。该桥面板设计符合AASHTOHS225荷载等级,结构设计时力求在安全承载的情况下使质量达到最小,拉挤型材的2个结合面均涂聚氨酯以增加黏结性。采用聚氨酯是因为这种材料具有很好的抗剥离性能、吸收能性和抗疲劳性。施工时,在桥面板的表面铺了约10mm厚的聚合物混凝土铺装层。破坏和疲劳试验表明,这种结构的桥面板具有很好的

[6]

结构强度和抗疲劳特性;试验还表明,用玻璃纤维增强复合材料制造的桥面板刚度小,造成挠度过大,会引起面板桥面的过早破坏,并会影响黏结效果,其破坏机理为:首先在加载局部区域的腹板发生屈曲,然后在加载区的两边扩展开来,在腹板和翼板的交界处发生破坏。这是由于在腹板和翼板的交界凹角区域存在较大的应力集中。

[5]

接而成,如图2所示。Duraspan桥面板采用了由JohnstonIndustriesInc(JII)公司提供的三轴向和四轴向增强的E型玻璃纤维织物以及由ACC(AshlandChemicalCo)和Reichhold公司提供的注射用聚酯树脂。面板在满足AASHTOHS25标准的挠度要求下,力求用料最少。俄亥俄州的DARPATask16桥和FirstAll2Composite桥,加里佛尼亚州的King’sStormwaterChannel桥和SchulyerHeimLift桥,纽约州的Route418Truss桥都采用了这种桥面板。Strongwell公司生产的桥面板由单向纤维拉挤方形管和平板组成,如图3所示。该桥面板的厚度可以随方形管的尺寸变化而调整,在美国,应用Strong2

[4]

well桥面板的工程已有10多处。

图2　Duraspan桥面板截面形状

图1　双梯形/六边形拉挤型材桥面板

图3　StrongwellFRP桥面板

表1　国外几种FRP拉挤型材桥面板产品

产品名称

生产厂家

MartinMariettaCompositesCreativePultrusionsAltanticResearch

Strongwell

截面形状

厚度/

mm194203229120～203

面密度/

(kg・m-2)

901079890～112

价格/

(USD＄・m-2)700～807807861～1076

700

挠度/m报道值

L/450L/530L/950L/605

标准化值

L/340L/530L/950L/325

DuraSpanSuperdeckEZSpanStrongwell

梯形双梯形/六边形

三角形矩形

2　夹芯结构FRP桥面板

FRP夹芯板是由2层高强度复合材料薄板与轻质的泡沫塑料芯层(或者木材芯层、铝材蜂巢芯层、

FRP蜂巢芯层)组成的一种既有较高的弯曲刚度和

强度,质量又很轻的结构物。薄面板放在芯层的外

缘承受弯曲荷载,轻而厚的芯层连接薄面板并承受剪切荷载。这种结构虽然存在生产成本较高,结构

总第140期万　水　胡　红　周荣星　FRP桥面板结构特点与实例

的连接和固定性能差等缺点,但是它的可设计性好,能够根据载荷环境进行灵活设计制造。通常,FRP

夹芯桥面板采用开模成型和真空辅助树脂传递模塑成型方法,其代表性产品及性能见表2。

1996年,KansasStructuralCompositesInc(KS2CI)公司在与加里佛尼亚州的InfrastructureCompos2ites,International(ICI)公司合作建筑的NoNameCreek桥,采用了KSCI公司开模接触低压成型技术

用手工铺设:用一层薄的树脂分布网眼膜,接着铺设多层干的、滚压黏合的E2玻璃织物。钢模具由侧边

壁和底板组成,可将它们配置为合适的部件尺寸和斜交角。用E2玻璃纤维织物包裹闭孔聚异蜜胺泡沫块,从而创造一个正交的蜂巢状芯子。然后将料坯部件用DERAKANE乙烯基树脂进行VARTM工艺浸渍。图5显示了Hardcore夹芯桥面板的现场组装情况。

生产的蜂巢芯层FRP夹芯桥面板,是世界上最早应用FRP夹心桥面板的桥梁,净跨6148m,宽8146m。该桥设计符合AASHTOHS225荷载等级,现场施工安装只用了8h。在堪萨斯州K126高速公路上的2座桥梁也采用了这种开模接触低压成型KSCI桥面板。KSCI桥面板使用FRP蜂巢芯层结构,2张蒙皮由大阵格蜂巢分开,具有用正弦波形腹板交替的垂直腹板,用短切原丝毡作芯子和E玻璃纤维织物作蒙皮手糊成型。这种芯层结构的优点在于根据性能要求很容易改变正弦波的周期或波高,并且可以黏结在平板上或者仅仅与上下板黏结。纽约州1998年建成的BennettsCreek桥,采用了HardcoreCom2posites公司的真空辅助树脂传递模塑成型(VAR2TM)的FRP桥面板(见图4)。BennettsCreek桥设计符合AASHTOHS25荷载等级。整体夹层结构板

图5　Hardcore夹芯桥面板的安装

表2　夹芯结构复合材料桥面板产品及性能

产品名称或生产厂家

HardcoreComposites

KSCI

图4　Hardcore桥夹芯桥面板

厚度/mm

152～710127～610

面密度/(kg・m-2)

98～11276

价格/(USD＄・m-2)

570～1184

700

挠度/m

报道值

L/785L/1300

报道值

L/1120L/1300

3　实例———WestMill桥

3.1　欧盟ASSET研究计划

和辅助加工方法等进行了研究,以进一步研究开发

经济高效的加工方法。3.2　WestMill桥的设计建于1878年,以铸铁主梁和混凝土桥面板构成。改造后的WestMill桥的上部结构如图6所示。它由4根11m长的CFRP/GFRP箱形梁置于新建的混凝土桥台上,每根主梁的中心间距为1.75m。主梁由4根边长240mm的CFRP方形管黏结而成(见图7)。为保证主梁的刚度能够满足设计规范,梁的上下面各铺了20mm厚、用树脂浸渍的碳纤维增强复合材料(CFRP)层。34根GFRPASSET桥面板拉挤型材黏合在一起横向铺设在主梁上。该桥按照英国桥梁设计规范BS5400设计。设计中,对27种加载组合情况进行了分析,结构以挠度控制设计,并进行了动力特性和稳定性分析。由结构动力学分析结果可知:桥的基频为8Hz,

WestMill桥

[7]

欧盟从1998年11月至2002年10月,开展了为期4年,耗资290万英镑的ASSET(AdvancedStructuralSystemsforTomorrow’sInfrastructure)研究计划。该计划的目的是用新的FRP材料设计和替代位于英国Oxfordshire的WestMill桥的主要承载部件,其中包括桥面板。该桥于2002年10月改建而成,是欧洲第一座复合材料高速公路桥,其桥面板采用黏合拉挤型材复合材料。ASSET研究计划包含WestMill桥的设计,试验桥材料的短期和长期性能的研究,桥面板的理论和数值分析、试验验证、截面设计和优化。此外,还对桥面板的各种连接方法、桥面板系统的设计规则和监测手段、纤维结构优化

南　京　理　工　大　学　学　报第29卷第1期

与钢/混凝土桥相当。英国的Skanska建筑公司与ASSET集团合作,研究分析了ASSET桥面板的设计

进行理论分析和数值模拟,并进行了结构的试验研究。分析表明,在加载点和腹板与翼板交界处有应

力集中。在对ASSET拉挤型材的大尺寸模型试验中,在腹板与翼板交界处也出现了应力集中。为保证强度安全,需要取较高的安全因子,通常在极限状态的强度安全因子取值大于3。在ASSET桥面板拉挤型材的优化过程中,不仅利用了理论分析的方法,而且考虑到如何有效地利用现有的拉挤技术进行加工。考虑到成本和加工因素,选用了E2玻璃纤维作为增强材料和聚酯基体。为了确定拉挤截面的优化外形,在研究箱型、梯形、带有竖向或一定倾斜角内

制造与成本。

图6　WestMill桥上部结构

腹板的多格状截面后,初步选定为三角形截面。为了优化给定边界条件下的ASSET外形尺寸,采用ANSYS有限元软件建立了三维层板单元模型进行分析。在得到所需的基本容许解后,进行纤维铺向、叠层厚度、腹板厚度、翼板厚度等不同的参数优化,作为这些参数的函数,ASSET挤拉型材的体积被用作优化的目标函数,纤维的铺向限制在0°,90°和±45°。最优解还必须满足强度和刚度等状态变量指标。强度取决于铺层数和采用的不同强度准则(Tsai2Wu准则,最大应力准则,最大应变准则等)。为了保证ASSET桥面板使用性能(由挠度控制)和不超过极限状态,还对全尺寸的桥面板进行了详细的分析。

图7　WestMill桥的CFRP主梁

3.3　ASSET桥面板型材拉挤成型技术

由于ASSET拉挤型材的截面几何形状和纤维组织结构比较复杂,开发用于能够制造该型材的拉挤技术显得十分重要。形成ASSET型材结构所需要的牵引力,远大于常见的拉挤结构所需的牵引力。为此,ASSET拉挤型材生产厂家FiberlineA/S公司从以下几个方面对它们的拉挤技术进行了进一步改进,以便能够生产出已优化的ASSET拉挤型材结构:建立半自动的玻璃纤维的缠绕系统、速度控制系统、玻璃纤维网连续性的监控和自动错误报告系统,精确控制树脂浸渍到纤维组织中的压力和温度,装备能生产ASSET拉挤型材的大拉力牵引设备,注射室的位置和设计必须保证有效拉挤成型和树脂浸渍效果,在模具中安装固定的芯子。

3.4　ASSETFRP桥面板力学分析与优化设计

4　结语

FRP桥面质量轻,可大大降低桥梁恒载,提高有

效承载力。虽然FRP材料价格比传统材料高,但从FRP桥面板的整个生命周期中所用费用来看,它在价格上具有很大的优势。研究表明,FRP桥面板系统可比传统材料桥面板节约成本17%。作为新一代桥梁承重结构,FRP桥面板在桥梁建设和桥梁维修与改造工程中,具有十分广阔的应用前景。参考文献:

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为了确定桥面板的几何形状、尺寸、纤维种类和增强组织结构,需要预先确定桥面板的结构形式、跨

度、载荷条件和制造工艺。ASSET桥面板的外形根据HA和HB载荷标准设计。除了跨度和载荷条件,还需根据拉挤工艺和已有桥梁的匹配,来确定桥面板的厚度和尺寸。综合考虑这些因素,ASSET桥面板拉挤截面的最大高度和最大宽度分别设计为250mm和500mm。为了确定ASSETFRP型材和黏结结构的力学特性,使用了层板理论和有限元法

总第140期万　水　胡　红　周荣星　FRP桥面板结构特点与实例

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