FRP橋面結構體系的研究是從20世紀80年代開始的。早從事FRP空心橋面板研究的是美國北卡州立大學的Henry。1985年,他研究了圖10.3―1所示的四種截面形式的FRP空心橋面板。空心板橫向受彎,相當于一個桁架。Henry用有限元分析對比了它們的性能,發現X形構件的性能優,并對它進行了深入的分析。這項研究主要進行了數值計算,沒有制作出構件,也沒有考慮加工方法。1990年,Plecllik等人在Henry研究的基礎上進行了X形截面空心板的試驗研究:用纏繞工藝制作三角形和菱形的芯管拼組成X形芯材,上下粘結手糊的面板,全部采用GFRP。通過3個簡支板和1個連續板的靜力試驗和疲勞試驗發現,構件的剛度能滿足實際使用的要求,構件的破壞都是從粘結層的剝離或板內的分層開始的。McGhee等人還開發了一個FRP空心板設計分析的軟件包,對這4種截面形式FRP空心板的縱向受彎性能進行優化。
1991年,Bakeri等人參照前面的研究提出了一類變截面的FRP空心板,并設計了多種截面形式,其中有一種采用了混凝土面層。變截面FRP空心板擬采用拉擠型材拼裝,板厚與Henry和Plecnik的設計相同,考慮了纖維的鋪層角度,并用有限元軟件進行了分析,但沒有制作出實際的構件。實際上,這種FRP空心板尺寸較大且形狀復雜,全部采用拉擠的方法制作幾乎不可能實現。
1994年,西弗吉尼亞大學的研究者開始用GFRP型材進行組合用于橋梁結構。他們用工形截面梁、方孔板、槽形件、泡沫填芯槽形件以及平板5種拉擠型材組合成箱梁,用工形截面梁和方孔板組成如圖10.3―2所示的空心橋面板。通過試驗研究了FRP型材組件、栓接和粘結組合成的FRP空心板以及固定在支承鋼梁上的FRP空心板系統這三層次上的結構剛度和極限承載力,提出了FRP受彎構件的簡化層合梁理論(SLBT)和半經驗性節點剛度計算方法,同時還為這種形式的FRP空心板提出一套系統的設計分析方法。
1995年,英國.Maunsell公司也開發了一套的FRP拉擠型材組合系統,可將2塊FRP方孔板用一個骨頭狀的連接件銷接連接,稱為ACCS(Advance Composite Construction System)系統,可以用于人行橋、建筑和橋梁封護系統。Hollayway等人用該系統拼裝成箱梁,進行了受彎試驗,并用動力和靜力的非線性有限元破壞分析。2003年,清華大學口明對該體系中的FRP空心板的受力性能進行了研究,通過試驗和有限元分析研究了其剛度、應力分布和破壞特征,并為改善其性能提出了方案。
1996年,加州大學San Diego的Karbha ri等人開始對FRP空心橋面板進行研究,通過試驗比較了8種不同截面形式、不同制作方法的FRP空心板構件,并將它們的荷載―位移曲線進行了比較:手糊和RTM制作的三角形斷面的泡沫夾心板都出現了“偽延性”;對于不同的截面形式的空心板:三角形斷面、方形斷面和梯形斷面,剛度依次降低,而承載力依次提高。此后,以Kings Storm Water橋為工程背景,開發研究了FRP管混凝土梁組合FRP空心板的橋梁體系,并開展了一系列的研究。對于FRP空心板,分析比較了多種FRP空心板的性能,終選擇了面板一芯管組合體系進行了試驗和工程應用。在這項研究的基礎上,MMC公司開發了拉擠組合橋板Duraspan。
同年,Aref等人提出一個全部采用纖維纏繞的FRP橋面板的形式:內芯為纏繞管,外部用纏繞將多個內芯包裹在一起。對這種形式的。FRP空心板的進行了等效簡化和優化分析,并進行了有限元分析,與不加外部纏繞的構件進行了對比;還定性討論了外部纏繞的效果和內部芯管與外部面層的相互作用;但沒有進行試驗研究。
1997年,Zureick用有限元軟件比較了多種截面形式的FRP空心板,以小重量為目標進行了優化,發現箱形和V形是有效的截面形式,梯形優化后變成了箱形。此后,對這兩種截面形式的空心板進行了試驗研究,發現實際變形比計算結果大。后來,Brown和Zureick設計并研究了一種FRP空心板:三維編織拉擠的三角形管,面板為手糊層鋪,分別進行了FRP空心板縱向和橫向受彎以及局部受壓的試驗,并用有限元軟件對整個橋面板系統(FRP空心板在支承梁)進行了分析。
同年,西弗吉尼亞大學的Davalos和Qiao等人提出了一個全部由FRP型材組成的梁板體系,其中的橋面板由矩形斷面的FRP拉擠方管并排列粘結在一起組成,支承梁為也為FRP梁。他們對材料鋪層、FRP組件和整個梁板體系進行了系統研究,提出了系統設計方法:用薄壁層合梁理論計算FRP型材的剛度系數,將FRP組合空心板等效為正交各向異性板,再利用一階剪切變形理論計算變形;推導了FRP型材屈曲的計算方法并用于設計;用Tsai―Hill準則進行首層破壞預測;開發了計算程序FEMBEAM完成部分設計計算;還進行了靜載試驗,與計算結果吻合較好。2003年,北卡州立大學的Wu在碩士論文中對這種FRP空心板進行了改進,在橫向增加了一道預應力筋擠緊FRP管,并進行了試驗研究和有限元分析。UMR的研究者直接用拉擠方管拼接形成全FRP梁,并進行了系統的研究,包括組件管材、組合成的梁以及全橋的試驗和有限元分析,建成了一個跨度為9.1m的公路橋,并安裝在校園內,如圖10.3―3。
同在1997年,西弗吉尼亞大學的Lopez-Anido等人開發出了一種組件拼裝蜂窩形斷面形式的FRP空心橋面板,進行了從構件設計、靜力試驗、疲勞試驗到試點工程的系列研究。這種空心板由帶肢的雙梯形組件與六邊形截面組件組合而成,如圖10.3―4所示。組件由VARTM或拉擠工藝制成,從試驗結果來看,VARTM構件的剛度略低,但承載力較高,終破壞模式也不同:VARTM構件以屈曲和豎向剪切破壞為主,而拉擠構件則以組件間剝離和水平剪切破壞為主。
1998年,Estrada提出用拉擠方管拼合并上下粘貼拉擠面板來組成FRP空心橋面板的方案,但并沒有深入研究。Virginia Tech的學者則對這種FRP空心板進行了系統的研究:用真空袋壓輔助將方管和平板粘結,并用橫向預應力鋼筋拉接增強錨固,并與Strongwell公司合作,前后生產了四代FRP空心板。進行了多種工況下的靜載試驗和疲勞試驗以及有限元分析,還在一個磅站的路面上安裝,進行了長期的監測;提出了等效彈性板的方法計算構件剛度,用破壞函數法預測破壞荷載。Mosallam等人也對這種形式的橋面面板進行了試驗研究,并且進行了改進:在面板中混入了碳纖維,跨中局部用夾心板進行了加厚;還用有限元軟件模擬了構件的破壞模式。
2000年,williams等人研究了一種FRP空心板,其截面形狀與Brown和Zure―ick研究的FRP空心板類似,不同的是三角形芯管為纏繞成型,并在空隙處嵌入了FRP棒。通過試驗發現:上面板屈曲、下面板剝離、纏繞管屈曲以及FRP棒滑移是這種FRP空心板的主要破壞形式。在試驗基礎上,對這種FRP板進行了改進,用外部纏繞纖維進行加強,并建議了FRP板剛度計算的步驟和方法。
2001年后,以實際工程為背景,關于FRP夾心橋面板的研究相繼發表。FRP夾心橋面板一般都是手糊或VARTM制成,纖維方向的布置比較靈活。以采用正交縱橫肋板的FRP夾心板的Bentley Creek橋為背景,He和Aref對設置正交縱橫肋板的FRP夾心板進行了深入研究:首先采用遺傳優化算法以構件重量小和剛度重量比大為目標,對面板鋪層層數、角度、厚度以及縱橫肋板間距和厚度進行了優化分析,其中結構變形和承載力分析采用簡化的Ritz方法和簡化的半解析法;還用有限元軟件分析FRP夾心板在全橋中的破壞。以美國896號公路上1―351橋為背景,Delaware大學的Eckel II對正交縱橫肋板FRP夾心板進行了深入研究:用層合板理論和各向異性夾心板理論對分析了FRP夾心板的性能,并進行了足尺的靜載試驗和疲勞試驗,還用有限元軟件進行了計算。以采用波狀夾心板的St.Johns Street橋、Jay Street橋為工程背景,Stone和Nanni為這兩座橋進行了設計,在試驗室內進行了靜載試驗和疲勞試驗,還在現場進行了加載試驗。Davalos和Qiao等人則對這種形式的FRP空心板提出了等效剛度方法,并對構件的變形進行了計算,并通有限元計算和試驗驗證了這一方法的準確性;還研究了面層中纖維鋪層對構件性能的影響。2004年,Reis等人還研究了三維編織FRP夾心橋面板的受力性能,進行了初步的試驗研究(圖10.3―5)。
2001年,歐盟從1998年開始聯合研制的ASSET(Advanced Structure System for Tomorrow’s Infrastructure)系統開發成功,并開始進行應用研究。ASSET系統為三角形腔的拉擠組件組成,單個組件可以是兩或四個腔的平行四邊行或者是三個腔的梯形,通過伸出的肢翼相互連接。瑞典的Zetterberg等人研究了組件之間的連接,對粘結和螺栓連接2種情況都進行了有限元模擬和分析,粘結效果相對好些。英國的Lake等人對ASSET橋板系統的性能進行了靜載、疲勞和徐變的試驗,用有限元軟件進行了模擬,并設計了West Mill橋,跨度為10m的車行橋。我國同濟大學的傅翰香等人利用有限元分析軟件對類似這種斷面形式的FRP空心板進行了有限元分析,對比了不同鋪層、板厚的組件方案。與這種截面形式類似的還有MMC公司開發DuraSpan的第三代和第四代產品,也是用二腔FRP拉擠構件粘結而成。Cassity等人進行了靜載和疲勞試驗,顯示出其作為FRP橋板的優越性能。2004年,Moon II等人則研究了通過試驗這種體系與鋼梁三種連接方式,推薦了其中性能相對較好的一種。Keelor等人則研究了這種體系與鋼梁之間的組合作用,并在實橋上進行了試驗,得到中間梁上FRP空心板的有效寬度約為75%的梁間距。Keller等人對FRP空心板體系進行了單點加載的彎曲試驗,并進行了有限元模擬,發現破壞模式主要都是分層破壞和剝離破壞后的局部屈曲。韓國的Lee等人參照這種截面形式用遺傳算法軟件包配合有限元軟件對截面的鋪層進行了優化,并把斜腹板改為直腹板進行了彎曲破壞和腹板屈曲破壞的試驗研究。2002年,西弗吉尼亞大學的Howard也研究了一種與這種形式類似的截面,進行了靜載試驗,分析了FRP組件的剛度和破壞模式,并研究了與鋼梁結合后剛度。
綜上,目前已經形成了較多的FRP橋面板的產品,并且進行了大量的試驗研究,主要集中在下面四個方面:
(1)靜載性能:包括組件、組件間連接、FRP空心板以及梁板體系的彎、剪以及局部承壓試驗;
(2)疲勞試驗:一般為FRP空心板或梁板體系的試驗;
(3)組合性能試驗:FRP梁板的連接和組合作用的試驗;
(4)現場試驗:以工程為依托,量測FRP空心板結構體系在工作荷載下的靜力和動力特性,或進行長期的健康監測,并結合光纖監測、無損檢測等技術。
理論分析和計算主要集中在以下三個方面:
(1)截面形式分析:通過理論計算或有限元軟件對不同的截面形式進行對比;
(2)FRP組件優化:利用優化軟件或程序結合有限元軟件和簡化分析方法對FRP板或組件的形狀、尺寸、鋪層等方面進行優化;
(3)構件變形及承載力分析,編寫計算程序或采用有限元軟件以及簡化方法計算FRP橋面結構的變形,及發生首層破壞的荷載。
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