GFRP—花旗松胶合木夹芯桥面板受弯性能试验与结构设计

方海+韩娟+刘伟庆+祝露

摘要：采用花旗松胶合木作为芯材，玻璃纤维增强复合材料（GFRP）作为面层制备夹芯结构桥面板，在对花旗松胶合木芯材和GFRP开展基本力学性能试验研究的基础上，开展了GFRP花旗松胶合木夹芯梁的受弯性能试验，得出了其荷载跨中挠度曲线与GFRP荷载跨中应变曲线，并对抗弯刚度测试值与理论计算值进行了对比；针对某GFRP花旗松胶合木桥面板，提出了完整的结构设计流程，给出了桥面板的合理设计参数。研究结果表明：GFRP花旗松胶合木桥面板应用于钢梁复合材料桥面板组合桥梁结构较为可行。

关键词：GFRP；胶合木；夹芯结构；桥面板；抗弯刚度

中图分类号：TU399文献标志码：A

0引言

欧美自1985年开始了纤维增强复合材料（FRP）桥面板在结构工程中的应用研究，并付诸于实际工程[1]，如1996年FRP桥面板体系较早应用在美国堪萨斯州沙漠附近的无名沟壑上架起的一座公路桥，此后，FRP桥面板在美国近百座中短跨桥梁中得到应用[2]。

FRP桥面板的基本结构主要有2种形式，即夹芯板结构和拉挤型材粘合结构[3]。拉挤型材桥面板可以连续生产，生产效率高，原材料浪费少，整体性和截面形状一致性好，其型材长度不受限制，是目前各国主要采用的桥面板结构形式，但是拉挤工艺制造的构件截面形式固定，不能根据桥梁跨度大小灵活设计调整[4]。FRP夹芯板由高强度、高模量的面层与轻质芯材复合而成，面层承受弯曲正应力，芯材提高了结构惯性矩，并提供剪切强度。尽管这种结构存在成本高以及结构的固定和连接性能差等缺点，但是能够根据荷载条件进行灵活设计制造。采用蜂窝夹层法的桥面板有Hardcore和KSCI等系统，夹芯桥面板一般采用真空导入成型工艺或手糊法制造[5]。国外较早应用FRP夹芯桥面板的桥梁是美国加利福尼亚州的No Name Creek桥[6]，现场施工安装只用了8 h。Stone等[7]对密苏里州街区桥上的KSCI系统进行加载测试，他们也对采用Hardcore桥面板的Bennetts Creek桥[8]进行了现场加载测试，结果均符合AASHTO标准。2001年美国缅因大学参考AASHTO LRFD设计方法在缅因州设计建造了SKIDMORE桥[9]，该桥采用东部铁杉胶合木作为芯材，GFRP为面层。

胶合木作为一种结构用材有较多优点：①胶合工艺使原木材中的缺陷均匀分布，并能够有选择性地剔除原木中存在的节子、孔洞等天然缺陷，胶合后材料具有容许应力高、变异系数小等特点；②胶合木不受天然木材尺寸的限制，能够被制成满足建筑和结构要求的各种尺寸构件，能够直接加工成曲线、异型构件，可满足多种需要，尤其能满足大截面、大跨度构件的需要；③胶合木在加工过程中，其板材得到了充分干燥，能够保证构件尺寸和形状的稳定，减少了裂缝和变形对构件功能的影响；④可用次生和三生树林以及人造林的小树，制成大型胶合木构件，可以扩大结构用材的树种。

本文中笔者提出采用性能稳定的花旗松胶合木作为芯材，GFRP作为面层的夹芯结构桥面板，应用于中小跨度桥梁中，具有轻质、易安装、防除冰盐腐蚀等优点，应用前景广阔。1GFRP花旗松胶合木夹层板的结构构造与制备1.1结构构造

GFRP花旗松胶合木夹层板由GFRP面板和花旗松胶合木芯材组合而成，中间为花旗松胶合木芯材，上下为GFRP面板，如图1所示。

1.2.1原材料

玻璃纤维采用常州天马集团有限公司生产的双轴向玻璃纤维布，铺层设计为0°或90°，纤维纵横向比例为1∶1。基体材料采用常州华科树脂有限公司生产的间苯级不饱和聚酯树脂，粘度为0.1～0.15 Pa·s，较适合于真空导入成型工艺。

1.2.2制备工艺

花旗松胶合木芯材采用宽度为35 mm的花旗松木板侧面胶合，经制材、窑干、木材分级、指接、抛光、涂胶、加压胶合、整形加工、检验等主要加工工艺制成。将花旗松胶合木芯材表面铺设GFRP布，进行真空导入操作即可完成GFRP花旗松胶合木夹层板构件的制备。

1.3组分材料基本力学性能

1.3.1花旗松胶合木芯材基本力学性能

基于木材正交各向异性的特征，根据中国《木材顺纹抗拉强度试验方法》（GB 1938—2009）[10]和ASTM D14394[11]进行了木材拉伸试验；根据《木材顺纹抗压强度试验方法》（GB 1935—2009）[12]、《木材顺纹抗压弹性模量测定方法》（GB/T 15777—1995）1.3.2GFRP面层材性试验

GFRP面层由GFRP布与不饱和聚酯树脂固化而成。试件按照《玻璃纤维增强塑料拉伸性能试验方法》（GB/T 1447—2005）制作，试验装置如图2所示，试件两端采用铝板对夹持端进行增强，使试件不至于在夹持处发生破坏。

试验采用德国进口Zwick/Roell电子拉伸试验机，按照DIN EN ISO 5274试验标准，试验速度为2 mm·min-1，连续加载，并用3816应变箱测试应表1胶合木芯材基本力学性能测试结果

利用试件上的应变片纵向与横向数值，测出GFRP面板的面内泊松比为0.15。根据《纤维增强塑料纵横剪切试验方法》（GB/T 3355—2005）进行腹板纵横向剪切试验，根据标准规定，对于正交纤维增强平板纵横向剪切试验，取纤维方向与试验机主拉伸方向成45°角，所以此种试验方法被称作45°偏表2GFRP面层拉伸性能测试结果

试验在反力架上进行，采用200 kN量程的千斤顶进行逐级加载，每级荷载为1 kN，并通过力传感器量测千斤顶施加的荷载。通过分配梁在夹层梁上形成2个加载点，加载点之间距离为250 mm，在加载点处铺设细条橡胶垫以防止局部破坏，支座间距为900 mm。在梁跨中设置位移传感器测试挠度，利用梁跨中上下侧GFRP层的2个应变片测试面层应力，试验装置如图2所示。

2.2受弯破坏模式

试件J48F3与试件J54F3为GFRP花旗松胶合木夹层板，胶合木芯材厚度有所不同，两者的破坏现象虽然相近，但是也有所区别：

（1）对于试件J48F3，加载初期无变化，当加载至21 kN时出现轻微响声，加载至26 kN时出现连续噼啪响声，夹层板的挠度迅速增大，加载至31 kN时发生破坏，破坏现象为上面层压皱断裂错层，芯材有裂纹，破坏现象如图3（a）所示。

（2）对于试件J54F3，由于该试件的芯材厚度有所增加，故加载至38 kN时试件才出现轻微响声，当加载至42 kN时出现连续轻微响声，荷载增至49 kN时发生巨大响声，芯材下部木材拉坏，试件随即破坏，破坏现象如图3（b）所示。

式中：Ec为芯材的顺纹弹性模量；t为单层面板的厚度；c为芯材的厚度；d为芯材的厚度与单面板厚度之和；b为夹层板的宽度。

将表1，2中芯材与面层的基本力学性能测试值以及试件尺寸代入式（1），即可以计算得到GFRP花旗松胶合木夹层板试件J54F3的抗弯刚度为39 kN·m2，而试件J54F3的抗弯刚度试验值为34 kN·m2，两者相差12.8%。

分析误差产生的原因是：受弯试件仅上下面层为GFRP，而四周未被GFRP包裹，试件暴露于空气中时间过长，其胶合木芯材存在吸湿现象，从而导致弹性模量下降，继而抗弯刚度试验值略小于计算值。该试件在应用于桥面板工程时，胶合木芯材上下及四周均被GFRP包裹，不存在吸湿等现象；同时在进行结构设计时，GFRP和胶合木芯材的基本力学性能均采用设计值，从而保证结构的安全度。3复合材料桥面板结构设计

上述通过试验和理论方法对比了GFRP花旗松胶合木夹层板的弯曲刚度求解公式和破坏模式。将该夹层板应用于某公路单车道车行桥，如图6所示。该桥由3根钢主梁支承横向桥面板结构体系，主梁中心线之间的距离为1.8 m，设计荷载为公路Ⅰ级。桥面板最大挠度限制为L/500，L为桥长。

3.1.1材料属性

在设计胶合木构件时，一般将其视为整体截面构件而不考虑胶缝的影响。国外对这种胶合木构件已经形成标准化设计与生产，并在试验的基础上确定其强度设计值。中国目前由于缺乏系统的试验工作和足够的试验数据，同时又不能简单引用国外规范，因此在《木结构设计规范》（GB 50005—2003）中，胶合木构件的强度设计值和弹性模量取值仍与截面相同的实木构件相同，然后根据相应的调整系数进行调整。

花旗松胶合木清材小构件的强度标准值为

fk=uf-1.645σf（2）

式中：fk为材料强度的标准值；uf为材料强度的平均值；σf为材料强度的标准差。

首先将花旗松胶合木试验结果平均值转化为标准值，即可得出花旗松清材的力学性能，如表4所示。在胶合木构件中，由于木材的很多天然缺陷被人工剔除或均匀分布于构件中，因此其对材料强度的影响相对于实木材料要低很多。结合本课题组的制造现状，建议系数KQ1值对于拉、压、弯分别取为0.73，0.88，0.83。综合以上分析，计算得出花旗松胶合木的强度设计值（表4），GFRP的抗拉强度设计值为144 MPa，其弹性模量设计值为20.95 GPa。

3.1.2内力计算

（1）恒载引起的内力

桥面板横向支承于钢梁时多采用连续梁形式，中间支点负弯矩对跨中正弯矩有卸载的作用，使内力状态比较均匀合理。因此首先计算桥面板的自重，将其作为均布荷载q作用于桥面板连续梁分析模型中，计算简图即为恒载引起的弯矩图和剪力图（图7）。

计算车轮荷载P并考虑冲击作用，进行荷载组合得到桥面板活载设计值。由于本设计方案的主梁中心线之间的距离为1.8 m，故按计算简图确定活载引起的最不利弯矩图和剪力图（图8）。

3.1.3强度验算

取最不利截面的弯矩和剪力，利用换算截面法验证GFRP面层和胶合木的正应力和剪应力是否大于材料强度，即要求保证

γ0S≤R（3）

式中：γ0为桥梁结构的重要性系数；S为荷载效应组合的设计值；R为结构构件抗力的设计值。

3.1.4挠度验算

由于复合材料桥面板自重较小，故使用考虑剪切效应的铁木辛柯公式求解活载引起的挠度。双跨连续梁由于中间支座的支承，挠度大为降低，桥面板跨中挠度Δ的计算公式为[18]

式中：Δb为弯曲引起的挠度；Δs为剪切引起的挠度；p为车辆单轮荷载；s为桥面板有效跨度；EI为桥面板等效弯曲刚度；GA为桥面板等效剪切刚度。

3.2结果分析

桥面板初始设计值：桥面板长度为3.6 m，宽度为0.5 m，总厚度为170 mm；采用160 mm的花旗松胶合木芯材以及上下各5 mm的GFRP面层，由式（4）计算得到桥面板跨中挠度为1.85 mm。

按AASHTO LRFD的规定，木结构桥梁的挠度限值为2.5 mm，另一种在纯胶合木桥面板设计中广泛使用的挠度限值为有效跨度的1/500，本文中提出采用下式对挠度限值ΔLL.lim进行验算

ΔLL.lim=min{s1500，2.5 mm}（5）

计算可得到桥面板跨中挠度小于2.5 mm，满足挠度要求。将计算得出的弯曲正应力、剪应力与组分材料的强度设计值进行对比，均满足设计要求，故本桥面板的初始设计参数满足设计要求。4结语

（1）介绍了GFRP花旗松胶合木夹层板的材料组成与制备工艺，并根据相关规范得出了GFRP面层和胶合木芯材的基本力学性能测试值。

（2）开展了GFRP花旗松胶合木夹层板的弯曲性能试验，观测了其破坏现象，其抗弯刚度测试值与理论值相差为12.8%。

（3）针对某小型GFRP花旗松胶合木桥面板工程案例，提出了完整的结构设计与验算流程，给出了桥面板的合理设计参数。

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