铁路桥梁复合材料人行道步行板的研究

张俊敏

（北京铁路局保定工务器材厂，河北保定 071051）

铁路桥梁复合材料人行道步行板的研究

张俊敏

（北京铁路局保定工务器材厂，河北保定 071051）

铁路桥梁是铁路线路的重要组成部分，桥梁人行道上的步行板是保证作业人员日常作业安全、车辆安全通过的关键设备，全路98%以上的步行板是依据专桥8145图纸制作的混凝土步行板，但混凝土步行板普遍存在腐蚀掉块，筋锈蚀，板折断等病害，有的已危及到行人及施工机具安全。本文对铁路桥梁复合材料人行道步行板进行分析研究。

铁路桥梁 复合材料 步行板

桥梁人行道上步行板在国内还存在少量的橡胶步行板，其采用钢筋网外硫化橡胶的方式制作，存在成本较高、易老化、挠度大等缺点，使其不能广泛推广应用。

1　复合材料步行板技术特点

复合材料步行板将玻璃纤维增强材料、不饱和聚酯材料通过拉挤成型生产工艺，在高温条件下固化成型。具有以下技术特点：质量轻， 强度高，耐酸碱等腐蚀，安装灵活、快速、便捷，寿命长（设计寿命不少于30年），环保、有益于实现减振降噪，质量稳定等。

2　材料性能研究

（1）静载强度。对于复合材料人行道板，考虑到混凝土板的设计荷载为10Kpa、1.5KN，复合材料的强度与抗弯刚度正相关性，因此，该项指标设计以20KN为基准。（2）疲劳性能。在设计疲劳荷载时，以30年设计寿命考虑，疲劳次数10万次，疲劳最小荷载以不小于运料小车和行人重量，取值3KN，根据疲劳最小荷载为最大荷载的20%关系，取最大荷载为15KN。（3）局部抗压强度。要求局部抗压强度不低于5MPa，检验方式可采用20mm×50mm的承压件在复合材料人行道板空腔对应位置的纵向加载。（4）挠度要求。挠度控制主要是控制结构体的振幅，对于人行道板，振幅大小将会影响到行人行走时的体感，针对复合材料人行道板在该项指标设计为1.5KN跨中荷载下挠度不超过1mm。（5）老化性能。结合复合材料人行道板设计强度的富余量和安全系数，可允许模拟30年老化寿命条件，原材料取样的力学性能（弯曲强度、剪切强度）不低于设计值的50%即可。

3　产品研制

3.1原材料的选取

（1）玻璃纤维。玻璃钢是以玻璃纤维为增强材料，以合成树脂为基体的一种复合材料。玻璃纤维、合成树脂及其界面称为玻璃钢复合材料的三大要素。常用的玻璃纤维主要分为以下四种：高碱玻璃纤维、无碱玻璃纤维、耐碱玻璃纤维、高强玻璃纤维。（2）树脂材料。树脂一是将分散的增强纤维材料粘结在一起，使其成为整体，使纤维定向定位；二是起到传递作用。增强纤维复合材料的各项主要性能如电绝缘性能、耐温防腐性等都是主要由树脂决定的。（3）辅助材料。辅助材料是促进增强纤维材料与树脂材料之间的结合，并保证生产工艺可行的辅助性材料，如催化剂、固化剂、脱模剂、防老化剂、填料等。

3.2生产工艺的确定

玻璃钢产品生产工艺形式有多种，主要有手糊、缠绕、喷射、模压、拉挤、浇注等。但不论是何种生产工艺，其产品的生产过程基本相同，都可大致归结为定型、浸渍、固化三个要素或阶段。拉挤成型工艺最适于生产各种断面形状的玻璃钢型材，如棒、管、实体型材（工字形、槽形、方形型材）和空腹型材（门窗型材、叶片等）等。

3.3截面设计

若将玻璃纤维增强复合材料应用到人行道板中，考虑到生产工艺及成本，在不改变人行道板的外观尺寸前提下，需将人行道板设计为空心多腔结构，还应重点考虑层间剪切强度以及工艺可行性，局部壁或肋板的宽度尽量薄，便于生产时固化彻底。

3.4力学分析

考虑到既有线混凝土板的厚度和通用性，试制将采用宽520mm厚70mm的板，因此，在此主要分析该板在两端固结条件的局部应力值，跨度为1480mm，荷载10Kpa，两端固结支撑面宽度为50mm，采用solidwork2014进行分析。

由图1、图2可知，该条件下，最大位移为跨中位置，为0.439mm，最大应力为端部位置，局部最大应力为20.03MPa，均在允许设计值范围内，且只有设计值的20%，材料强度有较大富余。

3.5样品试制

样品试制采用30吨的大吨位拉挤设备，样品截面宽度超过0.5米，已达到设备及模具的极限，考虑固化程度、减少废品率，速度控制在0.06米/分钟。为了增强复合材料人行道板上表面的防滑性能，对生产后的复合材料人行道板上表面进行防滑处理，主要有表面涂料冷喷和表面喷砂两种方案。

4　试验研究

4.1指标制定

综合复合材料的材料性能特点和结构特点，从静强度、疲劳强

············度、局部强度和挠度等四个方面对成型的复合材料人行道板进行检验和试验，考虑到是一种新材料的产品，其力学指标应高于混凝土人行道板。复合材料人行道板主要性能参数指标如下：

（1）静载抗弯强度：≥20KN；（2）疲劳强度：3KN～15KN，10万次；（3）局部抗压强度：≥5MPa；（4）挠度要求：1.5KN集中荷载，小于1mm。

4.2静载抗弯强度

试验时采用的人行道板长度为1480mm，人行道板两端支撑面宽度为50mm，试验加载分为0-10KN范围内的逐级加载和0-20KN范围内的加载。在0-10KN范围内加载时采用逐级加载，每级为1KN，由图3可知，每级加载均呈阶梯状递加，整体呈线性，加载、卸载前后均能恢复到初始值。

在0-20KN范围内加载，最大加载荷载为20KN，由图4可知，在20KN范围内，人行道板跨中挠度与加载值呈线性关系，卸载后人行道板跨中挠度恢复到初始值。在20KN时对应的最大位移为8. 09mm，表面无任何裂纹及破损迹象。在集中加载1.5KN时，对应的跨中挠度为0.61mm，满足设计要求。

4.3疲劳强度

试验时采用的人行道板长度为1480mm，人行道板两端支撑面宽度为50mm，荷载为3KN～15KN，加载频率4Hz，共计加载10万次，人行道板表面及其支距位置均完好无损。

4.4局部抗压强度

加载块为承压面20mm×60mm的刚性轮，加载位置为人行道板空腔位置的跨中，刚性轮两侧为锐角。当加载至961kg时，沿人行道板长度方向顺刚性轮边界位置出现裂纹，局部下凹3mm，未出现脆性破坏，卸载后，凹陷恢复正常。根据上述结果可知，局部抗压强度为：

p=9610N/（20mm×60mm）=8.01MPa ≥ 5MPa，符合设计要求。

4.5挠度

由图4中的静载抗弯强度的检验数据可知，当荷载为1.5KN时，对应的挠度为0.61mm，符合设计要求f≤1mm。

5　结语

综上所述，复合材料人行道板从设计和生产上均是可行的，室内实验数据表明复合材料人行道板的强度等参数也是符合使用要求和设计要求的，远优于混凝土人行道板。截止2015年底，全国铁路现有桥梁58290座，长6990436m，其中96.8%为圬工桥，除高速铁路2268座，长1437130m外，其余91.7%是设角钢支架人行道的混凝土梁桥，数量和所占比例巨大。若按1.05m的标准宽度设置人行道板，设角钢支架人行道的人行道板面积将达1018万平米。按50%的市场占有率，价格按1000元/m2估算，则复合材料人行道板的市场容量初步估算将达50亿元，其应用前景十分看好。

张俊敏（1973—），男，河北邢台人，本科，毕业于兰州铁道学院，工程师，研究方向：铁路道岔设计。