橋梁有機玻璃縮尺模型粘結選用研究

邵明潔，李新生

(蘇州科技大學，江蘇 蘇州 215009)

有機玻璃是一種各向同性的均質材料，由于其加工的模型占地空間小、操作簡便等特點，常用于各種結構模型靜力性能試驗。很多高校或科研機構研究橋梁構在彈性工作狀態下的受力性能時常用有機玻璃縮尺模型進行試驗與分析。夏文傳[1]等人開展了建立有機玻璃模型試驗進行驗證大跨連續梁拱組合橋梁拱分擔比例研究；閆暢[2]等人基于不同的鉸縫高度的裝配式空心板制作有機玻璃模型，研究空心板橋受力性能；熊文亮[3]等人針對彎梁橋建立有機玻璃模型，結合Ansys進行抗傾覆性能研究，得到相關參數的變化規律；張曉東[4]等人通過有機玻璃模型試驗和數值模擬研究裂縫對簡支梁應力分布的影響，最終得出隨裂縫深度增加而增大等，使有機玻璃縮尺模型試驗得到了廣泛應用。

目前，有機玻璃加工模型方法大致采用兩種：(1)采取小節段(例：間距2 cm)的模型進行連接；(2)采取分離式組裝進行連接，(例：箱梁模型分別加工頂板、腹板和底板，采用粘結劑進行連接)。

對于比較復雜的箱梁截面，如斜腹板，這種結構不能一次加工而成，需要進行分塊連接。為使模型分塊之間連接性能滿足傳力效果，滿足試驗數據結果的精度和準確性，從而對分塊之間的連接方法、手段進行研究非常必要。

1 模型試驗

1.1 模型設計與制作

選定蘇州高新區天池山互通改造工程跨太湖大道J匝道第二聯預應力混凝土連續箱梁橋的大懸臂魚腹形箱型橋梁截面為依托，將原型斷面按幾何比尺1/50縮小，采用激光數字雕刻機加工而成。本次采用其中2 cm的一小節段進行研究，箱梁縮尺模型需要進行粘接而成，選用有機玻璃專用溶劑“氯仿”、植筋膠和環氧樹脂膠；其中模型為總寬310 mm，梁高34 mm，頂板、腹板、底板厚度為5 mm的魚腹形箱型截面。箱梁橫斷面模型如圖1所示。

圖1 小節段模型圖

1.2 試驗設備

本次試驗采用電子式萬能試驗機，最大試驗力可達到10 kN；應變片采用中航BE120-5AA-P200；應變采集系統采用東華測試DH2893；標準試驗溫度為20 ℃±2 ℃，相對濕度為50%±5%。

1.3 材料性能試驗

單向拉伸試驗裝置如圖2所示，試件的兩端固定在拉伸機上，在試件的正反兩面各貼一對縱向和橫向應變片，施加0.1 kN的拉力，每隔1 min記錄一次應變讀數，來測定有機玻璃的彈性模量E和泊松比U值。

圖2 拉伸試驗機

在標準的試驗溫度下，測得的應變數據如表1、表2所示，根據公式可得彈性模量E和泊松比U分別為

表1 拉伸試驗縱向應變測試結果

表2 拉伸試驗橫向應變測試結果

E=σ/ε

(1)

U=-ε′/ε

(2)

由拉伸試件的試驗數據可知，該有機玻璃材料在受力12 min后的應變相對穩定，可由此時的應變值計算彈性模量和泊松比，計算結果如表3所示。

表3 拉伸試驗結果匯總表

故此次拉伸試驗所采用的有機玻璃材料，在室溫20±2 ℃下的彈性模量E=2.25×109Pa，泊松比U=0.45。

1.4 加載試驗

采用電子式萬能儀器進行加載，按照0.5 mm/min的加載速率，在跨中施加荷載P，每間隔0.05 kN讀取一次力、變形和應變數據，加載至最大荷載P至0.1 kN試驗結束。試驗加載裝備如圖3所示。

圖3 試驗加載儀器

圖4 加載數據控制器

2 數據分析

2.1 有機玻璃模型受力性能試驗

通過采用剛臂處理的midas單元(如圖5所示)進行有機玻璃材料模型數據分析，與有機玻璃模型實測得5點應力數據對比結果見表4。

圖5 桿系單元模型劃分圖

表4 有機玻璃原料模型與桿系、平面應力單元分析應力數據結果

故有機玻璃縮尺模型試驗所測得5點應力與midas單元應力結果誤差小于5%，驗證有機玻璃模型試驗結果的準確度，保證了數據的可靠性。

2.2 粘結試件受力性能試驗

本試驗模型由于是自行切割的模型，存在連接面有缺口、不平滑現象，分別選用植筋膠、環氧樹脂膠和亞克力膠三種膠水進行粘結，試件如圖6所示，將試件置于電子式萬能試驗機上對跨中進行加載，測得5點應力值如表5所示。

表5 粘結試件最大加載力下的應力與原材數據對比結果

圖6 有機玻璃粘結試件

由上述數據可知，從加載力和跨中最大應力來看，環氧樹脂膠優于亞克力膠、 優于植筋膠，選擇環氧樹脂膠更為可靠； 從傳力效果來看， 三種膠水的粘結試件與原材在相同加載力下的應力做對比，環氧樹脂膠更好一些。

3 結 論

通過對有機玻璃材料性能試驗和有機玻璃粘結試件的傳力性能進行測試，結合桿系單元、平面應力單元分析進行驗證，得到以下結論。

(1)測得本次使用的有機玻璃的彈性模型E=2.25×109Pa，泊松比U=0.45。

(2)有機玻璃的材料性能受溫度影響較大，在試驗過程中，應維持室溫在同一溫度下。

(3)所涂膠水的厚度和最大加載力數值成正比，要保證粘結質量后再進行模型試驗。

(4)通過對不同膠水的傳力效果測試，在連接面存在缺口等綜合考慮下，使用環氧樹脂膠進行粘結效果最好。