鋼橋面鋪裝中玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合板的黏結(jié)可靠性分析

摘要 玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合板作為一種新型材料，具有重量輕、強(qiáng)度高、施工簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，在鋼橋面鋪裝中應(yīng)用廣泛。為有效探究玻璃纖維復(fù)合板（GFRP）黏結(jié)性能，保證橋面鋪裝層施工質(zhì)量，延長(zhǎng)使用壽命，該文章通過四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，對(duì)三種常規(guī)荷載作用下鋼板-GFRP組合橋面板剪應(yīng)力實(shí)施檢測(cè)分析，并通過數(shù)值模擬計(jì)算對(duì)理論分析結(jié)果實(shí)施檢驗(yàn)，結(jié)果顯示：（1）理論值和模擬分析結(jié)果基本相同，各部位剪切強(qiáng)度均未超過樹脂膠強(qiáng)度，因此判定采用樹脂膠對(duì)鋼板、GFRP板實(shí)施黏結(jié)完全可行；（2）GFRP板和鋼板厚度比ɑ越大，結(jié)合面處的剪切應(yīng)力呈先增后減變化；并且當(dāng)中性軸由鋼板中間部位轉(zhuǎn)移至GFRP板中間部位時(shí)，厚度比ɑ、彈模比β越大，二者結(jié)合面處的最大剪切應(yīng)力越小。

關(guān)鍵詞 公路橋梁項(xiàng)目；復(fù)合材料；鋼板-GFRP組合橋面板；界面剪應(yīng)力分析

中圖分類號(hào) U445.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2025）01-0176-03

0 引言

橋面鋪裝層作為橋梁工程重要組成部分，其施工質(zhì)量?jī)?yōu)劣直接決定行車安全性、穩(wěn)定性，對(duì)提升橋梁結(jié)構(gòu)耐久性具有重要意義，但伴隨交通量、載重量的不斷增加，橋梁鋪裝層破壞問題日益突出，尤其對(duì)于鋼橋面鋪裝破壞情況更加突出，普通鋪裝層難以滿足現(xiàn)狀交通實(shí)際需要，所以積極探索出一種新的鋼橋面鋪裝形式尤為重要。為此，該文章提出了玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合板材料，并通過相關(guān)試驗(yàn)對(duì)其黏結(jié)性能及抗剪切性能實(shí)施探究，以期能有效提升鋼橋面鋪裝層施工質(zhì)量，延長(zhǎng)橋梁使用壽命。

1 鋼板-GFRP組合板黏結(jié)可靠性試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)試件設(shè)計(jì)與制作

正交異性橋面板結(jié)構(gòu)受力形式較為復(fù)雜，在交通荷載條件下，U型肋中間面板及其與面板結(jié)合部位分別受到正、負(fù)彎矩作用，具體情況見下圖1。

根據(jù)橋梁運(yùn)營(yíng)階段橋面板受力實(shí)際情況，通過四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)對(duì)鋼板-GFRP組合橋面板實(shí)施檢測(cè)，并詳細(xì)記錄構(gòu)件破壞情況，按照試驗(yàn)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)要求制作試驗(yàn)構(gòu)件，其中鋼板長(zhǎng)×寬×厚=1 500 mm×500 mm×14 mm；GFRP板長(zhǎng)、寬分別為1 500 mm和500 mm，厚依次為5 mm、10 mm、20 mm。

每層纖維布厚約0.8 mm，根據(jù)GFRP板厚合理確定出所需纖維布數(shù)量，并按照實(shí)際規(guī)格裁切好鋪設(shè)在操作平臺(tái)之上，采用樹脂∶固化劑按照3∶1配比制備混合液，并將其均勻涂布于纖維布表面，待其完全固結(jié)完成后根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)尺寸進(jìn)行裁切，從而得到GFRP板。同時(shí)，提前對(duì)鋼板實(shí)施除銹、清潔處理，確保潔凈度不低于Sa2.5級(jí)，鋼板清潔完成后在其表面噴灑丙酮溶液，全面清除表面殘?jiān)缓蟀凑諛渲霉袒瘎?1∶1配比制備黏結(jié)劑，涂刷于鋼板之上，完成GFRP板與鋼板的組合黏結(jié)，并實(shí)施加載固化[1]。

1.2 試驗(yàn)過程

正彎矩工況試驗(yàn)結(jié)果：按照試驗(yàn)檢測(cè)操作規(guī)程，分別對(duì)3種板厚的鋼板-GFRP組合板實(shí)施四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中施加正彎矩作用（頂面GFRP板、底面鋼板分別承受壓力和拉力作用），試驗(yàn)結(jié)果顯示：前期加載過程中，荷載作用越大，構(gòu)件跨中部位產(chǎn)生變形越大，二者呈線性關(guān)系；而當(dāng)荷載達(dá)到鋼板屈服強(qiáng)度后，荷載作用越大，構(gòu)件變形呈非線性增大，且當(dāng)荷載達(dá)到一定程度后，構(gòu)件發(fā)出斷裂聲，直到加荷部位GFRP板產(chǎn)生破壞，此時(shí)鋼板出現(xiàn)彎曲變形，且無法還原，但與GFRP板結(jié)合效果良好，未產(chǎn)生層間分離[2]。

負(fù)彎矩工況試驗(yàn)結(jié)果：同樣，按照上述步驟分別對(duì)3種板厚的鋼板-GFRP構(gòu)件實(shí)施彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中施加負(fù)彎矩作用（頂面鋼板與底面GFRP板分別承受壓力和拉力作用）。

試驗(yàn)結(jié)果顯示：前期加載過程中，荷載作用越大，構(gòu)件跨中部位產(chǎn)生變形越大，二者呈線性關(guān)系；而當(dāng)荷載達(dá)到鋼板屈服強(qiáng)度后，荷載作用越大，構(gòu)件變形呈非線性增大，且當(dāng)荷載達(dá)到一定程度后，左邊支座系統(tǒng)失效，鋼板產(chǎn)生較大變形，且無法還原，呈塑性變形狀態(tài)，整個(gè)試驗(yàn)過程未產(chǎn)生纖維脆斷聲，GFRP板整體較為完整，未產(chǎn)生破壞，并且GFRP板和鋼板結(jié)合效果良好，未產(chǎn)生層間分離。

2 鋼板-GFRP組合板黏結(jié)剪應(yīng)力分析

2.1 3種常見荷載形式下界面剪應(yīng)力

鋼板-GFRP板構(gòu)件技術(shù)參數(shù)及局部構(gòu)造圖，見下圖2、圖3所示。鋼板、GFRP板之間完全結(jié)合，且二者層間剝離作用力微小，通常狀況下很難出現(xiàn)層間分離現(xiàn)象，但極易在膠縫處產(chǎn)生剪切破壞，從而造成構(gòu)件強(qiáng)度下降，引發(fā)結(jié)構(gòu)疲勞破壞。在外力影響下，鋼板及GFRP結(jié)合部位剪切應(yīng)力顯著增大，從而引發(fā)結(jié)構(gòu)變形[3]，具體包括兩種情況：（1）忽略界面剪切作用條件下鋼板-GFRP板構(gòu)件變形情況；（2）不忽略界面剪切作用條件下鋼板-GFRP板構(gòu)件變形情況。

2.2 界面剪應(yīng)力算例分析及與有限元方法比較

對(duì)稱荷載、均布荷載及跨中集中荷載條件下鋼板-GFRP板構(gòu)件規(guī)格完全相同，長(zhǎng)×寬×厚=1 200 mm

×500 mm×24 mm，鋼板、GFRP板厚分別為14.0 mm和10.0 mm，其中樹脂膠厚可忽略，其抗剪強(qiáng)度為12.0 MPa。

為有效檢驗(yàn)理論試驗(yàn)準(zhǔn)確性，通過ANSYS系統(tǒng)構(gòu)建數(shù)值模型，對(duì)各種荷載作用下鋼板-GFRP板結(jié)合面剪切應(yīng)力實(shí)施模擬計(jì)算分析，因板體規(guī)格較小，為全面反映板體實(shí)際受力情況，選擇整跨組合板進(jìn)行分析，其中鋼板、GFRP板完全通過SOLID65立體模型進(jìn)行模擬[4]。同時(shí)，由于鋼板、GFRP板模量不同，導(dǎo)致結(jié)合部位材料特性存在顯著差異，會(huì)在一定程度上影響模擬結(jié)果準(zhǔn)確性，因此應(yīng)對(duì)網(wǎng)格實(shí)施細(xì)化，通過模擬分析得到三種荷載條件下鋼板-GFRP板內(nèi)部剪切應(yīng)力分布圖，見圖4所示。

從上圖4可知：理論值和模擬分析結(jié)果基本相同，結(jié)合部位最大剪切應(yīng)力偏差不超過10.0%，各種荷載作用下，組合板跨中部位的剪切應(yīng)力均為0，最大剪切應(yīng)力位移支座部位，但其剪切強(qiáng)度均未超過樹脂膠強(qiáng)度，因此判定采用樹脂膠對(duì)鋼板、GFRP板實(shí)施黏結(jié)完全可行。

2.3 界面剪應(yīng)力的影響參數(shù)分析

相關(guān)研究表明，鋼板-GFRP組合板界面剪切應(yīng)力影響因素主要包括鋼板與GFRP板彈性模量比及厚度比，為此該文針對(duì)均布荷載條件下各種指標(biāo)對(duì)鋼板-GFRP組合板結(jié)合部位最大剪切應(yīng)力實(shí)施模擬計(jì)算分析，詳細(xì)結(jié)果如圖5所示，其中ɑ表示GFRP和鋼板厚度比，即ɑ=hg/hs，β表示GFRP板和鋼板之間的彈模比，即β=Eg/Es。

從上圖5可知：GFRP板和鋼板厚度比ɑ、彈模比β對(duì)二者結(jié)合部位的剪切應(yīng)力密切相關(guān)，厚度比ɑ越大，結(jié)合面處的剪切應(yīng)力先逐漸增大，達(dá)到一定程度后逐漸下降，其中厚度比ɑ=2.0條件下，結(jié)合面處的剪切應(yīng)力最大，并且當(dāng)中性軸由鋼板中間部位轉(zhuǎn)移至GFRP板中間部位時(shí)，厚度比ɑ、彈模比β越大，二者結(jié)合面處的越小[5]。

3 結(jié)語

綜上所述，該文章通過四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，對(duì)鋼板-GFRP板黏結(jié)效果實(shí)施檢驗(yàn)，并利用數(shù)值模型對(duì)三種常規(guī)荷載作用下鋼板-GFRP組合橋面板剪應(yīng)力實(shí)施模擬計(jì)算，通過數(shù)值模擬結(jié)果與理論結(jié)果比較，驗(yàn)證理論分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。具體結(jié)論如下：

（1）通過四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)對(duì)正負(fù)彎矩條件下鋼板-GFRP組合板疲勞破壞性能實(shí)施檢測(cè)，結(jié)果顯示GFRP板和鋼板結(jié)合效果良好，未產(chǎn)生層間分離。

（2）通過界面剪應(yīng)力算例分析及數(shù)值模擬對(duì)比，得到理論值和模擬分析結(jié)果基本相同，各部位剪切強(qiáng)度均未超過樹脂膠強(qiáng)度，因此判定采用樹脂膠對(duì)鋼板、GFRP板實(shí)施黏結(jié)完全可行。

（3）GFRP板和鋼板厚度比ɑ越大，結(jié)合面處的剪切應(yīng)力先逐漸增大，達(dá)到一定程度后逐漸下降，其中厚度比ɑ=2.0條件下，結(jié)合面處的剪切應(yīng)力最大。并且當(dāng)中性軸由鋼板中間部位轉(zhuǎn)移至GFRP板中間部位時(shí)，厚度比ɑ、彈模比β越大，二者結(jié)合面處的越小。

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收稿日期：2024-06-17

作者簡(jiǎn)介：史宏杰（1984—），男，本科，工程師，主要從事土木工程管理工作。