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轻型UHPC-FRP复合桥面系统
轻型UHPC-FRP复合桥面系统
根据联邦公路管理局（FHWA 2015），在美国超过611,000座桥梁，大约10％的结构缺陷，另外14％是功能缺损的。结构不足的桥梁中有四分之一的桥梁面临重大问题。除了结构性缺陷之外，桥面的几何形状和重量通常限制了额定载荷和桥的功能。 这些桥梁的使用寿命可以通过更换甲板来延长。然而，传统的施工方法和桥面系统（现浇混凝土桥面）通常是耗时的，并导致主要的交通延误（Keller等人，2014; Manalo等人，2016），降低更换或扩大桥梁的利益或者这样做的能力，特别是在郊区。因此，需要满足功能要求的桥面系统，可以与现有的子结构一起使用，并支持加速桥梁结构（ABC）技术。超高性能混凝土（UHPC）是一种先进的结构 。具有强度，延展性和耐久性的组合材料。最近在桥梁应用中使用UHPC已被证明是有效的和经济的（Aaleti和Sritharan 2014）。UHPC的耐久性和耐磨性使其成为满足结构板和整体式摩擦面双重目的的理想选择（Shann 2012）。铺设高强度钢筋的轻型桥面板这种应用由Saleem等人开发，包括牢固的骑行面。他们通过一系列的具有不同构造的实验测试证明与型号为22的HSS高强度钢筋和127毫米厚的UHPC桥面板的效率。过Ghasemi等人，这桥面板系统进一步完善和优化。2016B）通过降低其整体深度至114毫米与16号HSS钢筋条同时还能满足强度和服务能力的要求。纤维增强的聚合物（FRP）的复合材料也已经发现在修复和复原存在桥并在新的桥梁施工一定程度上增加应用。FRP复合材料通常表现出这样的期望的性质如高强度，高刚度 - 重量比，长期耐久性，耐疲劳性，以及良好的耐环境性（Zhangetal.2006），取决于所使用的纤维和基体材料。
图1.复合部分的应变文件和应力分布
在美国建造了几个全FRP桥面板进行了研究（洛佩兹Anido等人，1997;. Karbhari和Seible2000; Lee等al.2007），Ehlen（1999）研究了FRP桥面板的寿命周期成本效益与以往相比。一个三层复合材料桥面板被发现过通行证通过降低施工时间，以抵消较高的初始成本同时可以降低在高流量生命周期成本。另外，已经建成了许多FRP夹心板和FRP混合动力桥面板，已经研究了它们在扩大工程或新建筑中使用的轻型桥面板。在先前测试中已经观察到不同的故障模式FRP复合材料和三层桥面系统。分层的顶部和底面网剪切失效和网络屈曲。已经采用许多技术来增强桥面板之间的粘结。由Tuwair等人发明的夹层板系统由被聚氨酯泡沫芯分离的玻璃纤维增强塑料组成。系统组件之间的联系通过连接顶面和底面层的波纹剪切层增强。这些剪切层增加了轴心抗剪刚度和纵向的整体抗弯刚度。已经研究了替代的FRP-混凝土连接在其增强抗分层性的能力方面，如FRP定，销和剪切键，涂层砂层，钢螺柱（Kim等人，2015），和穿孔FRP肋（PFR）。 邹等人 （2016）通过推出试验实验研究了FRP混凝土混合梁使用PFR连接的效率。他们表明PFR最终容量几乎是钢螺栓最终容量的2.5倍，防滑性比钢螺栓滑动阻力大10倍。
图2.F1-13-4和F1-13-5甲板树脂流动槽数
图3.轮胎载荷试验应变计仪表计划
研究目标和计划
虽然FRP夹层板和复合板桥面板是桥面更换和新建筑的有前景的选择，但现有的FRP桥面板出现了某些问题。由于GFRP的低弹性模量，GFRP桥面板的灵活性（Mirmiran等，2012）使得令人满意的使用性标准变得困难。核心部分的顶面和底面的分层通常会限制系统的容量。
此外，附加的磨损面可以增加甲板的自重，并产生可能脱粘的附加接口（顶面和覆盖层）。本研究旨和目的在开发和评估一种重量轻，性能更好的新型UHPC-FRP复合桥面系统，用于提高现有桥梁的额定载荷并改善功能和使用使用年限。这个轻便的桥面板也可以扩大现有的桥梁，而不会在其子结构上增加额外的载荷。使用带有玻璃钢的超高性能混凝土桥面应用增加了甲板的刚度和强度，使FRP屈曲失效的可能性最小化，并且作为一个整体式的表面，需要超声波补偿。
使用真空辅助树脂传递模塑（VARTM）方法制造七个UHPC-FRP复合桥面板单元，用于单调弯曲试验。制造和测试两个试样段在压缩中确定垂直负载路径和故障模式，还进行了材料表征的拉伸试样试验。将实验结果与AASHTO（2013）的强度和适用性要求进行比较。发现桥面板单元的有限元模型与实验结果表现出良好的一致性，能够进一步研究载荷传递机制。
图4.四点载荷试验应变计仪表计划
图5.压缩试样的响应：（a）载荷-位移响应; （b）网状应变
图6.C-13-2故障模式
图7.弯曲试样的载荷-位移响应：（a）轮胎载荷构型; （b）四点负载配置
图7.（附图）
设计与材料
所提出的典型桥面板单元的横截面如图1所示。桥面板的整体厚度（H）选择在102-127mm与以前研究中的桥面板兼容（Saleem等人2011; Ghasemi等人），单位宽度设定为254mm。桥接应用的典型平面宽度为1,524mm，所以这六个桥面板单位将组成一个典型的小组。桥面板准备了两种不同的尺寸，第一尺寸为1,220mm长，127mm高，第二尺寸为864mm长，102mm高。减少了第二组甲板的长度，以便在VARTM工艺中实现更好的质量控制，同时保持所有甲板的剪切跨度与高度的比值。（高跨比）UHPC-FRP复合桥面板单元（制造后）由用于抗压缩的顶部UHPC板和作为整体磨损表面组成。抗张力来自甲桥面板面上的单向碳纤维增强聚合物（CFRP）层压板，倾斜网由双向GFRP（B-GFRP）层压板组成。泡沫被用作填充材料以最小化桥面板重量并增加网的屈曲能力。
材料和性能
商业UHPC材料导管（Lafarge North America，Chicago，Illinois）用于顶板。预应力混凝土，超增塑剂和高强度钢纤维由拉法基北美供应。UHPC的机械性能已经由以前的研究人员研究（Graybeal 2006; Chanvillard和Rigaud 2003）。如果采用热处理工艺，UHPC的抗压强度根据制造商的规格可以在150-200MPa的范围内与金属纤维的导管接触。断裂直接拉伸强度在0.3mm裂缝宽度可达10MPa。热处理工艺不适用于本文提出的任何样品。两批用于铸造顶部UHPC板。 使用102x205mm气缸试验，第一批和第二批的平均28天抗压强度分别为166和160MPa。所用的碳纤维是来自iLLSTREET复合材料（Charleston，South Carolina）的410g / m 2，12-K单向织物，并且与聚酯，环氧树脂和乙烯基酯树脂相容。放置在UHPC板下的单向玻璃纤维是由AGY（Aiken，South Carolina）制造的440g / m 2织物，纤维网中使用的双向玻璃纤维为610g / m 2，来自美国复合材料（Florida）的0.55mm厚的E玻璃织物（佛罗里达州的西棕榈滩）。使用短切垫与网状层压板中的双向玻璃一起建立厚度（增加抗弯曲性）并增强树脂转移。切碎的垫包含随机取向的长玻璃纤维束，其与粘合在苯乙烯的粘合剂连接在一起，其粘合剂在连接纤维时起作用。乙烯基酯通常具有低粘度，这使其成为树脂输注应用的良好选择。使用Fiber Glast Developments（Brookville，Ohio）的乙烯基酯＃1110树脂。 制造商规定的拉伸强度为82MPa，弹性模量为3,720MPa。使用寿命15-30分钟，275-cps粘度，耐腐蚀性好，24-48小时完全固化。泡沫芯是Fiber Glast Developments的32kg / m 3封闭细胞聚异氰脲酸酯泡沫。 制造商规定的拉伸模量为8,440kPa，压缩模量为4823kPa。通过切割尺寸和粘合在一起，将泡沫容易地定制成所需的形状。
实验样品设计
对一系列桥面板横截面进行截面，屈曲和初步有限元分析（FEA），以选择设计尺寸。性能标准是将自重减至1.0kN·m 2以下，保持最大深度125mm，满足AASHTO负载要求。单台，单跨度甲板的活载要求计算为基于装载配置和甲板宽度（AASHTO 2013）的47.5kN，其代表了需求的上限，因为多个单元将抵抗全尺寸桥面板板中的负载。对于1,220和864mm长的桥面板，相应的跨距时刻要求分别为13.1和7.8kN·m。剖面分析的设计目标是在U-CFRP破裂之前破碎顶部UHPC板。然而，初步FEA中实现的强度总是受到UHPC和GFRP之间界面强度假定值的限制。通过截面分析确定CFRP层压板厚度（层数），而通过屈曲分析确定B-GFRP层压板厚度（层数）。由于重量限制，顶部的UHPC板厚度选择为13或19mm，并且避免冲压故障。纤维网使用多层双向玻璃纤维构造，取向为60至63°。 基于初步有限元分析法选择网络定向范围。
图8.轮胎载荷弯曲试样的载荷应变响应：（a）顶部UHPC应变; （b）底部CFRP应变
图8.（附图）
使用力矩曲率分析来确定复合桥面板的截面弯曲能力和有效刚度。甲板单元横截面被细分为每种材料的层，如图1所示。假设应变通过深度的线性变化是有效的（恒定曲率f和复合材料之间的完美结合）和切割可以通过正应力的平衡来计算。每层的轴向应变ey f用于产生层应力s（y）基于材料本构模型，其中y是从复合截面的中点到每层的重心（CG）的距离; e a是在中间的应变。应变和应力分布如图1所示。
CFRP和GFRP的应力应变行为模拟为断裂应变为0.015和0.014的线性脆性材料。UHPC，CFRP，U-GFRP和B-GFRP的初步设计弹性模量分别为45,75,25和10GPa。单层用于CFRP，U-GFRP和水平B-GFRP。使用在峰值应力下的应变的线性应力 - 应变曲线建模UHPC压缩为-0.0032（Aaleti等人，2013）。将UHPC板分成五层。 泡沫对抗弯强度的贡献僵硬被忽略。假定膜的作用是倾斜的GFRP纤维网被认为是最小的，因此B-GFRP应力仅包括在顶部和底部水平层（s BGc和s BGt）。由于材料之前的线性行为失效时，曲率曲线的斜率对应于有效屈曲度E eff。
截面分析结果表明，在约束参数空间内，前部能量和弯曲刚度分别为36和345kN·m2，分别通过破碎顶部UHPC板来限定。据观察，近95％的弯曲能力来自UHPC板和CFRP，仅有U-GFRP和B-GFRP的5％。给定复合桥面板所有部件的线性材料模型，等效截面是确定弯曲能力和有效刚度的替代方法。不顾GFRP的小贡献，初步设计的有效刚度可以从UHPC n CFRP获得，如公式1，可以通过将EI,eff乘以极限曲率，对应于其中的任一极限应变来获得截面力矩容量的估计UHPCPhi;=eC/(y-yc)或者UHPCPhi;=ecf/(y-ycf)
对于屈曲分析，将FRP纤维网视为弹性梁，而将周围的泡沫处理为纤维两侧的弹性基底。过去的研究表明，泡沫增加了网的屈曲能力（Robinson和Kosmatka 2008）。此外，泡沫为所提出的桥面板中的UHPC板的局部弯曲和冲压提供了额外的支撑。由Hetenyi（1946）提出作为有限长度梁的固定边界条件（两端）的腹板屈曲荷载作为公式，其中P cr =临界屈曲载荷; E =纤维网模量; I =网络惯性矩; l =支撑梁的长度; k f =弹性基础刚度。方程式的第二项 （2）与泡沫贡献相关，k f的值设定为泡沫弹性模量的两倍（Robinson和Kosmatka 2008）。基于弹性基础梁（BEF）的临界屈曲载荷理论发现这些网格的厚度和取向在70-120kN的范围内，因此不是限制模式。基于剖面分析，发现所需的最终CFRP和U-GFRP层压板厚度分别在3-4mm和2-2.5mm的范围内。基于屈曲分析，发现B-GFRP要求的最终厚度在5.1-6.5mm的范围内。在所有13 mm厚的UHPC样品中，每两个B-GFRP层之间使用切碎的垫。最终的层压板厚度通过使用为每个样品指示的层数来实现表格1。这些值代表满足基于截面和屈曲分析的需求载荷要求的下限。增加层数或每种材料的厚度将增加桥面板的刚度和重量，并高估了容量。然而，甲板的故障模式显示与面板间应力而不是桥面板的尺寸有关。
图9.四点负荷弯曲试样的载荷应变响应：（a）顶部UHPC应变; （b）底部CFRP应变
图9.（附图）
实验方法
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