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复合桥梁设计
分析实现复合行动FRP-钢桥
摘要
许多老的桥梁技术已经过时，尽管新的上层建筑桥梁比旧的轻，替换基础是昂贵的,常常不必要。更严格的设计指导方针迫在眉睫,传统的正交的钢甲板设计超重。轻量级的纤维增强聚合物甲板支撑钢梁是一个合适的解决方案。本文对造成潜在质量减少轻量级CFRP钢甲板进行了分析。
分析最初的假设下进行实现复合行动将会产生最好的结果。然而,有限元模型之间的螺栓连接一个CFRP钢甲板和钢梁表明这样一个连接的强度太低而不能有效地实现复合行动。一个甲板搭在主梁和薄的CFRP钢层的替代解决方案优于复合动作设计。
没有复合动作的CFRP钢设计与标准正交的钢的设计相比较。CFRP钢设计重量为数量级正交的不到10%。然而,它仍然是比原来的组件更需要更换。
前言
本文之前已经发表在代尔夫特科技大学结构工程。Iv-Infra提供的主题是,依照他们的经验，与纤维增强聚合物甲板进行一个项目。本论文的目的是设计一个FRP-钢混合桥复合行动,希望可以通过设计获得重量大为减轻的桥梁。一路上本文成为大部分致力于CFRP钢的螺栓连接的设计和建模。
外国对我这个项目的开始是以玻璃钢为主题。因此,本文给了我机会让我熟悉新材料,让土木工程受到人们的欢迎。虽然不是所有信息都被转移到纸上,希望读者可以从本文了解CFRP钢的好处和局限性。
确实，在这一点上，我想花时间感谢在我完成论文和研究时支持我的人。首先,我要感谢Matthijs van Almen,我的日常主管Iv-Infra。他总是费劲时间回答我所有的问题，给出他的建议和实践方法，指导本论文完成。
我很感激我能区分在我工作的地方的每个人。埃里卡,哈里斯,斯蒂芬,Yirui,杰里米bull;德克和丹尼斯在Sliedrecht欢迎我到办公室,让我的工作时间更加愉快。我还要感谢Michel Koop,他给我提供了本文的主题以及执行的机会。感谢论文委员会的努力。教授IrKolstein博士Abspoel,为本文增加了宝贵的专业知识。
我要感谢我的朋友代尔夫特,他让我的研究充满了娱乐和享受。最后,我要感谢我的家人。他们一直支持我的研究,一直鼓励我做到最好。
总结
纤维增强聚合物(FRP)是公认的高强度、低重量。,通常用于专业用具上,价格是第二考虑的情况,其使用在土木工程正慢慢变得越来越普遍。考虑到大量的所需材料结构、相对廉价的e玻璃纤维复合材料一直主导着市场。在土木工程玻璃钢还只是应用在降低质量的情况下将导致收益远不止仅仅减少重量。预期的减少质量提供了很多额外的好处,它把玻璃钢用于对位于莱茵河畔的Julianabrug进行改造。Julianabrug已结束它的生命,因为它是饱受疲劳损伤和腐蚀。相信使用玻璃钢桥与玻璃钢甲板可使得比旧的桥轻,因此这一基础可以被重用。将很容易弥补的重用基础使用昂贵的复合材料。当前设计Julianabrug特性的一种玻璃纤维增强聚合物甲板,不采取行动甲板与下面的钢梁。这是一种低效的使用材料。使用非均匀截面理论,甲板连接梁的影响进行了分析。其次是质量最小化过程,侧重于减少钢铁的质量档案,同时保持当前设计的刚度和强度。质量最小化是重复三个变种的甲板被改变的材料属性对应于不同的纹理方向。这个过程表明,实现最优刚度层在纵向方向导致最大的质量减少变异。为了实现两种材料之间的复合动作,需要设计的连接方法。基于问题长寿粘合剂连接被拒绝。螺栓连接是决定,基于它的简单性和广泛的经验,这样的联合。手计算表明这样的连接是可能的,但需要一个非常厚层压板,许多连接。然而,有限元分析的联合是想要为了确定是否手计算是准确的。校准研究建立有限元结果的失效准则。这样做是为了建立一个对应于现实的故障判据。在现实中,和数值,应力峰值出现在接触界面之间的螺栓和层压板,以便观察最大值在模型中会导致极低加载失败。流程建立故障判据是通过寻找一组实验从文学彻底详细的材料和样本的属性。模型为这些实验,Tsai-Wu层压板内的故障判据进行了计算。实验的结果与试验失效标准占距离横截面的接口和不同的测量方法。试验失效准则的最佳匹配实验结果被设置为失效准则全面模型的连接。创建一个螺栓连接的全尺寸模型。这是测试的故障判据建立了小比例模型。然而,这表明,连接的强度明显低于手计算表示。这意味着设计基于手计算不再是可行的,需要太多的螺栓。建筑被重新设计考虑到建模的联合力量。考虑联合力量导致钢材剖面的厚度和高度的增加,并减少玻璃钢甲板的高度。然而,这种设计变得如此集中在连接,建立复合行动的收益几乎完全无效。进行了比较多少质量可以保存在复合行动变异,变异的综合行动并没有意识到,但钢材剖面是增加到几乎整个建筑高度可用。变体,而复合行动可以执行明显较轻。此外,这变种会降低复杂性,因为没有必要的连接。
以这样一种方式设计施工的问题,钢铁的高度最大化、甲板和钢材剖面必须是连续的。换句话说,这两个之间没有相对垂直位移是被允许的。为了解决这个问题,创建了一个详细的玻璃钢层的光辉洒满的顶部法兰钢档案,保证连续的位移场。与车轮载荷将通过大桥靠近这个细节,这是对疲劳载荷高度敏感。与玻璃纤维设计证明是不切实际的,因为所需的厚度。这是通过应用碳纤维增强塑料层,已证明了疲劳载荷下具有更好的性质。更好的疲劳性能,可以作为执行细节层的厚度一样的顶层甲板洒满整个梁。这导致了一个相对简单的几何细节设计。当前的标准可移动的桥梁的设计使用钢铁正交的桥面。真正理解的收益,可以通过应用玻璃钢甲板,它应该与一个正交的甲板上。这表明一个正交的甲板通常是明显的硬。玻璃钢甲板另一方面已经证明当地负荷不太敏感的机制由于其精细结构。此外,一座桥的玻璃钢甲板可以明显比钢轻执行。因为这是觉得在叶子的重量以及抗衡,在总质量的影响更大。虽然玻璃钢设计是轻,这并不意味着它比一座桥轻设计根据60岁的代码,即为低,那么频繁的负载。增加桥梁交通荷载影响桥梁的质量比玻璃钢可以弥补。因此,现代设计的预期效果在玻璃钢可以执行比一个轻钢设计根据旧设计负荷不是获得。这意味着,即使执行桥玻璃钢甲板,基础必须验证强度和潜在的替代或加强。
解决方案
建议的解决方案是使用纤维增强聚合物修复结构缺陷和功能上过时的桥梁。高分子基有一些关键优势钢铁和混凝土作为建筑材料,但也有几个缺点。表1列出了这些属性
表1中列出的缺点,尤其是高成本和低刚度、一个完整的应用玻璃钢桥看起来缺乏吸引力。然而,一座桥组成的玻璃钢和钢铁可能受益的优点远大于其缺点。应用两种材料的组合,组合的属性是可以预料到的鸡眼设计结构。应用玻璃钢的主要原因是减肥和耐蚀性。减肥可能导致货币储蓄如果它导致打捞的基础。由于自然磨损腐蚀以及腐蚀由于除冰盐,通常是集中在玻璃钢甲板。钢甲板上层建筑将受这些影响,因为从上面将盾牌大梁。由于玻璃钢更耐腐蚀,保护钢,所需的维修,以防损坏将减少。玻璃钢的大缺点是昂贵的,和缺乏刚性。相比之下,钢铁是廉价和僵硬。因此,钢铁的上层建筑将被执行。大跨度的元素可以产生的硬材料,以确保全球桥的刚度是充分的。当地的跨越,刚度不是同样关键,可以由玻璃钢制成的。这种方式,两种材料是用来互相补充。
目标和目的
本文的目标是设计一个竞争替代传统建筑材料负载很高的维修活动桥梁利用纤维增强聚合物。为此,建立了几个目标为了到达一个成功的设计。本文旨在创建复合玻璃钢甲板之间的行动和活动的主要承重结构桥梁重交通荷载作用下。因此,应分析的优势这个拥有non-composite甲板。为此,比较之间应该是一个集成的解决方案,和一个在甲板不贡献的主要承重结构。虽然有几座桥梁已经建成的复合材料,这些最近才开始steel-FRP交互的特性。这两个之间的连接方法仍在研究,通常在准尺寸。因此,应分析有关的优化方法结合玻璃钢和钢铁。由于FRP与传统方法的使用是一般出于减肥,减少桥梁的质量标准在整个设计过程中应该是一个积分。使用FRP材料在土木工程的应用程序是有限的由于高成本。在这种情况下,可以节省不少成本,减少桥梁的质量基础能得救。然而,节省基础之间的权衡升级和额外的材料成本需要确定这个解决方案的经济实用主义。考虑到结构缺乏背后的主要驱动力是桥梁维修,设计以玻璃钢必须分析疲劳损伤积累在其一生。这将说明桥梁长期重复荷载作用下的行为。
上面的目标融合在一起形成以下研究问题:
本硕士论文的目的是分析的实用性鸡眼主要表演在钢纤维增强聚合物甲板梁耳活动结构类型的开合桥重交通荷载作用下,考虑到静态行为,疲劳行为,体重,和经济学,通过数值分析应用的案例研究Koningin Julianabrug。
Koningin Julianabrug的背景信息
Koningin Julianabrug是耳位于莱茵河畔吊桥位于,荷兰。桥的位置在图3中可以看到。这座桥本身是如图4所示。它建于1950年代初,因此它的年龄已经超过60年,而其设计寿命仅仅50年。与年龄有源源不断的问题在过去的5年。这样的叶子目前(2015年)所取代。一个新的叶的设计目标是在重量轻于或等于原来的叶子。最初的叶重约57吨,排除装置,其平衡重达80吨。
建于1950年代的结构已成为结构缺陷。在过去的几年中故障和闭包困扰桥。这些表2中给出。有列出的问题导致的决定完全取代桥叶。作为改造过程的一部分,桥桥的其他方面的(重新)放置或升级之外的叶子;如楼梯、bridgetender的房子,声音屏幕,扶手和涂料。这些将不考虑在本文,仅叶的建设方面将被考虑。
桥遭受了许多问题。这些本来都是可以避免的定期检查和维护。这座桥是关闭时过度生锈轴承附近被发现。适当的检查会轻松地表示,钢铁需要重新粉刷之前锈的形成。你可以想象,如果一个问题,可见穿漆不是发现,然后由于疲劳微裂纹或其他很难看到损失绝对不会被发现。证明这可以立即被发现在具体的甲板上,这是损坏无法修复时生锈轴承附近被发现。然而,检验,揭示了锈完全错过了这次的损坏,并且直到钢已经修复。
程序的描述取向层的决心
分析最优取向层5变种将被考虑。下面列出了这些。
1当前的设计,即控制情况:不包括复合动作。
2current-composite情况:当前的维度,但完整的混合作用。
3准各向同性的解决方案:创建了玻璃钢层以这样一种方式,它在各个方向有同样的属性。
4横向解决方案:玻璃钢层创建以这样一种方式,其刚度在横向方向上的桥是最大的。
5纵向的解决方案:创建了玻璃钢层以这样一种方式,其刚度在纵向方向上的桥是最大的。
分析取向层的目的是减少上层建筑的质量,同时保持结构完整性。结构完整性已被要求保持刚度(测量EIzz)和剖面模数(z / EIzz简化)每个变体的不得少于当前design.25 .混合作用的结果是刚度和剖面模数的增加。自从要求是他们并没有减少,质量最小化是终极目标,钢梁的尺寸。两种形式的剪切力被认为是鸡眼时不存在甲板没有连接到大梁。这是剪切力由于克制的热膨胀和剪切流由于垂直加载。根据分析的结果提出了下面六段的提纲
1有效宽度的玻璃钢
甲板工作的宽度的钢
2刚度
a当前形势下计算的刚度。
b当前形势下的刚度,具有复合甲板和计算梁之间的行动。
3应力比
提出了z / EIzz的值,归一化到当前的设计。
4质量
a一个计算的质量现状。
b质量的三个办法计算假定刚度可能不会减少。
5热力
a热力计算的。目前的情况如果甲板和钢铁整合。
b甲板的热力计算新的维度。
6剪切流
沿着界面的剪切流产生的垂直加载计算基于当前形势如果甲板和钢铁整合。
有效宽度的玻璃钢甲板上
玻璃钢甲板的宽度与大梁扮演着一个很重要的角色,它增加了多少梁的刚度和强度。因此,这也扮演重要的角色在决定多少可以获得通过创建一个剪切两种材料之间的连接。如果鸡眼梁连接到甲板上,一会儿,一个正常的压力出现在甲板上。这个正常压力消散梁之间的距离变大,可见,如图14所示。压力是压缩成一定宽度恒定应力,这力量的总和保持不变。这个宽度称为有效宽度。确定有效宽度是大梁和主要的大梁。
比较与混凝土翼缘有效宽度的钢梁。具体的甲板上并不是一个可行的选择对于这个案例研究,从一个具体的甲板的重量大约是5倍的玻璃钢甲板上。然而,比较具体的介绍了甲板作为有效宽度在不同的参考材料。额外的比较在附录J -解决方案有:比较复合行动混凝土的影响。核心筒结构的规则是有效宽度不得超过相当于两边的有效长度的剪切连接。27个假设剪切连接法兰顶部的一半,和甲板的宽度超过相当于长度的概要,浇筑混凝土的最大有效宽度法兰是由方程3。方程3:混凝土钢梁上翼缘有效宽度
有效长度的考虑
宽度的钢法兰
FRP混凝土表现不同。最值得注意的是,它有一个低得多的剪切模量,一个典型的混凝土剪切模量大约是20的GPa。当比较的层压板计算4.3.5层压板性能混凝土的剪切模量的确定是一个因素3高,而杨氏模的大小几乎是相同的。然而,研究表明,有效宽度减小的值比E / G增加。28所以,有效宽度的期望值为玻璃钢低于混凝土。这样一个模型建立了专门为玻璃钢甲板的有效宽度在钢梁上。该模型方程4中给出。
R:减少因子(假设为1)
L:跨度
b:宽度
E:杨氏模量
G:剪切模量
使用方程4,主要大梁,大梁
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