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用于桥梁修复的纤维增强聚合物桥面的案例研究
作者:
Nicolas Lombardi, Purdue University, West Lafayette, IN, nlombard@purdue.edu
Rita E. Rodriguez-Vera, Purdue University, West Lafayette, IN, ritaesther@purdue.edu
Judy Liu, Purdue University, West Lafayette, IN, jliu@purdue.edu
Elisa Sotelino, Virginia Tech, Blacksburg, VA, sotelino@vt.edu
摘要
纤维增强聚合物(FRP)桥面因其自重较低、耐久性高而被广泛应用于桥梁修复工程中。玻璃钢的优点包括施工快速和使用寿命长(如耐腐蚀)。蒂帕卡努县的一座案例研究桥是印第安纳州第一座采用玻璃钢桥面进行修复的桥。在被评估研究的桥梁中，县路900E是一座三跨连续钢梁桥，有两座混凝土引桥。只在三个主跨上进行玻璃钢甲板的更换。这座桥的修复项目是一项独特的挑战，在不改变上部结构的情况下对桥面加宽。由于FRP的性能决定了甲板设计的适用性，挠度要求决定了有关甲板类型和几何形状，以及护栏或护栏的选择。本文将对这些问题和其他项目细节进行讨论。
桥面的选择受外桁外伸部挠度极限的影响。根据美国国家公路和交通官员协会(AASHTO)的跨挠度比建议，采用手铺法而非拉挤法制作的桥面。之所以这么选择的原因是，可以调整甲板的截面几何形状，以满足使用性能的限制。玻璃钢甲板由夹在两个表面或结构表面之间的蜂窝芯组成。这种桥梁设计还将考虑到在满足挠度标准和总体成本。具体来说，较深的截面将增加FRP材料成本和建造与主跨度桥面高度相匹配的混凝土的成本。
甲板的几何结构也影响了加强筋支架的设计，该支架将在每个隔板位置向外伸部提供离散的支撑点。
有限元分析表明，桥面在横向上的弹性明显增强，影响荷载分布，但桥面的挠度和应力完全没有降低。因此，不采用这种设计。
最后，车辆轨道/护栏的选择也受到悬坠的影响。混凝土护栏和钢护栏都需要进行检验评估。AASHTO允许减少外部荷载的混凝土屏障，因为结构的连续性会提升甲板的强度。然而，有限元分析表明该操作不适用于玻璃钢甲板。这类原因及恒载的考虑会影响钢护栏的选择。
导言
在过去的十年里，大量有关于纤维增强聚合物(FRP)复合桥面的研究已经开展，以另一种方案对桥梁进行修复。但目前对于这种创新的建筑材料仍然缺乏合适的设计理念。玻璃钢具有较强的强度及较低的刚度，这往往主导着桥面的设计。传统的挠度标准通常不适用于玻璃钢，因此玻璃钢的安全系数较之其他材料更大。此外，AASHTO的挠度准则是基于对混凝土桥面的主观评价，纤维增强聚合物桥面的标准还没有正式确定。
位于Wildcat Creek北岔口的900E县公路作为一个典型案例，使用玻璃钢进行桥面修复和桥面拓宽，这也是印第安纳州的第一个案例。这座桥遇到了一个非比寻常的问题，在这之前没有FRP甲板的施工经验可供参考。随着甲板宽度的增加，由此产生的大挠度超过了L/300的AASHTO挠度准则。这一问题导致了FRP桥面设计中未预料到的、以前未解决的问题，因为与使用性能有关的研究只适用于主跨挠度[2]、[7]
本文分别采用有限元法和结构分析软件ABAQUS和SAP2000对悬挑结构进行了数值分析。目的是模拟悬挑在AASHTO HS20-44卡车载荷下的状态，因为根据AASHTO挠度准则，该案例的挠度明显存在问题。解决方案的其中一条是利用基于假定的混凝土屏障连续性的AASHTO加载，并在挠度较大处增加加强筋托架，以提供额外的支撑点。另一方案是对聚合物混凝土磨损表面应变进行限制，用以替代L/300的挠度标准。
案例研究桥:cr900e横跨Wildcat Creek大桥
这座桥将通过用玻璃钢桥面替换现有的混凝土桥面来进行修复。Wildcat Creek大桥是一个三跨连续钢桁结构，有两个混凝土引桥(图1)。玻璃钢桥面的更换只会发生在三跨钢桁主跨上。桥的三跨连续部分由50英尺-60英尺-50英尺长的部分组成，最初是27英尺10英寸宽。这座桥的修复项目是一项独特的挑战，因为该结构将在不改变上部结构的情况下进行拓宽。提议的最终宽度是28英尺8英寸。拓宽道路，从24英尺到28英尺。钻柱间距将保持在5英尺7英寸，最终为3 英尺2英寸。如图2所示，挠度是应用了FRP的工程中最大的。
图1 Wildcat Creek大桥平面图
图2 Wildcat Creek大桥截面图
Wildcat Creek大桥横截面图(3个主跨)和桥面卡车载荷的问题
AASHTO L/300悬臂适用性标准限制了桥梁的挠度。一般来说，适用性标准是为了控制车辆经过结构时引起的振动，这些振动可以被行人感受到。这些限制是根据经验和人类忍受震动的主观参数推导出来的。
堪萨斯结构复合材料公司(KSCI)所提出的手工叠层夹层甲板在拉挤式甲板方案中被采用。KSCI FRP甲板由夹在两个面或结构表面之间的蜂窝芯组成。岩心深度和工作面厚度可以定制，以满足设计要求，这具有明显的优势。
AASHTO跨挠度比与极限强度相比，是产生破坏荷载的一个更加重要的因素。为了演示悬垂处的使用极限状态，一个等效的玻璃钢梁悬垂一个支撑物来模拟Wildcat Creek大桥的悬垂挠度。该模型将演示弯曲和剪切变形，因为对于FRP夹层结构而言，材料受力变形是尤为重要的。对于满足所有其他设计要求的玻璃钢甲板配置，纵梁间距为5英尺7英寸。还有一个3英尺2英寸的凸起，悬垂处产生的偏转为0.78英寸。因此在荷载下，悬挑的挠度比AASHTO推荐适用的标准的要高六倍。
加劲肋架概念
为了满足悬挑挠度，工程师提出了在筋膜纵桁处放置舷外支架的想法，每隔12英尺在隔膜处间隔添加舷外支架，或加强支架。悬臂加强筋箍的位置在隔膜位置是为了限制筋膜纵筋的扭转，加强筋支架跨度达2英尺。
利用ABAQUS软件对悬臂梁进行详细的有限元分析。这个模型尺寸为3英尺2英寸。Wildcat Creek大桥的悬臂部分宽12英尺。依照此宽度制作如下一组加强筋托架。对KSCI夹层板的实际几何形状进行建模，即面板和蜂窝芯(图3)。ABAQUS中用于建模FRP面板的材料性能是通过Peterman[4]进行的吸塑试件试验获得的。
根据Wildcat Creek大桥的玻璃钢桥面设计方案，面板的总深度为10英寸。由0.5英寸的面板和一个9英寸深的核心组成。面板到核心的接口被建模软件视为完美连接。施加载荷包括一个分布在12英寸上的车轮载荷。为了便于建模，需要对斑块面积进行划分，而载荷主要集中在面板的中心。
图3 KSCI面板到蜂窝芯接口
FRP板沿筋板纵梁截面深度固定支撑(图4)
FRP板底部采用加强筋支架支撑，仅抑制竖向位移，它们本质上是滚柱支架。面板和蜂窝芯均采用4节点线性四边形壳体单元进行网格划分。
表一总结了关键结果，从有限元分析比较有无加劲肋支架的状态。关键变量用固定端最大弯曲应力和面板自由端最大挠度表示。两种模型的最大应力和挠度相同，表明了加强筋支架的无效。这种反应是由于甲板在其横向方向上的相对弹性，因为这些甲板主要设计为单向板。
表1 有限元分析结果
图4 加强筋支架概念和模型
混凝土护栏与钢护栏
在决定为Wildcat Creek大桥选择钢护栏或混凝土护栏时，使用连续混凝土护栏具有潜在优势。根据AASHTO规范(AASHTO 3.6.1.3.4)的规定，如果采用连续混凝土护栏，悬挑轮点载荷可降低为等效线载荷[8]。如果隔板能够保持甲板的连续性，则可以减少悬挑载荷。对其进行有限元分析，结果表明符合AASHTO规范。适用于这种特殊的玻璃钢桥面系统。分析的目的是证明是否混凝土屏障的连续性实际上会减少整体挠度。
利用有限元程序ABAQUS对两种不同模型进行分析
此分析代表了带有混凝土屏障的玻璃钢桥面，玻璃钢桥面和混凝土桥面之间的屏障具有连续性(假设玻璃钢桥面和混凝土桥面之间的混凝土屏障没有接缝)。
第一个模型包括混凝土屏障的几何形状(33英寸)，自重分布在屏障的足迹。在屏障和玻璃钢甲板之间建立了完美的连接。悬挑处的屏障下方没有提供垂直支撑。玻璃钢自重应用于整个面板。
第二种模型忽略了屏障的几何结构，取而代之的是等效的分布荷载。两款车型均采用AASHITO HS20-44卡车加载加冲击加载。每个轮载都保守地分布在10英寸x10英寸上。补丁;设计卡车的所有六个轮子都包括在内。为了将甲板的挠度与纵桁的挠度隔离开来，纵桁的整个长度都被保守地固定住。通过在混凝土屏障的表面提供销钉支撑，屏障被限制在桥梁的每一端。该分析是为了比较混凝土屏障的几何形状对悬挑的整体刚度的贡献的重要性。两种分析的挠度相似，表明混凝土屏障的连续性是无关紧要的。因此，不能利用悬挑荷载的变化进行设计。
其他可用方案
假设聚合物混凝土耐磨表面和玻璃钢面板之间有完美的粘结，磨损表面的极限应变是一个主要的问题，这是悬挑处的大挠度造成的。但值得注意的是，磨损表面有可能产生裂纹。
根据之前的分析，混凝土护栏不能为悬挑提供足够的刚度，因此决定在Wildcat Creek大桥的最终设计中应该选择钢护栏。出于这个原因,与SAP2000分析包括钢护栏选项验证菌株玻璃钢面板的顶部表面不会超过极限应变。
采用等效玻璃钢梁模型研究了多种载荷。根据AASHTO规范，最主要的载荷包括死载荷和活载荷。自重包括钢护栏的自重加上玻璃钢桥面及其磨损面自重，再乘以保守过载系数1.5。活载表示为HS20-44轴载乘以1.75的保守过载系数。这导致了2 -28基普车轮载荷再次间隔6英尺。FRP甲板的最大应变为3180mu;xi;。
观察到的最大应变为FRP极限应变的33%和聚合物混凝土磨损表面极限应变的16%。因此，磨损面开裂不构成一个问题。
摘要和结论
在设计玻璃钢桥面系统时，应根据刚度的考虑确定截面尺寸，然后进行强度极限状态校核。推荐使用此程序，因为玻璃增强复合材料的使用性能通常取决于其固有的高强度和低刚度特性。
加劲肋支架的并不能解决FRP板的挠度问题，基于12英尺的间距(即膜片间距)和16 kips的服务轮载荷，将挠度和应力最大化，考虑到载荷相对于护栏/屏障的悬挑位置。有限元分析证明甲板是更灵活的横向方向,影响负载分配和导致绝对没有减少偏转或压力与支架支持因此增加额外的材料和劳动力的成本只会增加现有设计的桥,没有额外的好处。
根据分析研究和实际考虑，Wildcat Creek案例研究桥的护栏选择是钢栏杆，而不是混凝土护栏。
基于有限元分析，得出的结论是，混凝土屏障不提供任何预期的连续性，甲板外伸，因此，外伸车轮载荷不能减少为线载荷根据AASHTO。
从磨损面分析和最坏情况下的加载情况(包括恒载和活载)来看，产生的弯曲应变为玻璃钢面板极限应变的33%和聚合物混凝土磨损面极限应变的16%。即使在桥上有保守的因素荷载，也能达到一个相当大的安全系数。根据SAP2000的分析和过去研究人员的极限应变值，可以得出结论，假设在制造过程中质量控制是可以接受的，聚合物混凝土磨损面在使用荷载下不会开裂。
参考文献
[1] ASCE Structures Division. (1958). “Deflection limitations of bridges, progress report of the Committee on Deflection Limitations of Bridges of the Structural Division.” J. Struct. Div. ASCE, 84(3).
[2] Demitz, J.R.; Mertz, D.R.; Gillespie, J.W., “Deflection Requirements for Bridges Constructed with Advanced Composite Materials”, ASCE Journal of Bridge Engineering, Vol 8, No 2, March 2003, pp 7383.
[3] GangaRao, Hota; Halabe, Udaya; and Shekar, Vimala “Specifications for FRP Highway Bridge Applications, Final Report”, Contract Requirement for FHWA Contract No. DTFH6100C00021, 2002.
[4] Kalny, O; Peterman, R., Ramirez, G., “Performance Evaluation of Repair Technique for Damaged Fiber-Reinforced Polymer Honeycomb Bridge Deck Panels”, ASCE Journal of Bridge Engineering, Vol 9, No 1, January 2004, pp 7586.
[5] Lopez, Maria del Mar “Laboratory Testing of FRP Beams.” Research Project C-01-49; Transportation Research and Development Bureau, NYSDOT.
[6] Righman,
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