玻璃鋼格柵板在戰(zhàn)備橋中的應(yīng)用研究

yhn010203

1簡介
復(fù)合材料是由兩種或兩種以上組分材料組成的新材料。這種新材料既保持了原組分材料的性能特點，又使各組分材料性能互相協(xié)同，形成優(yōu)于原組分材料的特性.復(fù)合材料按基體分類，一般分為金屬基、陶瓷基和樹脂基復(fù)合材料.作為土木工程材料應(yīng)用，一般限于樹脂基纖維復(fù)合材料，其主要材性優(yōu)點為1)輕質(zhì)高強，(2)耐疲勞;(3)抗沖擊性能好4)編變小、耐腐蝕。(5)材性可設(shè)計，工藝成型簡易.其缺點是剪切強度、層間強度及彈性模貴偏低以及易老化等問頤.但這些缺點有的可以通過材料設(shè)計加以改進，有的則可以采用結(jié)構(gòu)和構(gòu)造措施使之改善.這正是纖維材性設(shè)計與結(jié)構(gòu)設(shè)計特點所在。
1942年，玻瑞纖維增強樹脂復(fù)合材料在美國首次出現(xiàn).標志著現(xiàn)代復(fù)合材料的誕生.復(fù)合材料的出現(xiàn)首先是以滿足航空航天和軍工部門的需要為目的，但因其良好的材料性能，已被廣泛應(yīng)用于其他領(lǐng)域?！と缥覈?982年10月在北京密云建成了世界上第一座玻瑞纖維復(fù)合材料公路橋，該橋為單跨簡支箱粱橋，雙車道?？鐝?0. 7m,寬11. 8m，由6根蜂窩箱梁組成，可通行汽-15級、掛一80級荷載.美國已完成了一種新型復(fù)合材料軍用橋梁的樣橋研制，該橋采用衍架與箱梁的組合結(jié)構(gòu)，其中衍架部分為主要承載結(jié)構(gòu)。該橋設(shè)計荷載為700kN.跨度為54m, 結(jié)構(gòu)的上部弦桿、底部弦桿、拉力聯(lián)桿和橫梁均采用纖維復(fù)合材料.所用材料為輕質(zhì)高強的碳纖維增強環(huán)氧樹脂。由于采用了新材料，使得該橋戰(zhàn)技術(shù)性能明顯提高.美國采用新材料還研制出了重型坦克沖擊橋的樣橋，所用材料為可焊接的高強鋁合金與石墨碳纖維增強環(huán)氧樹脂。德國研制的軍用固定橋采用了混合結(jié)構(gòu)形式，跨度42m.單節(jié)長度7m.車行道寬度4m.載重 600kN.主要采用鋁鎂合金材料，在必要部位采用了碳纖維增強樹脂加強，即采用碳纖維復(fù)合材料片材粘貼在鋁型材受拉、受壓部位.
本文在對玻瑞鋼復(fù)合材料格柵橋面板的理論分析與試驗研究的基礎(chǔ)上，提出了一種用復(fù)合材料格櫥板替代戰(zhàn)備鋼橋橋面系的方案，可減輕自重，提高器材的性能指標。
2玻瑞鋼格柵板受力分析
玻璃鋼復(fù)合材料對稱層合板在宏觀上是正交各向異性的，對這類板的橫力彎曲問題，通常采用經(jīng)典層合板理論進行分析計算。經(jīng)典層合板理論由于力學(xué)模型和數(shù)學(xué)問題簡單，是目前被廣泛應(yīng)用的一種實用工程理論.該理論是以克?；舴?Kirchhoff )彈性薄板理論假設(shè)為前提的，其中假定橫向剪應(yīng)變?yōu)榱?，即認為橫向抗剪剛度C=二，而抗剪剛度C與抗彎剛度D之比較低是復(fù)合材料的材性特點，顯然，經(jīng)典層合板理論的力學(xué)模型與實際的材料性能相距較遠.精確彈性理論分析表明，對于一般的復(fù)合材料層合板，當層合板跨厚比a/h>4。時，經(jīng)典層合板理論計算結(jié)果與實際變形吻合較好。因此，對較厚的復(fù)合材料層合板，考慮剪切變形的影響對提高分析精度是十分必要的。
2.1平衡徽分方程的建立
在計人剪切變形影響的層合板理論模型中，以賴斯納(Reissner)理論的分析計算模型最為簡便。該理論將位移函數(shù)取為
u(x,y)二一za(x,y);v(x, y)=一zb(x, y)。w=w(x,y)
二為橫斷面的平均撓度,a,夕為層合板中面法線轉(zhuǎn)角，符號約定以從x,Y軸正方向轉(zhuǎn)向z軸正方向為正.由上式可以推出應(yīng)變表達式如下:
對于中面對稱的復(fù)合材料層合板，面內(nèi)與面外無交叉禍合效應(yīng)，藕合矩陣〔B]
[A」和彎曲矩陣[D〕中的元素A16 `A26=D16=D2b^0。
2.2簡化計算
依據(jù)賴斯納理論，對計人剪切變形影響的復(fù)合材料對稱層合板彎曲問題，建立的上述控制徽分方程組.相當于六階偏徽分方程。在每個邊界上需滿足3個獨立的邊界條件，才能形成定解問題. 這一定解問題，對簡支邊界條件，可以方便地求解;對其他邊界條件的求解，數(shù)學(xué)上比較困難。有關(guān)文獻對類似問題采取引進兩個過渡函數(shù)的辦法，根據(jù)柯西一黎曼方程對控制微分方程降階和邊界條件的縮減，可以達到簡化計算的目的。參照各向同性板彈性問題的剛度分解法，對復(fù)合材料對稱層合板橫力彎曲問題進行簡化分析。
在一定的橫向荷載作用下，對于具體的邊界支承條件和特定構(gòu)造的層合板，其變形狀態(tài)是確定的，與此相對應(yīng)，式((9)中的待定函數(shù)有確定的表達式。通常情況下，3個待定函數(shù)的表達式同時涉及彎扭剛度D和剪切剛度C，這說明受橫力作用的層合板，其變形是由彎曲變形、剪切變形及彎剪禍合變形3部分組成的.因此，求解復(fù)合材料層合板橫力彎曲的定解問題相當復(fù)雜.采用剛度分解法可簡化計算，得出的層合板變形與剛度、荷載應(yīng)有下面兩組函數(shù)關(guān)系。
通常以撓度作為求解變量確定撓度函數(shù).式(10)只涉及彎扭剛度D，對應(yīng)的定解問題求得的撓度和轉(zhuǎn)角與彎扭剛度D對應(yīng)，稱為彎曲變形;式(1”只涉及剪切剛度C，對應(yīng)的定解間題求得的撓度和轉(zhuǎn)角與剪切剛度C相對應(yīng)，稱為剪切變形.把兩種情況的求解結(jié)果按下式進行線性登加，即可獲得原向題的解。
3算例及分析
取玻璃鋼復(fù)合材料格柵夾心橋面板幾何和材料參數(shù)如下:長、寬、高分別為1. 85m, 1. 5m和 0. 094m，面板厚。.007m，肋板高0. 08m，縱橫肋間距為0. 05m和。.075m,橫向荷載為矩形均布荷載=65kN;荷載著地長寬為:cxd=O. 7mXO. 25m.采用剛度分解法求得級數(shù)解，其最大撓度為7. 9mm<[w]=L/100=15mm.剛度符合要求.應(yīng)力符合設(shè)計要求。
與現(xiàn)裝可分解鋼橋橋面系比較，單塊玻璃鋼橋面板重90kg。按橋面鋪裝層重為橋面板的50% 估算，則玻璃鋼格柵板橋面板重180kg/m，而現(xiàn)行軍用可分解鋼橋橋面系重340kg/m，可減輕自重 47%，體積跟小縱梁相近。
4模型試驗及分析
為了進一步研究格柵板橋面系的受力性能，并驗證格柵板橋面系的強度、剛度和計算模型的正確性，利用現(xiàn)有格柵板產(chǎn)品進行模型試驗。
模型采用復(fù)合材料模壓工藝加工而成?；w材料采用P61-972不飽和聚脂，面板增強纖維采用1，I中堿玻璃纖維布，肋板采用無捻中堿玻璃纖維，組分材料的體積比:面板纖維含量43%, 肋板纖維含量38%。由于格柵板加工工藝的特點，試件面板的增強纖維分布比較均勻，肋板的構(gòu)造有分層的傾向。考慮費用問題，加工出的試件尺寸為:90cm X 60cm X 5. 0cm肋板在兩個方向等間距配置，間距為3. 8cm，肋板高為3. 8cm.厚度為5. 5mm。面板增強層厚度為0.065mm.http://www.czlvjia.com
對模型試驗結(jié)果的分析表明:
(1)在橫向荷載作用下，格柵板的破壞形式以分層為主。因此，實際應(yīng)用時，對格柵板的邊緣要采取構(gòu)造加強措施，如為減小肋板的分層現(xiàn)象，可增加肋板與面板之間的倒角寬度，板側(cè)面布置豎向纖維等。
(2)采用剛度分解法簡化計算結(jié)果與實測結(jié)果吻合較好。