文摘
本文调查的使用玻璃钢(FRP)网格连接板钢筋的无缝桥甲板。检查连接板的设计理念是基于延性的玻璃钢网格适应桥面变形。混合模拟的实现辅助结合实验结果和理论工作。数值分析和实验研究工作的行为连接板和证实了其可行性。结果表明,结构的技术将允许同时成就需要,降低连接板的抗弯刚度接近一个铰链的行为,和可持续性需要链接的板。这项研究的结果支持无缝混凝土桥甲板的争论可能与玻璃钢设计和建造网格连接板。这个概念也将提供一个解决问题的恶化桥面关节和可以使用在新大桥的结构。联邦高速公路管理局提供资金,路易斯安那州交通部通过创新桥研发项目实施使用FRP网格连接板。
1。介绍
成千上万的美国桥梁建造横跨一样简单。伸缩缝桥梁需要使用的码头。关节产生短期和长期的问题。这些问题是泄漏的一些例子通过关节恶化的支撑梁和皮尔斯和碎片积累的关节可以防止它们正常运作。这些问题导致大规模的直接和间接成本(军刀et al。1,2])。因此需要减少或消除在桥桥面伸缩缝。本研究的目的是发展和评估新技术使用在材料和目前的技术进步。本研究提出一个创新的系统。新系统取代伸缩接头连接板。相邻的连接板连接甲板桥主梁跨度不强加任何连续性。板的联系是受到拉力和压力由于负力矩在联合开发的。玻璃钢(FRP)加固用于携带紧张部队(军刀3])和它的耐蚀性。
最常见的一种加固桥梁施工中使用钢棒。钢铁腐蚀造成的恶化一直困扰全国的这些结构,减少他们的使用寿命,增加修理和维护的成本。许多调查解决问题进行了腐蚀等方法降低混凝土的孔隙率,与保护外层涂层钢筋,提高钢筋的封面。但这些方法只能延长时间腐蚀发生。
超过三十年,研究人员调查了使用玻璃钢(玻璃纤维增强聚合物)作为另一种钢筋混凝土结构。近年来,玻璃钢棒的使用结构应用已经获得全世界接受。最近FRP网格用于钢筋混凝土梁和板(Dutta et al。4])。网格是一个刚性的格子,连接在两个肋骨,三或四组和方向。这种网格加固提高能量吸收能力和改进的整体延性结构。这将导致增加混凝土梁和板的极限荷载承载能力。开放网格填充混凝土时,混凝土组合结构的剪切刚度来自填料和混凝土防止肋骨屈曲。玻璃钢复合材料网格内提供一个机械锚固混凝土由于联锁元素(cross-ribs),因此没有适当的荷载传递的债券是必要的。
尽管已经有许多研究FRP-grid-reinforced混凝土梁或板的使用,目前缺乏信息的使用FRP-grid-reinforced具体链接板更换膨胀接头。因为板的联系将会承受负弯矩和热应力,预计设计和性能会有所不同从传统梁或板,这主要是受到积极的弯矩和横向剪切力。因此,有必要进行实验测试和理论建模分析FRP-grid-reinforced具体链接板更换伸缩缝。
2。实验工作
进行测试程序来确定行为和无缝桥甲板静态载荷作用下的力量。无接缝的甲板可以通过更换伸缩接头连接板,可以加入大桥相邻桥主梁跨度不强加任何连续性。连接板将受到拉力由于开发的倾覆力矩的位置。板板的联系是切成束标本来确定连接板的强度拉力。两层的测试程序包括标本FRP网格。在相同的支持条件下测试标本。加载时,变形量、压力和负荷能力为每个试样测量。
2.1。试样
标本被设计根据ASTM C 78, ACI 318,和ACI 440指南,5,6]。由于没有为FRP-grid-reinforced混凝土梁设计代码,现有的设计方程ACI 440玻璃钢rebar-reinforced混凝土梁被修改和使用。标本的横截面是长方形的宽度为300毫米(1英尺),200毫米(8),2.4米(8英尺)长。FRP网格被放置在中心1.2米(4英尺)的光束。第一个标本,梁1,包含两层FRP网格;每个25毫米(1),1.2米(4英尺)长,225毫米(9)。两者之间的明确的间距FRP网格是25毫米(1)。抗剪钢筋梁因为没有提供梁的深度不超过ACI 318的要求5]。另外,三13号(4)钢筋放在标本进行处理。梁的尺寸和截面细节如图11和2,分别。
第二次梁,梁2,包含两层31毫米(1.25英寸)深FRP网格,1200毫米(4英尺)长,225毫米(9)。梁的尺寸和截面细节2类似梁1,如图3。的两个矩形梁铸造批由卡车准备好组合结构和材料实验室在路易斯安那理工大学。模拟野外条件下,梁被治愈28天前他们在干燥空气条件测试。
下的标本进行同样的设置如图1。应用负载和反应是对称光束的中心。标本被放在一个高反应站的加筋型钢。在每个反应点,滚动支座放置标本和钢铁之间的部分。负载应用MTS液压千斤顶加载点。用型钢液压千斤顶和梁标本应用同样的负载加载位置。负载点,滚轮支持提供驱散标本从型钢的负载。杰克是由一个自动激活MTS电动泵。
2.2。仪器的计划
用于测试的仪器包括每个梁的挠度计,一百二十四通道数据采集系统,和50毫米(2)应变式安装在位置的FRP网格上剪切力和弯矩都高。应变式是安装于外表面沿纵向方向。顶部网格被指定为图层1和底部网格被指定为2层。第一层应变式被指定为L1G1通过L1G8从左端向右端电网。同样的,2层应变式被指定为L2G1通过L2G8从左端向右端电网。每个梁的挠度测量在测试期间,梁的跨中挠度计放置。
2.3。测试程序
进行四点弯曲试验,测试负载应用这样一个负弯矩产生了FRP网格梁的位置。连续梁的加载以恒定速率为8.9 kN /分钟(2 kip /分钟),直到失败。进行了四点弯曲测试使用MTS机器。数据收集系统存储的应变和加载数据每季度第二。对于每一个载荷增量,玻璃钢压力和负载数据收集。应用负载和相应的变形量为每个测量梁跨中测试。
2.4。材料特性
混凝土混合物成分见表1。混凝土圆柱体是来自同一批次由当地预拌车的结构和材料实验室在路易斯安那理工大学。
混凝土圆柱体毫米()依照ASTM C511治愈,抗压强度是决定依照ASTM C39。三缸的平均抗压强度被记录为每个测试,强度发展随着时间的推移图所示4。当光束标本测试在28天,混凝土的抗压强度为36.4 MPa (5277 psi)。
FRP网格的材料特性从制造商获得(Fibergrate、复合结构),表中列出2。
2.5。实验结果
标本被设计在FRP加固不足的,所以大应变网格之前的破碎混凝土压缩。讨论将在应变响应失败,整个负载/偏转和失败的模式标本。梁设计有韧性失效极限荷载,是将现有桥甲板服务。弯曲裂缝形成常数时刻地区垂直扩展,成为更广泛的,然后进行对角线的方式向负载点。然后梁倒塌,如图5。
2.6。梁1失败
纵向FRP网格的压力由于应用加载记录。在悬臂部分应变数据表明,纵向应变分布弯矩图。在数据6和7,从应变式获得的数据表明,在高负荷的纵向压力剪切跨度增加超过一个线性变化。这表明,菌株没有正比于应用在这些位置。在极限条件下,轴向应变的FRP网格线性变化的玻璃钢嘲骂和负载。基于前面的讨论,得出的结论是,FRP网格和混凝土之间的债券是统一的。此外,数据中的数据6和7表明变化的应变与加载梁中心略高于靠近负载点,但是两条曲线类似的形式。随着外加负载的增加,压力的变化率在剪跨地区高于常数的时刻。利率越高证明了裂纹的起始和进展在该地区的支持。高水平的菌株在剪跨解释了弯曲/剪切裂纹梁的破坏机构。
2.7。菌株在梁1层1
总共有八个应变式安装监控应变分布。压力测量拉伸压力在所有的抵押品在不同加载申请最终的负载测试。这些测量表明,网格是在紧张。在所有的量规、最大拉伸应变计4中被发现(B1-L1G4),仅仅是位于左、右的支持。最大应变的极限载荷为4.8毫菌株125.5 kN(28.2千磅)。网格的拉伸模量为17.2绩点(ksi)。因此,相对应的拉应力最大拉伸应变为82.7 MPa (12.0 ksi)这是最大拉应力的40%推荐的制造商,如表所示2。载荷应变关系是线性的负载级别75.6 kN (17 kip)当梁开始产生。计5层1的载荷应变分布(B1-L1G5)位于网格的中心和梁表示,压力的变化较低的负载级别84.6 kN (19 kip),在那之后,株高的变化,直到极限荷载。第一层的应变分布梁1表明,应用负载的增加对其最大值,FRP网格应变的分布变得不对称。
2.8。菌株在梁1层2
压力压压力在所有量规测量应用负载的40 kN(9千磅)。然后测量压力改变拉伸极限荷载试验菌株。这些测量表明,网格是在压缩之前的应用负载达到价值40 kN (9 kip);网格是在紧张。在所有量规、最大压应变计7中被发现(B1-L2G7)位于1.65(66年)的左端梁的应用负载40 kN(9千磅)。的载荷应变分布计7层2 (B1-L2G7)表示,最大压应变millistrains−0.074。网格的抗压模量为17.2绩点(ksi)。因此,相对应的压应力最大压应变为1.24 MPa (0.18 ksi)最大压应力的0.6%推荐的制造商。最大拉伸应变计4中被发现(B1-L2G4)是位于右到左的支持。极限载荷的最大压力为1.6 millistrains 125.5 kN(28.2千磅)。网格的拉伸模量为17.2绩点(ksi)。因此,拉伸应力对应于最大拉伸应变为27.4 MPa (3.98 ksi) 13.3%的最大拉伸应力。第一层的应变分布梁2表示,随着外加负载的增加对其最大值,FRP网格应变的分布变得不对称。
2.9。梁2失败
讨论了之前同样适用于行为梁2有两个31毫米(1.25英寸)FRP网格。FRP网格中的应变分布图层1的标本梁2如图8。
2.10。菌株在梁2层1
总共有八个应变式安装监控应变分布。压力测量拉伸压力在所有量规在不同加载申请最终的负载测试。这些测量表明,网格是在紧张。所有量规、最大拉伸应变计4中被发现(B2-L1G4),仅仅是位于左、右的支持。最大应变极限荷载的4.0 millistrains 113.9 kN(25.6千磅)。网格的拉伸模量为17.2绩点(ksi)。因此,拉伸应力对应于最大拉伸应变为69.6 MPa (10.1 ksi) 34%的制造商建议的最大拉伸应力。计5层1的载荷应变分布(B2-L1G5)位于网格的中心和梁表示,在高负载,应用加载应变线性变化。
2.11。菌株在梁2层2
压力测量压压力在所有八个量规的应用负载62.3 kN(14千磅);之后,测量压力的变化对极限载荷拉伸压力测试。这些测量表明,网格是在压缩到62.3 kN的应用负载达到价值(14千磅);网格是在紧张。在所有量规、最大压应变计7中被发现(B2-L2G7)位于右端电网的应用负载31.2 kN(7千磅)。的载荷应变分布计7层2 (B2-L2G7)表示,最大压应变millistrains−0.058。网格的抗压模量为17.2绩点(ksi)。因此,相对应的压应力最大压应变是1 MPa (0.15 ksi)最大压应力的0.5%推荐的制造商。最大拉伸应变计7中还发现(B2-L2G7)。极限载荷的最大压力为0.21 millistrains 114 kN(25.6千磅)。网格的拉伸模量ksi。因此,拉伸应力对应于最大拉伸应变为3.7 MPa (0.53 ksi) 1.8%的最大拉伸应力。
2.12。简的行为
所有标本在四点弯曲测试配置。梁的极限载荷和相应的变形量测量中测试。梁1的载重量为125.5 kN(28.2千磅),梁2 114 kN(25.6千磅)。每个梁的挠度在崩溃是实质性(L / 240)伴随着过度裂化。的载荷挠度响应标本展出三个区域的行为。在低负载应用钢筋混凝土梁的刚度相对较高,表明具体表现以线性弹性的方式。随着负载的增加,极端的弯曲应力纤维增加,直到抗拉强度混凝土的顶部的部分。这使得弯曲裂缝形式,首先恒力矩地区,然后通过梁悬臂部分。发达在弯曲裂缝,开裂后刚度降低和响应成员负载大约是由于postcracking线性刚度。在张力区混凝土裂缝后,FRP网格进行拉力由于应用负载。 As the applied load increased, the tensile stress increased the, beam stiffness was decreasing due to the loss of material stiffness, and the ability of the section to support the tensile stress was reduced. The yield plateau in the slope-deflection curve for beam 2 was longer than that of beam 1, which indicated that beam 2 was more ductile than beam 1, even though the areas of the FRP grids in beam 2 were greater than beam 1.
3所示。理论工作
在这项研究中,有限元模型开发桥与连接板的行为进行调查。两个模型被认为,一个开放与关节关节和另一个封闭的支持。模型的结果比较,用来评估FRP-grid-reinforced连接板的结构行为。
3.1。桥模型描述
这座桥使用软件ANSYS模型被开发。被认为是一个典型的箱梁桥。在每个跨度4 AASHTO类型III大梁,结束,中间横隔膜被建模。甲板上的尺寸设在18米(60英尺)长9米(30英尺)宽设在,200毫米(8)厚设在。的25毫米(1)和150毫米(6)之间被认为是两个相邻甲板(打开关节)和两个相邻跨梁,分别。中心到中心的距离相邻梁的跨度为2.6米(104年)。提供了膜片之间的两个相邻梁,middepth的梁上翼缘的底部。中间横隔膜被放置在顶部的底部法兰底部顶部法兰(军刀et al。7])中间和结束膜片的厚度是175毫米(7)。连接板是建模的距离是600毫米(2英尺)在两个相邻的开放联合。板长度的联系是基于的理论研究表明,结构的载荷挠度行为不会脱胶长度的影响高达5%的梁跨长度(齐亚et al。8])。梁被限制在支持和极端的甲板都是克制的,,方向(翻译)。hl - 93加载被应用于桥梁模型以这样一种方式,他们生产的最大负力矩和张力的连接板。
3.2。元素用于建模
玻璃钢层网状使用SOLID46元素和材料特性(弹性模量、泊松比和密度)的过程中被分配。元素的边缘长度是150毫米(6)。小尺寸元素被选中,是因为玻璃钢的深度是25毫米(1)。桥甲板和膜片网状使用SOLID65元素和材料性能(弹性模量、泊松比和密度)的过程中被分配。具体元素的元素的边缘长度是600毫米(24)。网格是精制两次梁支持正确地抑制梁的桥墩(军刀et al。9])。
3.3。边界条件和加载系统
在模型中,界面区域梁和子结构之间是克制的和方向(翻译)。两个极端的甲板(面积沿深度)是克制的,,方向(翻译)。LRFD桥梁设计(10荷载组合被认为,相应的负载因素应用到模型。车辆活载和活载附加费是应用在桥上。卡车负载应用于连接板产生最大负的时刻。
3.4。比较开放联合板桥桥梁和纽带
有限元模型的细节图所示9。桥的四梁的跨度被指定为S1G1 S1G2 S1G3, S1G4。同样,在第二跨桥的主梁被指定为S2G1 S2G2, S2G3, S2G4和第三桥的跨度梁被指定为S3G1, S3G2 S3G3, S3G4。在所有梁、最大弯曲应力(拉伸)被发现在第一第二梁跨度。
3.5。梁压力
3.5.1。跨度1
弯曲应力(拉伸)底部元素沿着第二梁的跨度为两个桥模型如图10。打开关节的弯曲应力更高板桥桥比链接最多的位置。的最大弯曲应力差1 MPa (150 psi)是观察之间的两个大梁,14.9米的距离从左边(49个尺8寸)的支持。弯曲应力是几乎相同的长度6米(20英尺)从左边支持这两种情况下,但在那之后,强调在开放联合桥都高得多。它可以从图推断的连续性甲板减少梁的弯曲应力。
3.5.2。跨度2
弯曲应力(拉伸)底部元素沿着第二梁在第二跨两桥模型如图11。弯曲应力高的开放联合桥比板桥在所有位置的链接。最大弯曲应力差异为0.28 MPa (40 psi)两个大梁之间的观察,在距离13.1米从左边(43英尺9英寸)的支持。
3.5.3。跨越3
弯曲应力(拉伸)底部元素沿着第二第三跨梁两桥模型如图12。最大弯曲应力差异为0.21 MPa (31 psi)两个大梁之间的观察,在距离3.7米(12英尺)从左边的支持。开放联合桥的弯曲应力高12米(40英尺)从左边的支持和后的弯曲应力高板桥的链接。
3.6。梁的最大弯曲应力
的最大弯曲应力在开放的十二个梁联合桥,板桥的联系,强调开放的百分比变化联合桥与链接板桥见表3。梁的应力高开放联合桥。最大降低34%被发现在桥的主梁跨度2,和最少减少9%跨越3。最大的影响在跨度1卡车负载应用在16%至22%的范围。
3.7。强调在大桥
在大桥,最大和最小横向,纵向,在第一甲板和剪切应力的开放联合桥或板桥的联系,自负载应用于第一桥的跨度。连接板的使用减少了桥面压力。横向应力降低13%以上,纵向应力降低36%以上,和剪切应力降低43%以上。基于这些结果,连接板的使用将提高桥甲板的性能。
3.8。强调在连接板
最大和最小的横向、纵向和剪切应力在两个连接板表所示4。板1和2也加入了连接板1和板2和3也加入了链接板2。更高的压力在连接板连接板1比2因为卡车是放在第一个桥的跨度。最大和最小压力都是顶部表面或底部表面的连接板。
纵向应力沿深度和厚度的连接板1元素底部和顶部元素−1.01 MPa (−146.7 psi)和2.29 MPa (332.8 psi),分别。纵向应力沿深度的底部顶部元素和元素链接板2−0.20 MPa (−28.4 psi)和1.05 MPa (151.9 psi),分别。纵向应力变化从压缩到张力从底部到顶部的元素连接板。最大纵向应力沿长度连接板的顶部元素1.21 MPa (176.1 psi)和0.62 MPa (89.6 psi)连接板1和2,分别。连接板的长度,所有顶级元素对连接板张力。纵向应力的最大值和最小值更高的连接板1比链接板2因为卡车负载是放置在第一跨度的桥梁和纽带连接跨板1 1和桥的跨度2甲板。链接的最大纵向应力沿长度板底部的元素分别为0.29 MPa (−42.1 psi)和0.02 MPa (2.6 psi)连接板1和2,分别。连接板的长度,底部的元素链接板2存在张力。
4所示。结论
FRP网格材料的延性是用来适应桥面变形由梁挠度、混凝土收缩和温度变化。它还将提供一个具有成本效益的解决方案与桥面关节相关恶化问题。
两种类型的FRP-grid-reinforced混凝土板的结构行为进行了研究。比例增大的梁标本模拟实际的甲板共同准备和测试。连接板的设计理念被检查后形成的基础设计FRP网格连接板。改进设计FRP网格连接板/混凝土甲板板接口确认数值分析。
结果表明,结构的技术将允许同时成就需要,降低连接板的抗弯刚度接近一个铰链的行为,和耐久性的需要连接板。整个调查支持论点,耐用无缝混凝土br-idge甲板可能与FRP网格设计和建造连接板。建议链接板技术中使用新大桥的结构。另外,建议使用FRP网格的优点大桥连接板技术在修复和改造是连同所需的侵入性的现场工作发展所需的机械性能在桥面关节。路易斯安那州交通研究中心收到联邦高速公路管理局通过创新基金桥研究和发展项目支持的实现使用FRP网格连接板。
确认
支持这项工作是由路易斯安那州交通研究中心在研究项目。06-2ST和国家项目没有。736-99-1391。另外,本研究中使用的玻璃纤维网格提供的Fibergrate复合结构(http://www.fibergrate.com/)。本研究的内容反映出作者负责的观点提出的事实和数据的准确性。内容不一定反映的官方观点或政策路易斯安那州运输部,路易斯安那州交通研究中心或Fibergrate复合结构。本文不构成标准,规范或规定。