鐵路橋梁復(fù)合材料人行道步行板的研究

張俊敏

（北京鐵路局保定工務(wù)器材廠，河北保定 071051）

鐵路橋梁復(fù)合材料人行道步行板的研究

張俊敏

（北京鐵路局保定工務(wù)器材廠，河北保定 071051）

鐵路橋梁是鐵路線路的重要組成部分，橋梁人行道上的步行板是保證作業(yè)人員日常作業(yè)安全、車輛安全通過的關(guān)鍵設(shè)備，全路98%以上的步行板是依據(jù)專橋8145圖紙制作的混凝土步行板，但混凝土步行板普遍存在腐蝕掉塊，筋銹蝕，板折斷等病害，有的已危及到行人及施工機(jī)具安全。本文對鐵路橋梁復(fù)合材料人行道步行板進(jìn)行分析研究。

鐵路橋梁 復(fù)合材料 步行板

橋梁人行道上步行板在國內(nèi)還存在少量的橡膠步行板，其采用鋼筋網(wǎng)外硫化橡膠的方式制作，存在成本較高、易老化、撓度大等缺點(diǎn)，使其不能廣泛推廣應(yīng)用。

1　復(fù)合材料步行板技術(shù)特點(diǎn)

復(fù)合材料步行板將玻璃纖維增強(qiáng)材料、不飽和聚酯材料通過拉擠成型生產(chǎn)工藝，在高溫條件下固化成型。具有以下技術(shù)特點(diǎn)：質(zhì)量輕， 強(qiáng)度高，耐酸堿等腐蝕，安裝靈活、快速、便捷，壽命長（設(shè)計(jì)壽命不少于30年），環(huán)保、有益于實(shí)現(xiàn)減振降噪，質(zhì)量穩(wěn)定等。

2　材料性能研究

（1）靜載強(qiáng)度。對于復(fù)合材料人行道板，考慮到混凝土板的設(shè)計(jì)荷載為10Kpa、1.5KN，復(fù)合材料的強(qiáng)度與抗彎剛度正相關(guān)性，因此，該項(xiàng)指標(biāo)設(shè)計(jì)以20KN為基準(zhǔn)。（2）疲勞性能。在設(shè)計(jì)疲勞荷載時(shí)，以30年設(shè)計(jì)壽命考慮，疲勞次數(shù)10萬次，疲勞最小荷載以不小于運(yùn)料小車和行人重量，取值3KN，根據(jù)疲勞最小荷載為最大荷載的20%關(guān)系，取最大荷載為15KN。（3）局部抗壓強(qiáng)度。要求局部抗壓強(qiáng)度不低于5MPa，檢驗(yàn)方式可采用20mm×50mm的承壓件在復(fù)合材料人行道板空腔對應(yīng)位置的縱向加載。（4）撓度要求。撓度控制主要是控制結(jié)構(gòu)體的振幅，對于人行道板，振幅大小將會影響到行人行走時(shí)的體感，針對復(fù)合材料人行道板在該項(xiàng)指標(biāo)設(shè)計(jì)為1.5KN跨中荷載下?lián)隙炔怀^1mm。（5）老化性能。結(jié)合復(fù)合材料人行道板設(shè)計(jì)強(qiáng)度的富余量和安全系數(shù)，可允許模擬30年老化壽命條件，原材料取樣的力學(xué)性能（彎曲強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度）不低于設(shè)計(jì)值的50%即可。

3　產(chǎn)品研制

3.1原材料的選取

（1）玻璃纖維。玻璃鋼是以玻璃纖維為增強(qiáng)材料，以合成樹脂為基體的一種復(fù)合材料。玻璃纖維、合成樹脂及其界面稱為玻璃鋼復(fù)合材料的三大要素。常用的玻璃纖維主要分為以下四種：高堿玻璃纖維、無堿玻璃纖維、耐堿玻璃纖維、高強(qiáng)玻璃纖維。（2）樹脂材料。樹脂一是將分散的增強(qiáng)纖維材料粘結(jié)在一起，使其成為整體，使纖維定向定位；二是起到傳遞作用。增強(qiáng)纖維復(fù)合材料的各項(xiàng)主要性能如電絕緣性能、耐溫防腐性等都是主要由樹脂決定的。（3）輔助材料。輔助材料是促進(jìn)增強(qiáng)纖維材料與樹脂材料之間的結(jié)合，并保證生產(chǎn)工藝可行的輔助性材料，如催化劑、固化劑、脫模劑、防老化劑、填料等。

3.2生產(chǎn)工藝的確定

玻璃鋼產(chǎn)品生產(chǎn)工藝形式有多種，主要有手糊、纏繞、噴射、模壓、拉擠、澆注等。但不論是何種生產(chǎn)工藝，其產(chǎn)品的生產(chǎn)過程基本相同，都可大致歸結(jié)為定型、浸漬、固化三個(gè)要素或階段。拉擠成型工藝最適于生產(chǎn)各種斷面形狀的玻璃鋼型材，如棒、管、實(shí)體型材（工字形、槽形、方形型材）和空腹型材（門窗型材、葉片等）等。

3.3截面設(shè)計(jì)

若將玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料應(yīng)用到人行道板中，考慮到生產(chǎn)工藝及成本，在不改變?nèi)诵械腊宓耐庥^尺寸前提下，需將人行道板設(shè)計(jì)為空心多腔結(jié)構(gòu)，還應(yīng)重點(diǎn)考慮層間剪切強(qiáng)度以及工藝可行性，局部壁或肋板的寬度盡量薄，便于生產(chǎn)時(shí)固化徹底。

3.4力學(xué)分析

考慮到既有線混凝土板的厚度和通用性，試制將采用寬520mm厚70mm的板，因此，在此主要分析該板在兩端固結(jié)條件的局部應(yīng)力值，跨度為1480mm，荷載10Kpa，兩端固結(jié)支撐面寬度為50mm，采用solidwork2014進(jìn)行分析。

由圖1、圖2可知，該條件下，最大位移為跨中位置，為0.439mm，最大應(yīng)力為端部位置，局部最大應(yīng)力為20.03MPa，均在允許設(shè)計(jì)值范圍內(nèi)，且只有設(shè)計(jì)值的20%，材料強(qiáng)度有較大富余。

3.5樣品試制

樣品試制采用30噸的大噸位拉擠設(shè)備，樣品截面寬度超過0.5米，已達(dá)到設(shè)備及模具的極限，考慮固化程度、減少廢品率，速度控制在0.06米/分鐘。為了增強(qiáng)復(fù)合材料人行道板上表面的防滑性能，對生產(chǎn)后的復(fù)合材料人行道板上表面進(jìn)行防滑處理，主要有表面涂料冷噴和表面噴砂兩種方案。

4　試驗(yàn)研究

4.1指標(biāo)制定

綜合復(fù)合材料的材料性能特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，從靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)

············度、局部強(qiáng)度和撓度等四個(gè)方面對成型的復(fù)合材料人行道板進(jìn)行檢驗(yàn)和試驗(yàn)，考慮到是一種新材料的產(chǎn)品，其力學(xué)指標(biāo)應(yīng)高于混凝土人行道板。復(fù)合材料人行道板主要性能參數(shù)指標(biāo)如下：

（1）靜載抗彎強(qiáng)度：≥20KN；（2）疲勞強(qiáng)度：3KN～15KN，10萬次；（3）局部抗壓強(qiáng)度：≥5MPa；（4）撓度要求：1.5KN集中荷載，小于1mm。

4.2靜載抗彎強(qiáng)度

試驗(yàn)時(shí)采用的人行道板長度為1480mm，人行道板兩端支撐面寬度為50mm，試驗(yàn)加載分為0-10KN范圍內(nèi)的逐級加載和0-20KN范圍內(nèi)的加載。在0-10KN范圍內(nèi)加載時(shí)采用逐級加載，每級為1KN，由圖3可知，每級加載均呈階梯狀遞加，整體呈線性，加載、卸載前后均能恢復(fù)到初始值。

在0-20KN范圍內(nèi)加載，最大加載荷載為20KN，由圖4可知，在20KN范圍內(nèi)，人行道板跨中撓度與加載值呈線性關(guān)系，卸載后人行道板跨中撓度恢復(fù)到初始值。在20KN時(shí)對應(yīng)的最大位移為8. 09mm，表面無任何裂紋及破損跡象。在集中加載1.5KN時(shí)，對應(yīng)的跨中撓度為0.61mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

4.3疲勞強(qiáng)度

試驗(yàn)時(shí)采用的人行道板長度為1480mm，人行道板兩端支撐面寬度為50mm，荷載為3KN～15KN，加載頻率4Hz，共計(jì)加載10萬次，人行道板表面及其支距位置均完好無損。

4.4局部抗壓強(qiáng)度

加載塊為承壓面20mm×60mm的剛性輪，加載位置為人行道板空腔位置的跨中，剛性輪兩側(cè)為銳角。當(dāng)加載至961kg時(shí)，沿人行道板長度方向順剛性輪邊界位置出現(xiàn)裂紋，局部下凹3mm，未出現(xiàn)脆性破壞，卸載后，凹陷恢復(fù)正常。根據(jù)上述結(jié)果可知，局部抗壓強(qiáng)度為：

p=9610N/（20mm×60mm）=8.01MPa ≥ 5MPa，符合設(shè)計(jì)要求。

4.5撓度

由圖4中的靜載抗彎強(qiáng)度的檢驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)荷載為1.5KN時(shí)，對應(yīng)的撓度為0.61mm，符合設(shè)計(jì)要求f≤1mm。

5　結(jié)語

綜上所述，復(fù)合材料人行道板從設(shè)計(jì)和生產(chǎn)上均是可行的，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明復(fù)合材料人行道板的強(qiáng)度等參數(shù)也是符合使用要求和設(shè)計(jì)要求的，遠(yuǎn)優(yōu)于混凝土人行道板。截止2015年底，全國鐵路現(xiàn)有橋梁58290座，長6990436m，其中96.8%為圬工橋，除高速鐵路2268座，長1437130m外，其余91.7%是設(shè)角鋼支架人行道的混凝土梁橋，數(shù)量和所占比例巨大。若按1.05m的標(biāo)準(zhǔn)寬度設(shè)置人行道板，設(shè)角鋼支架人行道的人行道板面積將達(dá)1018萬平米。按50%的市場占有率，價(jià)格按1000元/m2估算，則復(fù)合材料人行道板的市場容量初步估算將達(dá)50億元，其應(yīng)用前景十分看好。

張俊敏（1973—），男，河北邢臺人，本科，畢業(yè)于蘭州鐵道學(xué)院，工程師，研究方向：鐵路道岔設(shè)計(jì)。