雙格室型GFRP橋面板疲勞性能試驗(yàn)研究

孫 耘劉玉擎，*辛灝輝

（1.同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系，上海 200092；2.西安交通大學(xué)土木工程系，西安 710049）

0 引言

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Fiber Reinforced Polymer，F(xiàn)RP），具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕、快速施工等優(yōu)點(diǎn)［1］，成為土木工程領(lǐng)域繼鋼與混凝土之后的第三種建筑材料。FRP布、FRP片材被用于既有混凝土和鋼結(jié)構(gòu)的修復(fù)加固，以增強(qiáng)其抗彎、抗剪、抗疲勞等性能［2-3］。FRP型材、FRP筋材等以組合結(jié)構(gòu)的形式應(yīng)用于新建結(jié)構(gòu)的柱、梁、板等構(gòu)件［4-5］。在橋面板結(jié)構(gòu)中，F(xiàn)RP材料應(yīng)用主要有拉擠空心橋面板和夾芯橋面板兩種形式，由于拉擠工藝的高效性及模塊化型材運(yùn)輸?shù)谋憷裕瓟D空心橋面板的應(yīng)用更多［1］。

橋面板結(jié)構(gòu)直接承受車(chē)輪荷載的反復(fù)作用，正交異性鋼橋面板受到焊接殘余應(yīng)力影響，混凝土橋面板受到鋼筋銹蝕等影響，在循環(huán)荷載下易發(fā)生疲勞開(kāi)裂。現(xiàn)有的FRP橋面板疲勞性能研究較少，Keller等［6］對(duì)一拉擠FRP橋面板開(kāi)展了1000萬(wàn)次疲勞加載試驗(yàn)，認(rèn)為疲勞荷載未引起橋面板結(jié)構(gòu)的退化和損傷；Chiewanichakorn等［7］對(duì)一鋪設(shè)GFRP橋面板的桁架橋進(jìn)行數(shù)值模擬，考慮了結(jié)構(gòu)的阻尼進(jìn)行動(dòng)力分析，結(jié)果表明在A(yíng)ASHTO的疲勞車(chē)荷載下GFRP橋面板具有無(wú)限疲勞壽命；吳育蔚等［8］對(duì)一預(yù)制FRP纏繞空心橋面板開(kāi)展了中心點(diǎn)加載試驗(yàn)，進(jìn)行了200萬(wàn)次疲勞加載，發(fā)現(xiàn)疲勞對(duì)構(gòu)件剛度影響較小。至21世紀(jì)初，研究普遍認(rèn)為疲勞荷載不引起GFRP橋面板破壞，但此前研究疲勞荷載多基于規(guī)范疲勞車(chē)荷載施加，所施加疲勞荷載上限低于極限荷載的30%，對(duì)高疲勞上限、高應(yīng)力幅的疲勞荷載下FRP橋面板的受力行為仍缺少了解。為此，對(duì)一雙格室型GFRP橋面板開(kāi)展不同循環(huán)荷載下的常幅疲勞試驗(yàn)，測(cè)定其撓度和應(yīng)變隨加載次數(shù)的變化，探討其在輪載作用下的疲勞性能。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件準(zhǔn)備

圖1所示的拉擠GFRP橋面板由雙格室型材單元構(gòu)成［9］，各單元之間通過(guò)膠層粘接，并且在鋼主梁上沿縱向鋪設(shè)，在兩側(cè)外腹板設(shè)置雙榫卯構(gòu)造以增強(qiáng)相鄰單元間的粘結(jié)性能。圖2為拉擠GFRP橋面板單元截面，寬500 mm，高200 mm，頂、底板厚7.5 mm、6 mm，中腹板厚4.5 mm，外腹板厚6 mm。

圖1 GFRP橋面板示意圖Fig.1 Schematic diagram of GFRP bridge deck

圖2 拉擠GFRP橋面板型材構(gòu)造與尺寸（單位：mm）Fig.2 Pultruded GFRP bridge deck cross-section（Unit：mm）

1.2 試件材料特性

橋面板基體材料采用環(huán)氧樹(shù)脂，彈性模量3.35 GPa，壓縮強(qiáng)度120 MPa。增強(qiáng)材料采用9600Tex E級(jí)玻璃纖維原紗和玻璃纖維三軸織物（±45°、90°），玻璃纖維彈性模量74 GPa，拉伸強(qiáng)度2150 MPa。橋面板的頂板、底板及內(nèi)、外腹板的纖維體積率分別為64%、60%、67%、67%，每個(gè)層合板均由對(duì)稱(chēng)鋪設(shè)的5個(gè)單層構(gòu)成，鋪層順序?yàn)椋?°/±45°、90°/0°/±45°、90°/0°］。

2 試驗(yàn)方案

2.1 加載方案

如圖3所示，橋面板試件采用單點(diǎn)加載模式，試件長(zhǎng)2 m，簡(jiǎn)支中心距為1800 mm，支點(diǎn)處填充環(huán)氧砂漿以防止支點(diǎn)剪切破壞。加載位置縱向中心位于跨中，橫向中心位于中腹板上方。荷載通過(guò)250 kN疲勞試驗(yàn)機(jī)加載，采用力控制，加載頻率為6 Hz。疲勞荷載通過(guò)鋼加載塊、橡膠墊傳遞至試件頂板，為模擬車(chē)輪荷載，加載塊尺寸依據(jù)車(chē)輪著地尺寸設(shè)計(jì)為250 mm×250 mm［10］。

采用正弦型恒幅循環(huán)加載，對(duì)疲勞荷載幅進(jìn)行變參數(shù)分析。結(jié)合GFRP橋面板靜力試驗(yàn)結(jié)果，取疲勞荷載上限50 kN、30 kN，分別為試件靜力極值荷載的60%和30%，共設(shè)4組試件，每組1個(gè)試件，見(jiàn)表1。試驗(yàn)中，在疲勞加載前（第0次循環(huán)）及每隔50萬(wàn)次循環(huán)（F50-10試件每隔25萬(wàn)次循環(huán)），停機(jī)進(jìn)行靜載試驗(yàn)，加載速率通過(guò)位移控制，為1 mm/min，加載至對(duì)應(yīng)的疲勞上限荷載值。

表1 試件分組Table 1 Grouping of test specimens

2.2 應(yīng)變片和位移計(jì)布置

圖3、圖4為位移計(jì)和應(yīng)變片布置圖，采用高精度激光位移計(jì)和應(yīng)變片對(duì)各測(cè)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)撓度和應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測(cè)，位移及應(yīng)變數(shù)據(jù)由高速數(shù)據(jù)采集儀連續(xù)采集，每隔1 min采集時(shí)長(zhǎng)1 s，采樣頻率1000 Hz。

圖3 加載及位移計(jì)布置（單位：mm）Fig.3 Experimental setup and transducers layout（Unit：mm）

圖4 應(yīng)變片布置（單位：mm）Fig.4 Strain gauges layout（Unit：mm）

3 疲勞試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 破壞模態(tài)

表2匯總了各試件疲勞試驗(yàn)結(jié)果。F3-5試件進(jìn)行200萬(wàn)次循環(huán)加載后未發(fā)現(xiàn)裂紋，停止加載；F3-15試件200萬(wàn)次加載后頂板裂紋穩(wěn)定發(fā)展，為加速試驗(yàn)提高荷載幅至25 kN，繼續(xù)加載48.7萬(wàn)次破壞，依據(jù)Miner線(xiàn)性累計(jì)損傷理論計(jì)算得到其疲勞壽命為351.5萬(wàn)次；F3-25試件循環(huán)加載113萬(wàn)次后疲勞破壞；F5-10試件在循環(huán)加載前的靜載試驗(yàn)中加載點(diǎn)頂板出現(xiàn)裂紋，經(jīng)25.1萬(wàn)次循環(huán)加載后破壞。

表2 試驗(yàn)結(jié)果匯總Table 2 Summary of test results

F3-15、F3-25和F5-10試件均在加載點(diǎn)處頂板和左腹板（內(nèi)榫側(cè)）出現(xiàn)縱向裂紋，圖5、圖6分別為F3-15、F3-25試件的裂紋形態(tài)。頂板裂紋出現(xiàn)較早，屬于張開(kāi)型裂紋（I型裂紋），位于頂板-中腹板結(jié)合部近邊緣處，靠近內(nèi)榫側(cè)。F3-15、F3-25試件的頂板裂紋均經(jīng)歷了前期快速擴(kuò)展、速率放緩的穩(wěn)定擴(kuò)展、破壞前失穩(wěn)擴(kuò)展三個(gè)階段，由于F5-10試件的疲勞壽命短，經(jīng)過(guò)25萬(wàn)次疲勞加載，停機(jī)靜載時(shí)疲勞裂紋已進(jìn)入失穩(wěn)擴(kuò)展階段。當(dāng)頂板裂紋進(jìn)入失穩(wěn)擴(kuò)展階段后，左腹板（內(nèi)榫側(cè)）萌生數(shù)條裂紋，均位于跨中區(qū)段距頂面40 mm內(nèi)的6 mm板厚段。注意到F3-25試件在循環(huán)加載44萬(wàn)次前，左腹板靠近厚度變化段有裂紋萌生，該處裂紋未隨著疲勞加載繼續(xù)擴(kuò)展。

圖5 F3-15試件疲勞裂紋形態(tài)Fig.5 Fatigue cracks of F3-15 specimen

圖6 F3-25試件疲勞裂紋形態(tài)Fig.6 Fatigue cracks of F3-25 specimen

圖7 為跨中截面的變形圖，在局部荷載的作用下，A點(diǎn)產(chǎn)生較大的下?lián)希敯逖貦M向的彎曲變形受到腹板的約束，在B點(diǎn)、C點(diǎn)產(chǎn)生負(fù)彎矩，頂板上緣受拉。在頂板與左腹板結(jié)合部，彎矩MC傳遞到左腹板D點(diǎn)，左腹板外緣受拉。由于外腹板的榫卯構(gòu)造，截面左右受力不對(duì)稱(chēng)，左格室（內(nèi)榫側(cè)）的板件變形略大于右格室（內(nèi)卯側(cè)），且頂板板厚大于腹板，B、D兩點(diǎn)處橫向彎矩引起的拉應(yīng)力易引起板件開(kāi)裂，與試驗(yàn)觀(guān)測(cè)到的加載點(diǎn)處頂板靠近結(jié)合部邊緣處（B點(diǎn)）、左腹板受壓區(qū)（D點(diǎn)）出現(xiàn)縱向裂紋吻合。

圖7 跨中截面變形圖Fig.7 Deformation diagram of mid-span section

3.2 撓度發(fā)展

圖8 為各試件動(dòng)撓度—加載次數(shù)曲線(xiàn)，其中動(dòng)撓度為疲勞加載過(guò)程中試件最大撓度和最小撓度的差值。F3-5及F3-15的前200萬(wàn)次循環(huán)加載中，動(dòng)撓度維持恒定，表明試件剛度無(wú)明顯變化，說(shuō)明加載點(diǎn)頂板裂紋對(duì)試件剛度影響不大。F3-25試件動(dòng)撓度在前50萬(wàn)次循環(huán)加載中迅速增長(zhǎng)，然后保持穩(wěn)定，100萬(wàn)次循環(huán)加載后出現(xiàn)顯著增長(zhǎng)，F(xiàn)3-15試件荷載幅增大后動(dòng)撓度迅速增長(zhǎng)，動(dòng)撓度的增長(zhǎng)表明試件剛度有所退化，且試件動(dòng)撓度變化與左腹板的裂紋萌生的時(shí)間點(diǎn)相吻合，說(shuō)明腹板裂紋對(duì)試件剛度退化影響顯著。

圖8 動(dòng)撓度—加載次數(shù)曲線(xiàn)Fig.8 Dynamic deflection-loading cycle curves

復(fù)合材料的基體環(huán)氧樹(shù)脂為高聚物，具有黏彈性，宏觀(guān)表現(xiàn)為復(fù)合材料的蠕變性能，即應(yīng)力不變時(shí)變形繼續(xù)增加［11］。圖9為各試件殘余撓度-加載次數(shù)曲線(xiàn)，殘余撓度在疲勞停機(jī)后測(cè)得，F(xiàn)3-5、F3-15、F3-25和F5-10試件最終在跨中分別產(chǎn)生了1.56 mm、1.83 mm、1.41 mm和1.23 mm的殘余變形，殘余變形增長(zhǎng)速率隨循環(huán)加載次數(shù)變化減緩，F(xiàn)3-5、F3-15、F3-25試件在50萬(wàn)次循環(huán)加載后分別產(chǎn)生了49%、74%、79%的最終殘余變形。

圖9 殘余撓度—加載次數(shù)曲線(xiàn)Fig.9 Residual deflection-loading cycle curves

3.3 應(yīng)變發(fā)展

圖10 、圖11分別為F3-25試件疲勞停機(jī)后靜載試驗(yàn)測(cè)得底板的縱橫向應(yīng)變分布，底板沿縱向受拉，靠近中腹板處拉應(yīng)變顯著增大，跨中截面應(yīng)變分布有微小的不對(duì)稱(chēng)，左側(cè)應(yīng)變水平略高于右側(cè)。圖12為外腹板縱向應(yīng)變分布，循環(huán)加載次數(shù)增高，左腹板中性軸下移，100萬(wàn)次循環(huán)加載后右腹板的中性軸出現(xiàn)下移，受壓區(qū)的縱向裂紋引起腹板中性軸下移、剛度下降。

圖10 底板縱向應(yīng)變分布Fig.10 Longitudinal strain distribution of bottom flange

圖11 底板橫向應(yīng)變分布Fig.11 Transverse strain distribution of bottom flange

圖12 外腹板縱向應(yīng)變分布Fig.12 Longitudinal strain distribution of side webs

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)拉擠雙格室型GFRP橋面板開(kāi)展不同循環(huán)荷載下常幅疲勞模型試驗(yàn)，得到如下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）在橫向負(fù)彎矩作用下，加載點(diǎn)處GFRP橋面板頂板近結(jié)合部位置萌生縱向裂紋，頂板裂紋經(jīng)歷了前期快速擴(kuò)展、速率放緩的穩(wěn)定擴(kuò)展、破壞前失穩(wěn)擴(kuò)展三個(gè)階段。

（2）GFRP橋面板腹板裂紋較晚出現(xiàn)，左腹板（內(nèi)榫側(cè)）萌生數(shù)條縱向裂紋。均位于跨中區(qū)段距頂面40 mm內(nèi)的6 mm板厚段。

（3）頂板裂紋對(duì)GFRP橋面板剛度影響不大，腹板裂紋會(huì)引起腹板中性軸下移，導(dǎo)致GFRP橋面板結(jié)構(gòu)剛度退化。