鋼橋面鋪裝中玻璃纖維增強復合板的黏結可靠性分析

摘要 玻璃纖維增強復合板作為一種新型材料，具有重量輕、強度高、施工簡便等優點，在鋼橋面鋪裝中應用廣泛。為有效探究玻璃纖維復合板（GFRP）黏結性能，保證橋面鋪裝層施工質量，延長使用壽命，該文章通過四點彎曲試驗，對三種常規荷載作用下鋼板-GFRP組合橋面板剪應力實施檢測分析，并通過數值模擬計算對理論分析結果實施檢驗，結果顯示：（1）理論值和模擬分析結果基本相同，各部位剪切強度均未超過樹脂膠強度，因此判定采用樹脂膠對鋼板、GFRP板實施黏結完全可行；（2）GFRP板和鋼板厚度比ɑ越大，結合面處的剪切應力呈先增后減變化；并且當中性軸由鋼板中間部位轉移至GFRP板中間部位時，厚度比ɑ、彈模比β越大，二者結合面處的最大剪切應力越小。

關鍵詞 公路橋梁項目；復合材料；鋼板-GFRP組合橋面板；界面剪應力分析

中圖分類號 U445.4 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）01-0176-03

0 引言

橋面鋪裝層作為橋梁工程重要組成部分，其施工質量優劣直接決定行車安全性、穩定性，對提升橋梁結構耐久性具有重要意義，但伴隨交通量、載重量的不斷增加，橋梁鋪裝層破壞問題日益突出，尤其對于鋼橋面鋪裝破壞情況更加突出，普通鋪裝層難以滿足現狀交通實際需要，所以積極探索出一種新的鋼橋面鋪裝形式尤為重要。為此，該文章提出了玻璃纖維增強復合板材料，并通過相關試驗對其黏結性能及抗剪切性能實施探究，以期能有效提升鋼橋面鋪裝層施工質量，延長橋梁使用壽命。

1 鋼板-GFRP組合板黏結可靠性試驗

1.1 試驗試件設計與制作

正交異性橋面板結構受力形式較為復雜，在交通荷載條件下，U型肋中間面板及其與面板結合部位分別受到正、負彎矩作用，具體情況見下圖1。

根據橋梁運營階段橋面板受力實際情況，通過四點彎曲試驗對鋼板-GFRP組合橋面板實施檢測，并詳細記錄構件破壞情況，按照試驗檢測標準要求制作試驗構件，其中鋼板長×寬×厚=1 500 mm×500 mm×14 mm；GFRP板長、寬分別為1 500 mm和500 mm，厚依次為5 mm、10 mm、20 mm。

每層纖維布厚約0.8 mm，根據GFRP板厚合理確定出所需纖維布數量，并按照實際規格裁切好鋪設在操作平臺之上，采用樹脂∶固化劑按照3∶1配比制備混合液，并將其均勻涂布于纖維布表面，待其完全固結完成后根據標準尺寸進行裁切，從而得到GFRP板。同時，提前對鋼板實施除銹、清潔處理，確保潔凈度不低于Sa2.5級，鋼板清潔完成后在其表面噴灑丙酮溶液，全面清除表面殘渣，然后按照樹脂∶固化劑=1∶1配比制備黏結劑，涂刷于鋼板之上，完成GFRP板與鋼板的組合黏結，并實施加載固化[1]。

1.2 試驗過程

正彎矩工況試驗結果：按照試驗檢測操作規程，分別對3種板厚的鋼板-GFRP組合板實施四點彎曲疲勞試驗，試驗過程中施加正彎矩作用（頂面GFRP板、底面鋼板分別承受壓力和拉力作用），試驗結果顯示：前期加載過程中，荷載作用越大，構件跨中部位產生變形越大，二者呈線性關系；而當荷載達到鋼板屈服強度后，荷載作用越大，構件變形呈非線性增大，且當荷載達到一定程度后，構件發出斷裂聲，直到加荷部位GFRP板產生破壞，此時鋼板出現彎曲變形，且無法還原，但與GFRP板結合效果良好，未產生層間分離[2]。

負彎矩工況試驗結果：同樣，按照上述步驟分別對3種板厚的鋼板-GFRP構件實施彎曲試驗，試驗過程中施加負彎矩作用（頂面鋼板與底面GFRP板分別承受壓力和拉力作用）。

試驗結果顯示：前期加載過程中，荷載作用越大，構件跨中部位產生變形越大，二者呈線性關系；而當荷載達到鋼板屈服強度后，荷載作用越大，構件變形呈非線性增大，且當荷載達到一定程度后，左邊支座系統失效，鋼板產生較大變形，且無法還原，呈塑性變形狀態，整個試驗過程未產生纖維脆斷聲，GFRP板整體較為完整，未產生破壞，并且GFRP板和鋼板結合效果良好，未產生層間分離。

2 鋼板-GFRP組合板黏結剪應力分析

2.1 3種常見荷載形式下界面剪應力

鋼板-GFRP板構件技術參數及局部構造圖，見下圖2、圖3所示。鋼板、GFRP板之間完全結合，且二者層間剝離作用力微小，通常狀況下很難出現層間分離現象，但極易在膠縫處產生剪切破壞，從而造成構件強度下降，引發結構疲勞破壞。在外力影響下，鋼板及GFRP結合部位剪切應力顯著增大，從而引發結構變形[3]，具體包括兩種情況：（1）忽略界面剪切作用條件下鋼板-GFRP板構件變形情況；（2）不忽略界面剪切作用條件下鋼板-GFRP板構件變形情況。

2.2 界面剪應力算例分析及與有限元方法比較

對稱荷載、均布荷載及跨中集中荷載條件下鋼板-GFRP板構件規格完全相同，長×寬×厚=1 200 mm

×500 mm×24 mm，鋼板、GFRP板厚分別為14.0 mm和10.0 mm，其中樹脂膠厚可忽略，其抗剪強度為12.0 MPa。

為有效檢驗理論試驗準確性，通過ANSYS系統構建數值模型，對各種荷載作用下鋼板-GFRP板結合面剪切應力實施模擬計算分析，因板體規格較小，為全面反映板體實際受力情況，選擇整跨組合板進行分析，其中鋼板、GFRP板完全通過SOLID65立體模型進行模擬[4]。同時，由于鋼板、GFRP板模量不同，導致結合部位材料特性存在顯著差異，會在一定程度上影響模擬結果準確性，因此應對網格實施細化，通過模擬分析得到三種荷載條件下鋼板-GFRP板內部剪切應力分布圖，見圖4所示。

從上圖4可知：理論值和模擬分析結果基本相同，結合部位最大剪切應力偏差不超過10.0%，各種荷載作用下，組合板跨中部位的剪切應力均為0，最大剪切應力位移支座部位，但其剪切強度均未超過樹脂膠強度，因此判定采用樹脂膠對鋼板、GFRP板實施黏結完全可行。

2.3 界面剪應力的影響參數分析

相關研究表明，鋼板-GFRP組合板界面剪切應力影響因素主要包括鋼板與GFRP板彈性模量比及厚度比，為此該文針對均布荷載條件下各種指標對鋼板-GFRP組合板結合部位最大剪切應力實施模擬計算分析，詳細結果如圖5所示，其中ɑ表示GFRP和鋼板厚度比，即ɑ=hg/hs，β表示GFRP板和鋼板之間的彈模比，即β=Eg/Es。

從上圖5可知：GFRP板和鋼板厚度比ɑ、彈模比β對二者結合部位的剪切應力密切相關，厚度比ɑ越大，結合面處的剪切應力先逐漸增大，達到一定程度后逐漸下降，其中厚度比ɑ=2.0條件下，結合面處的剪切應力最大，并且當中性軸由鋼板中間部位轉移至GFRP板中間部位時，厚度比ɑ、彈模比β越大，二者結合面處的越小[5]。

3 結語

綜上所述，該文章通過四點彎曲試驗，對鋼板-GFRP板黏結效果實施檢驗，并利用數值模型對三種常規荷載作用下鋼板-GFRP組合橋面板剪應力實施模擬計算，通過數值模擬結果與理論結果比較，驗證理論分析結果的準確性。具體結論如下：

（1）通過四點彎曲試驗對正負彎矩條件下鋼板-GFRP組合板疲勞破壞性能實施檢測，結果顯示GFRP板和鋼板結合效果良好，未產生層間分離。

（2）通過界面剪應力算例分析及數值模擬對比，得到理論值和模擬分析結果基本相同，各部位剪切強度均未超過樹脂膠強度，因此判定采用樹脂膠對鋼板、GFRP板實施黏結完全可行。

（3）GFRP板和鋼板厚度比ɑ越大，結合面處的剪切應力先逐漸增大，達到一定程度后逐漸下降，其中厚度比ɑ=2.0條件下，結合面處的剪切應力最大。并且當中性軸由鋼板中間部位轉移至GFRP板中間部位時，厚度比ɑ、彈模比β越大，二者結合面處的越小。

參考文獻

[1]李孟然，孟江.大跨GFRP桁架管道橋設計探索[J].山西建筑， 2021（23）：127-129.

[2]李根.GFRP組合式橋面板在橋梁結構中的應用研究[J].科技風， 2021（22）：118-120.

[3]趙少偉，任梓煒，郭蓉等.溫度循環作用后CFRP-混凝土界面黏結性能研究[J].重慶交通大學學報（自然科學版）， 2022（10）：69-76.

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[5]姜曉彬，盧童玲，鐘振華.輕型組合橋面板鋼箱梁在高架橋中的應用[J].福建交通科技， 2023（5）：51-55.

收稿日期：2024-06-17

作者簡介：史宏杰（1984—），男，本科，工程師，主要從事土木工程管理工作。