基于抗風特性的高性能橋梁面板復合材料制備及性能

摘要：橋梁面板在風力載荷作用下會表現出形變、開裂、渣化的問題，而這些問題都會對橋梁結構的穩定性造成影響。為增強橋梁結構的穩定性，避免面板結構出現不良表現，在考慮抗風特性的情況下，制備高性能復合材料型橋梁面板。按照一定的配比關系，混合原材料，設計風力荷載、橋梁結構、風力壓力測試三類不同的試驗，并根據橋梁面板形變量、裂度水平與面板切面渣化度的試驗情況，分析高性能復合材料橋梁面板的抗風特性。

關鍵詞：抗風特性；復合材料；橋梁面板；風力荷載；橋梁結構

中圖分類號：TQ323.5；U444文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2025）02-0084-04

Preparation and properties of high-performance bridge panel composites based on wind resistance

LI Liang1，JIA Jie1，QIN Peilei2

（1.Northecest Forestry University，Harbin 150040，China；

2.China Kailway Construction Ningxia Expressway Co.，Ltd.，Yinchuan 750011，China）

Abstract：The bridge panel will show the problems of deformation，cracking and slag under the action of wind load，and these problems will affect the stability of the bridge structure.In order to enhance the stability of the bridge structure and avoid the poor performance of the panel structure，a high-performance composite bridge panel was pre?pared under the condition of considering the wind resistance characteristics.According to a certain ratio relation?ship，mixed raw materials，three different types of tests of wind load，bridge structure and wind pressure test were de?signed，and the wind resistance characteristics of high-performance composite bridge panels were analyzed accord?ing to the test conditions of bridge panel deformation，crack level and slag degree of panel section.

Key words：wind resistance characteristics；composite materials；bridge panels；wind load；bridge structure

高性能復合材料是指由2種或2種以上異性材料復合而成的新型材料，具有特殊的功能與結構。在橋梁建設項目中，高性能復合材料經過纖維纏繞、熱熔預浸等處理工藝后，橋梁結構體的物理性能可以得到大幅提升[1]。由于高性能復合材料具有卓越的抗拉強度和耐久性，且在澆筑橋面時，還需利用混凝土構件對連接節點進行補強，所以在長期的重復荷載下，橋梁結構也不易出現疲勞性裂紋[2]。

隨著使用需求的日益嚴格，如何設計出力學穩定性更強的橋梁結構成為一項亟待解決的問題。常青山等[3]人提出了利用抗擾動超高性能混凝土加固橋梁面板的設計方法。李宗儒等[4]提出了基于聚氨酯材料的橋梁面板設計方法。

為提升橋梁面板的穩定性，使其在外界載荷作用下不會表現出明顯的形變問題，設計考慮抗風特性的高性能復合材料橋梁面板制備方法。橋梁抗風特性主要涉及橋梁結構在風荷載作用下的穩定性、振動響應以及風致破壞的抵抗能力，對于面板組織而言，組織部件的結構形式對其抗風特性也具有顯著影響[5]。因此，在橋梁設計中，充分考慮這些因素，才能使橋梁面板的力學穩定性得到保障。

1試驗部分

1.1原材料及儀器設備選擇

本次試驗中，所選用的復合原料主要以橋梁面板建設填料為主，該填料包含以下7種不同的成分，如粉煤灰、水泥添加劑、高嶺土、碳酸鹽物質、硅微粉、膨潤土、粘接滑石粉；選用的儀器設備主要包括水泥分散機（FS-0.4，曙光科技）；混合試驗箱（GDW4025，華璞恒創儀器）；攪拌機（FS-400D，山東龍煤工礦機械有限公司）；勻漿機（FSH-2A，無錫環沃儀表科技有限公司）；打磨機（L.HYL-III，山東盛泰儀器有限公司）；測風儀器（AT816，寧波旗辰儀器有限公司）。

1.2高性能復合材料制備

以環氧樹脂（南亞塑膠（蘇州）有限公司）為基料，將其添加至分散機之中，經過一段時間的靜止后，再將粉煤灰、水泥添加劑、高嶺土、碳酸鹽物質、硅微粉、膨潤土、粘接滑石粉分批次加入分散機之中，完成對橋梁面板復合材料的制備，各原材料的混合配比關系為100%∶3.6%∶6.1%∶4.2%∶5.0%∶1.8%∶4.3%∶0.9%。

在分散機高速運轉的過程中，向混合原材料中加入一定量的固化劑、稀釋劑與增韌劑其配料關系為33.3%∶10.0%∶20.0%，待分散時間達到40 min后，通過利用混合試驗箱，將原材料研磨遍數控制為5遍，所得到的原材料觸變性能良好，且質地較為均勻、細膩。

1.3試驗設計

為保證試驗結果的準確性與準時性，開始試驗之前，應對試樣進行加工，如圖1所示，并針對試樣性能進行初步測試。

調節鼓風機的強力等級，模擬0～8級不同的風力載荷作用效果，每種載荷作用下橋梁面板所能允許的形變量條件如表1所示。

對于高性能復合材料橋梁面板而言，在風力載荷作用下，剪力效果也有可能對橋梁面板的力學穩定性造成影響。面板結構不允許存在力學形變量時，剪力作用效果不得超過0.5×10-8 N，才能確保不對試驗結果造成影響；面板結構允許存在力學形變量時，也必須保證剪力作用效果不超過1.5×10-8 N，才能夠確保試驗結果的準確性[6]。本次試驗中的剪力效果由鐵塊與橋面之間的摩擦力作用來提供。橋梁面板不存在力學形變量時，剪力作用強度最大值只能達到0.35×10-8 N，小于0.5×10-8 N；橋梁面板存在力學形變量時，剪力作用強度最大值僅為1.41×10-8 N，也沒有超過1.5×10-8 N。因此，剪力作用并不會對橋梁面板的力學穩定性造成影響，即所得復合材料試樣符合試驗需求。

2測試結果及分析

2.1風力荷載測試

在風力載荷作用下，為測試高性能復合材料橋梁面板的力學穩定性，設計如下試驗。利用混凝土澆筑預制橋面板，在剪力鍵閉合的情況下，在縱向接縫中添加一定量的增強材料，以確保接縫可以保持封閉狀態。調節預制橋面板與豎板結構之間的夾角，使2者保持完全垂直的狀態，以確保實驗過程中，豎板結構可為橋梁面板提供良好的支撐作用，詳細的高性能復合材料橋梁面板結構如圖2所示。

截取20 m長、3 m寬的高性能復合材料橋梁面板段作為試驗對象，利用強力鼓風機模擬風力載荷作用，在橋面上放置5塊質量為100 kg的鐵塊，模擬車輛對橋梁面板的力學施加效果。出于安全性考慮，試驗開始前應在橋梁面板底部進行加固處理。

風力荷載試驗就是指不同等級的風力載荷作用下，針對橋梁面板形變量的測量試驗。通常情況下，在風力級數達到4級之前，橋梁面板不會出現形變；而在風力級數保持在5～8級之間時，橋梁面板雖然會出現一定的形變量，但其變形程度較為輕微，基本不會超過1.0×10-3 mm。

2.2風力荷載結果與分析

在風力載荷作用下，對高性能復合材料橋梁面板的形變量進行試驗，具體試驗情況如圖3所示。

由圖3可知，當風力級數為0～4級時，橋梁面板形變量均為零；當風力級數為5～8級時，橋梁面板形變量逐漸增大。在風力載荷作用下，試驗1、試驗2、試驗3、試驗4橋梁面板形變量的數值變化態勢均與表1所示的標準參數變化參數保持一致，且橋梁面板形變量的實驗值始終小于標準參數。

當風力等級達到一定強度時，高性能復合材料橋梁面板雖然表現出了形變問題，但其形變水平并沒有超過當前風力標準下橋梁面板所允許的形變量條件，這就表示該類型橋梁結構的穩定性較強，具有較好的抗風特性[7]，即所制備高性能復合材料橋梁面板在高強度的風力作用下，不會出現明顯形變，能夠保持較好的力學性能。

2.3橋梁結構測試結果與分析

結合風力荷載試驗下橋梁面板的形變量來看，可知應用高性能復合材料所建設橋梁只會在5～8級的風力作用下，才會表現出形變問題。因此，考慮抗風特性的橋梁結構試驗，就是在5～8級的風力荷載作用下，對橋梁面板的橫向、縱向裂度情況進行測量。

表2記錄了橋梁面板在5～8級風力荷載作用下所允許的最大裂度標準。

在5～8級風力荷載作用下，針對高性能復合材料橋梁面板的抗風特性進行試驗，記錄不同風速等級下橋梁面板橫向、縱向裂度的實驗數值，詳情如圖4、圖5所示。

由圖4可知，隨著風力載荷等級的增大，高性能復合材料橋梁面板的橫向水平也呈現出不斷增大的變化態勢，但其試驗數值并沒有超過表2所規定的最大裂度標準。

由圖5可知，高性能復合材料橋梁面板縱向裂度在5級、6級風力載荷作用下的3次試驗結果均為“0”，與表2所要求的裂度標準相符合；在7級、8級風力載荷作用下，3次裂度試驗所得數值也均保持在0～0.04 mm之間與0.04～0.07 mm之間。

結合圖4、圖5的試驗結果來看，橋梁結構試驗對高性能復合材料橋梁面板在風力作用下的斷裂能力進行了測試。受到面板結構建筑形態的影響，在定義最大裂度標準時，水平方向上的數值總是高于數值方向上的數值，而該項數值規律也在試驗過程中得到了驗證。就現有環境情況來看，5～8級的風力荷載已經屬于強度較大的風力作用，若橋梁面板在這種強度的風力作用下依然能夠保持較好的穩定性，就表示該橋梁結構不會受到風力損壞而出現坍塌或損毀的情況[8-9]。綜上可認為，高性能復合材料橋梁面板在橋梁結構方面具有較好的抗風特性，滿足實際橋梁工程的建設需求。

2.4風力壓力測試結果與分析

風力壓力試驗的基本原理包括模擬真實自然環境中的風場作用，通過對被測物體進行觀測和測試，以及分析和處理試驗數據。在風力壓力試驗中，可以通過調節風機的轉速和風道的結構，模擬不同的風速和風向，以滿足不同的試驗需求。同時，通過對被測物體表面貼附的傳感器數據進行觀測，以獲得詳細的耐力數據。

對于高性能復合材料橋梁面板而言，風洞測試就是取面板切面作為試驗對象，在風機的風力載荷作用下，利用傳感器檢測面板結構的抗壓能力。

風力載荷作用于橋梁面板切面會表現為一種壓力作用，且在該壓力下，切面會出現一定的渣化表現。通常情況下，橋梁結構所能允許的最大渣化量為5%，即在風力載荷下，若橋梁面板渣化率不超過5%，橋梁工程的穩定性與耐久性能夠得到保障。

在1 m2的單位橋梁面板上，風力載荷強度與壓力作用之間的數值對應關系，如表3所示。

由表3所示的數值對應關系，利用壓力設備模擬風力載荷的壓力作用，并分析高性能復合材料橋梁面板切面在不同風力載荷壓力下的渣化表現程度，如圖6所示。

分析圖6可知，在風力載荷壓力下，隨著壓力強度的增大橋梁面板渣化程度也在不斷增大，但3次試驗結果的最大渣化值只能達到4.8%，沒有超過5%的渣化率標準。考慮到抗風特性，高性能復合材料的設計應充分考慮橋梁面板在強風環境下的穩定性與穩定性[10-11]。上述實驗充分說明了高性能復合材料橋梁面板在風力載荷壓力下并不會出現過于明顯的渣化表現，這就表示該類型材料在抗風橋梁結構建筑中具有廣泛的應用前景。

3結語

通過精心挑選具有優良性能的復合材料，結合各種先進的儀器設備，制備出了具有出色抗風性能的高性能復合材料橋梁面板。試驗過程中，利用風力荷載實驗、橋梁結構實驗、風力壓力試驗，分析橋梁面板在不同風力作用下的形變量、裂度等級及切面抗壓能力。試驗結果表明，該高性能復合材料橋梁面板在強風環境下展現出優異的穩定性和承載能力，為橋梁的安全運行提供了有力保障。

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（責任編輯：張玉平）