玻璃钢格栅板在战备桥中的应用研究

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1简介
复合材料是由两种或两种以上组分材料组成的新材料。这种新材料既保持了原组分材料的性能特点，又使各组分材料性能互相协同，形成优于原组分材料的特性.复合材料按基体分类，一般分为金属基、陶瓷基和树脂基复合材料.作为土木工程材料应用，一般限于树脂基纤维复合材料，其主要材性优点为1)轻质高强，(2)耐疲劳;(3)抗冲击性能好4)编变小、耐腐蚀。(5)材性可设计，工艺成型简易.其缺点是剪切强度、层间强度及弹性模贵偏低以及易老化等问颐.但这些缺点有的可以通过材料设计加以改进，有的则可以采用结构和构造措施使之改善.这正是纤维材性设计与结构设计特点所在。
1942年，玻瑞纤维增强树脂复合材料在美国首次出现.标志着现代复合材料的诞生.复合材料的出现首先是以满足航空航天和军工部门的需要为目的，但因其良好的材料性能，已被广泛应用于其他领域。·如我国在1982年10月在北京密云建成了世界上第一座玻瑞纤维复合材料公路桥，该桥为单跨简支箱粱桥，双车道。跨径20. 7m,宽11. 8m，由6根蜂窝箱梁组成，可通行汽-15级、挂一80级荷载.美国已完成了一种新型复合材料军用桥梁的样桥研制，该桥采用衍架与箱梁的组合结构，其中衍架部分为主要承载结构。该桥设计荷载为700kN.跨度为54m, 结构的上部弦杆、底部弦杆、拉力联杆和横梁均采用纤维复合材料.所用材料为轻质高强的碳纤维增强环氧树脂。由于采用了新材料，使得该桥战技术性能明显提高.美国采用新材料还研制出了重型坦克冲击桥的样桥，所用材料为可焊接的高强铝合金与石墨碳纤维增强环氧树脂。德国研制的军用固定桥采用了混合结构形式，跨度42m.单节长度7m.车行道宽度4m.载重 600kN.主要采用铝镁合金材料，在必要部位采用了碳纤维增强树脂加强，即采用碳纤维复合材料片材粘贴在铝型材受拉、受压部位.
本文在对玻瑞钢复合材料格栅桥面板的理论分析与试验研究的基础上，提出了一种用复合材料格橱板替代战备钢桥桥面系的方案，可减轻自重，提高器材的性能指标。
2玻瑞钢格栅板受力分析
玻璃钢复合材料对称层合板在宏观上是正交各向异性的，对这类板的横力弯曲问题，通常采用经典层合板理论进行分析计算。经典层合板理论由于力学模型和数学问题简单，是目前被广泛应用的一种实用工程理论.该理论是以克希霍夫(Kirchhoff )弹性薄板理论假设为前提的，其中假定横向剪应变为零，即认为横向抗剪刚度C=二，而抗剪刚度C与抗弯刚度D之比较低是复合材料的材性特点，显然，经典层合板理论的力学模型与实际的材料性能相距较远.精确弹性理论分析表明，对于一般的复合材料层合板，当层合板跨厚比a/h>4。时，经典层合板理论计算结果与实际变形吻合较好。因此，对较厚的复合材料层合板，考虑剪切变形的影响对提高分析精度是十分必要的。
2.1平衡徽分方程的建立
在计人剪切变形影响的层合板理论模型中，以赖斯纳(Reissner)理论的分析计算模型最为简便。该理论将位移函数取为
u(x,y)二一za(x,y);v(x, y)=一zb(x, y)。w=w(x,y)
二为横断面的平均挠度,a,夕为层合板中面法线转角，符号约定以从x,Y轴正方向转向z轴正方向为正.由上式可以推出应变表达式如下:
对于中面对称的复合材料层合板，面内与面外无交叉祸合效应，藕合矩阵〔B]
[A」和弯曲矩阵[D〕中的元素A16 `A26=D16=D2b^0。
2.2简化计算
依据赖斯纳理论，对计人剪切变形影响的复合材料对称层合板弯曲问题，建立的上述控制徽分方程组.相当于六阶偏徽分方程。在每个边界上需满足3个独立的边界条件，才能形成定解问题. 这一定解问题，对简支边界条件，可以方便地求解;对其他边界条件的求解，数学上比较困难。有关文献对类似问题采取引进两个过渡函数的办法，根据柯西一黎曼方程对控制微分方程降阶和边界条件的缩减，可以达到简化计算的目的。参照各向同性板弹性问题的刚度分解法，对复合材料对称层合板横力弯曲问题进行简化分析。
在一定的横向荷载作用下，对于具体的边界支承条件和特定构造的层合板，其变形状态是确定的，与此相对应，式((9)中的待定函数有确定的表达式。通常情况下，3个待定函数的表达式同时涉及弯扭刚度D和剪切刚度C，这说明受横力作用的层合板，其变形是由弯曲变形、剪切变形及弯剪祸合变形3部分组成的.因此，求解复合材料层合板横力弯曲的定解问题相当复杂.采用刚度分解法可简化计算，得出的层合板变形与刚度、荷载应有下面两组函数关系。
通常以挠度作为求解变量确定挠度函数.式(10)只涉及弯扭刚度D，对应的定解问题求得的挠度和转角与弯扭刚度D对应，称为弯曲变形;式(1”只涉及剪切刚度C，对应的定解间题求得的挠度和转角与剪切刚度C相对应，称为剪切变形.把两种情况的求解结果按下式进行线性登加，即可获得原向题的解。
3算例及分析
取玻璃钢复合材料格栅夹心桥面板几何和材料参数如下:长、宽、高分别为1. 85m, 1. 5m和 0. 094m，面板厚。.007m，肋板高0. 08m，纵横肋间距为0. 05m和。.075m,横向荷载为矩形均布荷载=65kN;荷载着地长宽为:cxd=O. 7mXO. 25m.采用刚度分解法求得级数解，其最大挠度为7. 9mm<[w]=L/100=15mm.刚度符合要求.应力符合设计要求。
与现装可分解钢桥桥面系比较，单块玻璃钢桥面板重90kg。按桥面铺装层重为桥面板的50% 估算，则玻璃钢格栅板桥面板重180kg/m，而现行军用可分解钢桥桥面系重340kg/m，可减轻自重 47%，体积跟小纵梁相近。
4模型试验及分析
为了进一步研究格栅板桥面系的受力性能，并验证格栅板桥面系的强度、刚度和计算模型的正确性，利用现有格栅板产品进行模型试验。
模型采用复合材料模压工艺加工而成。基体材料采用P61-972不饱和聚脂，面板增强纤维采用1，I中碱玻璃纤维布，肋板采用无捻中碱玻璃纤维，组分材料的体积比:面板纤维含量43%, 肋板纤维含量38%。由于格栅板加工工艺的特点，试件面板的增强纤维分布比较均匀，肋板的构造有分层的倾向。考虑费用问题，加工出的试件尺寸为:90cm X 60cm X 5. 0cm肋板在两个方向等间距配置，间距为3. 8cm，肋板高为3. 8cm.厚度为5. 5mm。面板增强层厚度为0.065mm.http://www.czlvjia.com
对模型试验结果的分析表明:
(1)在横向荷载作用下，格栅板的破坏形式以分层为主。因此，实际应用时，对格栅板的边缘要采取构造加强措施，如为减小肋板的分层现象，可增加肋板与面板之间的倒角宽度，板侧面布置竖向纤维等。
(2)采用刚度分解法简化计算结果与实测结果吻合较好。