新型組合材料箱形梁抗彎性能及界面接觸問題的試驗(yàn)研究與數(shù)值分析.pdf

1、由兩種或兩種以上材料組合在一起共同承受荷載的橋梁統(tǒng)稱為組合材料橋梁。隨著新型復(fù)合材料碳纖維（CFRP）用于橋梁加固和超大跨度橋梁普遍采用改性瀝青混合料的橋面鋪裝產(chǎn)生了新型組合材料橋梁。碳纖維加固技術(shù)效果明顯，優(yōu)點(diǎn)突出，為國內(nèi)外工程界的同行們所重視。但其加固機(jī)理、力學(xué)模型比較復(fù)雜，因而需對(duì)這種加固技術(shù)做進(jìn)一步的試驗(yàn)研究與理論分析。改性瀝青混合料性能優(yōu)良，是鋼箱梁正交異性橋面板理想的鋪裝材料。但正交異性鋼橋面板的變形復(fù)雜，局部變形大，鋪裝層

2、常常難以達(dá)到預(yù)期的使用性能要求。本文對(duì)普通CFRP加固和預(yù)應(yīng)力CFRP布加固鋼筋混凝土箱形梁抗彎性能、粘接層界面應(yīng)力和鋼橋面鋪裝的界面問題進(jìn)行了研究，主要的研究工作和創(chuàng)新成果有：
　　(1)針對(duì)一種“先錨固,后張拉”的新型CFRP布錨固裝置和預(yù)應(yīng)力工藝存在著張拉效率低、碳纖維布容易斷絲、張拉扣件龐大的缺點(diǎn)，對(duì)CFRP布錨固裝置和預(yù)應(yīng)力工藝進(jìn)行了改進(jìn),增大了張拉扣件的行程，減小了碳纖維布的彎折角，并考慮箱形梁的剪力滯后效應(yīng)，提出了符

3、合箱形梁空間受力特點(diǎn)的預(yù)應(yīng)力碳纖維布分條加固的方法。同時(shí)結(jié)合試驗(yàn)證實(shí)了這一新型的CFRP布錨固和預(yù)應(yīng)力張拉裝置性能可靠，操作簡便，具有較大的實(shí)用價(jià)值。在試驗(yàn)中，運(yùn)用自制錨具，貼近于工程實(shí)際，以已開裂的箱形梁作為研究對(duì)象，分別按照加固施工時(shí)的實(shí)際條件和實(shí)驗(yàn)室條件進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固開裂箱形梁的試驗(yàn)。從試驗(yàn)中獲得了加固梁荷載位移曲線，粘接層界面粘結(jié)切向應(yīng)力、箱形梁截面應(yīng)變和裂縫的分布規(guī)律。試驗(yàn)顯示,由于箱形梁存在剪力滯后效應(yīng)，箱形梁底板

4、的裂縫分布形態(tài)出現(xiàn)向梁端的凸曲線形式，其界面粘接切向應(yīng)力沿截面橫向分布不均勻，最大應(yīng)力比達(dá)1.28。這個(gè)結(jié)果顯著區(qū)別于加固矩形梁梁底裂縫呈線性，界面粘結(jié)切向應(yīng)力沿橫向均勻分布的特點(diǎn)。試驗(yàn)結(jié)果為理論研究提供了可靠的試驗(yàn)依據(jù)。
　　(2)目前對(duì)界面粘結(jié)應(yīng)力的數(shù)值分析通常是以矩形梁為研究對(duì)象，假定界面粘結(jié)應(yīng)力沿橫向均勻分布而建立的平面有限元模型，并且采用接觸界面單元，無法考慮界面粘接滑移的非線性特點(diǎn)。本文以箱形梁為研究對(duì)象，采用COMB

5、IN39界面單元，引入碳纖維布與混凝土之間的粘接滑移本構(gòu)關(guān)系，建立了一種新型的ANSYS空間有限元模型，較好地模擬了粘接層接觸界面復(fù)雜的受力特點(diǎn),得出了界面粘結(jié)切向應(yīng)力的分布規(guī)律。數(shù)值分析顯示，由于箱形梁存在剪力滯后效應(yīng)，使得加固梁界面粘結(jié)切向應(yīng)力沿橫向存在顯著的不均勻分布現(xiàn)象，并且隨著荷載的增加，界面粘結(jié)切向應(yīng)力不均勻現(xiàn)象更加明顯，最大應(yīng)力比達(dá)到1.14，印證了試驗(yàn)現(xiàn)象。
　　(3)針對(duì)大跨度橋梁鋼橋面瀝青混凝土鋪裝容易出現(xiàn)擁包

6、和搓板破壞，甚至出現(xiàn)橋面鋪裝與鋼箱梁剝離的病害，工程中出現(xiàn)了一種在瀝青混合料與鋼橋面板之間增加鋼纖維混凝土的過渡層，并在鋼橋面板上焊接剪力釘?shù)男滦偷匿摌蛎驿佈b類型，以期提高橋面鋪裝和鋼橋面板之間的結(jié)合強(qiáng)度。本文運(yùn)用ANSYS對(duì)這種新型的鋼橋面鋪裝的界面粘結(jié)應(yīng)力進(jìn)行了研究。從研究結(jié)果得到了界面粘結(jié)應(yīng)力在鋪裝層內(nèi)的分布規(guī)律，以及界面粘結(jié)應(yīng)力在橫橋向和縱橋向的最不利輪載位置，據(jù)此進(jìn)一步分析了在鋼橋面板頂面焊接剪力釘對(duì)鋪裝層界面粘結(jié)應(yīng)力的影響。