复合材料箱梁桥设计及试验分析 本文关键词：复合材料，试验，分析，设计，箱梁桥
复合材料箱梁桥设计及试验分析 本文简介：摘要：针对紧急情况下大型机械化桥可能无法短时间内到达现场或展开作业的问题，结合复合材料及箱梁桥的特点，设计了一种轻型拼装式复合材料箱梁桥，并对其进行了大量试验。试验结果表明：可基于线弹性假设来计算该箱梁桥在破坏前的变形，该箱梁桥的挠度略大于钢制桥梁。加载和卸载过程中，箱梁桥的应变与载荷基本呈线性关系
复合材料箱梁桥设计及试验分析 本文内容：
摘要：针对紧急情况下大型机械化桥可能无法短时间内到达现场或展开作业的问题，结合复合材料及箱梁桥的特点，设计了一种轻型拼装式复合材料箱梁桥，并对其进行了大量试验。试验结果表明：可基于线弹性假设来计算该箱梁桥在破坏前的变形，该箱梁桥的挠度略大于钢制桥梁。加载和卸载过程中，箱梁桥的应变与载荷基本呈线性关系，且两条载荷-应变曲线平行；整个结构在弹性范围内，没有发生不可恢复变形。
关键词：复合材料；拼装式；箱梁桥
复合材料具有轻质、高强、耐腐蚀等优点，是建造轻便桥梁的理想材料[1]，尤其在军用桥梁中具有显著优势[2-3]，国外已对其开展了一系列相关研究[4-5]。国内近些年也对普通复合材料桥梁的设计方法[6-7]及振动、疲劳[8]等特性进行了探讨。本课题组设计了一种轻型拼装式复合材料箱梁桥，其能克服7m以内的沟壑障碍，且可承载40t坦克履带载荷。在紧急情况下，大型机械化桥可能无法短时间内到达现场或展开作业，而这种轻型、可人工搬运的复合材料箱梁桥能很好地弥补该缺陷，使工作量大幅减少的同时提高了效率，可用于克服多种遂行工程障碍。
1总体方案设计
车辙式拼装箱梁桥整体采用复合材料制备(中间接头采用铝合金)，总长8m、高380mm、总宽3400mm，其中单车辙宽度1200mm，基本尺寸如图1所示。该箱梁桥每条车辙由3个箱梁通过横向连接拉杆拼装成整体，车辙间由横向连杆铰接。整个桥跨包括两个桥节，桥节间通过上下部铝合金接头连接。铝合金整体接头和复合材料箱体通过共固化成型，从而提高了连接的可靠性。单箱梁的结构形式取决于承载能力与制作工艺。总的来说，矩形截面复合材料梁的应用比较广泛；从受力特性来说，通过铺层设计能有效提升抗弯剪能力，同时可适应多种制作工艺。本箱梁桥采用三腔(矩形截面)组合结构(如图2所示)。这是由于过多的腔体设计会极大地提高重量，同时给其制作带来很大的困难，进而影响产品的质量；而过少的腔体会直接导致箱梁承载力的不足。根据以往的经验和计算校核结果，三腔箱梁相对比较适宜，且有利于铺层。此外还采用了比较灵活的手糊成型工艺，其能适应各种形式的复合材料结构，且成本较低。采用横向连接拉杆是为了使箱梁桥具有便捷、运输方便、操作简便等特性，同时保证各横向连接的单箱梁具有受力协同性。本箱梁桥采用横向层插外加拉杆的形式(见图3)，能有效保证单车辙的整体协同性，同时最大限度地减轻重量。从制作工艺方面来说，可简化箱梁桥的模具制作，且便于成型。桥跨纵向连接技术是保证全桥通载能力的关键，其中上部承压、下部铰接的连接形式在各种桥梁结构中应用比较广泛。从材料而言，复合材料除单向拉伸性能尤为突出外，其抗压能力和耐磨性能均不如钢材，但钢的密度远高于复合材料，因此，本箱梁桥采用了上部预埋铝合金承压块、下部预埋钢质铰接耳板的复合连接方式，这就使下部钢质复合接头的抗拉与抗剪能力成为关键。该接头可将钢质拉板的拉力转化为单向碳纤维的拉力(见图4)，依靠钢质拉板和周向缠绕的碳纤维来承受剪力(见图5)，从而充分发挥钢质材料的抗压、耐磨能力，以及碳纤维复合材料的单向抗拉能力。多次实验的结果表明，厚度为20mm的钢质拉板与碳纤维复合后，可承受14~17t的拉力，完全能满足本箱梁桥的受力需求。
2试验分析
履带荷载为40t，每个车辙为20t。根据试验条件，采用两点加载方式对单个箱梁进行加载(加载钢板长1100mm，垫块宽100mm)，如图6所示。通过弯矩等效变换，可得到每个单箱梁的最大承载力为7.5t。
2.1箱体变形和刚度分析
采用缓慢加载的方法进行箱体变形分析，附加质量(2个千斤顶、压力传感器、垫块、加载钢板)共计0.13t。图7为不同荷载作用下，单个箱体的荷载-挠度曲线。从图7可以看出，荷载与挠度基本呈线性关系，这说明可基于线弹性假设来计算箱梁桥在破坏前的变形。此外，当两个加载点荷载各增加0.5t时，挠度增大了14mm。由跨中挠度公式f=Fa(3l2-4a2)/24EI，计算得到单片梁刚度EI=528721540t•mm，则3片梁组装结构的刚度近似为3EI。根据桥梁实际受力情况同时考虑偏载系数(取1.2)，可得到跨中最大挠度为96.5mm。由《轻型渡河桥梁设计规范》可知，容许挠度为70mm，但复合材料桥梁的容许挠度可以相应提高。
2.2箱体应力应变分析
单箱体在使用过程中，其上腹板受到挤压的作用，所受力主要为压缩应力，使用15~18号应变片进行检测；下腹板受到拉力作用，所受力主要为拉伸应力，使用其他应变片进行检测。复合材料断裂应变一般在15000~20000με左右，许用应变通常取3000με(安全系数大于5)。以下主要对受拉面5~14号应变片、受压面15~18号应变片数据进行分析。应变检测位置如图8所示。2.2.1最大应变下腹板最大拉伸应变为14号应变片、上腹板最大压缩应变为16号应变片，二者在载荷作用下的应变如图9所示。由图9可以看出，应变与荷载呈线性关系。在最大荷载作用下，上腹板受压区域最大应变为-855με，下腹板受拉区域最大应变为1448με。这表明在额定荷载下，接头区域复合材料的应变均远小于许用应变，满足设计要求。2.2.2应力分布测试中，5~10号应变片安放于三耳受拉的下腹板上，11~14号应变片安放于二耳受拉的下腹板上，受拉区域在最大荷载时的应变如图10所示。由图10可以看出，由于下腹板为多耳(同时)受拉结构，各受拉区域的应变有所不同，但相差不大，说明箱体下腹板具有极佳的横向协同性，能够取得良好的力分散效果。2.2.3加载和卸载取14号应变片，分析加载和卸载过程中该应变片安放处的应变恢复情况，如图11所示。由图11可以看出，加、卸载过程中应变与荷载基本呈线性关系，且卸载曲线和加载曲线平行。此外在加、卸载过程中，同荷载下所对应的应变之差为一定值，这可能是由于两跨箱梁顶紧所致。因此，整个结构在弹性范围内没有发生不可恢复变形。
3结论
(1)箱梁桥在破坏前的变形可基于线弹性假设来计算，当通载40t载荷时，其挠度为96.5mm，略大于钢制桥梁。(2)最大载荷下，前端接头补强区域最大拉应变为1448με，最大压应变为-855με，均小于许用应变，复合材料箱梁桥的强度满足设计要求。(3)加、卸载过程中，应变与荷载均呈线性关系，且加载曲线与卸载曲线平行。整个结构在弹性范围内没有发生不可恢复变形。
作者：余文明 胡杰 黄新磊
复合材料箱梁桥设计及试验分析 来源：网络整理
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