粘贴GFRP的钢桥面铺装层的剪切性能

[摘 要]大跨径钢桥由于桥面板厚度薄，容易出现推移、开裂等诸多病害。在桥面钢板上粘贴一定厚度的玻璃钢（gfrp）薄板，形成复合铺装结构，以提高铺装层刚度，延长铺装层使用寿命。采用ansys有限元软件，计算分析复合铺装结构的层间剪切应力分布状况；研究gfrp薄板的模量等对铺装结构受力的影响。结果表明，粘贴不同模量gfrp后，铺装层的应力、应变均出现了不同程度的变化。铺装层与钢板粘结处剪应力为未粘贴gfrp的1.44倍；剪应变减小为0.11%。但粘贴gfrp后铺装层层间最大剪应力和剪应变均大于未粘贴gfrp的铺装层，实际工程中应注重提高沥青铺装层的高温抗变形性能。

[关键词]钢桥面；铺装层；gfrp；剪切；性能

中图分类号：tg113.2文献标识码：a文章编号：1009-914x（2013）21-0000-01 1 引言

中国早期修建的几座大跨度钢桥，如重庆西凌长江大桥、广东虎门大桥、江阴长江大桥、厦门海沧大桥、武汉白沙洲大桥等，钢箱梁顶板厚度都采用了12 mm。通车后不久，几座桥的钢桥面铺装层均出现了不同程度的损坏。除铺装设计本身的原因外，钢桥面板太薄，钢桥面板的局部变形过大，u形加劲肋的肋顶以及横隔板上方的负弯矩，被认为是引起桥面铺装较快损坏的主要原因[1-3]。严重威胁了桥梁结构安全；行车舒适性、安全性差；耗费了大量维护

资金。在不增加自重荷载的前提下增加铺装层的刚度是值得研究的关键技术问题。考虑在钢桥面板上粘贴一定厚度的玻璃纤维增强塑料（gfrp）薄板，以提高铺装层整体刚度，减小重载下的桥面局部变形和肋顶以及横隔板上方的负弯矩[4]。gfrp具有轻质、高强、防腐、保温、绝缘、隔音、寿命长、抗腐蚀、耐老化、物理性能稳定等诸多优点。gfrp的弹性模量介于钢板与环氧沥青混凝土之间，是环氧沥青混凝土的6～8倍。能够起到模量过渡作用，还可以减薄铺装层厚度。另外，gfrp的热膨胀系数与钢板相近，具有变形协调性。在旧钢桥面板上粘贴一定厚度的gfrp薄板，研究不同刚度材料之间粘结耐久性问题，形成一种新型的耐久性复合铺装结构。从而，确保桥梁结构安全，提高铺装层的路用性能，节约工程养护资金。为解决大跨度钢桥桥面板过薄导致沥青铺装层的损坏问题提供了新的思路。

与沥青路面类似，钢桥面沥青混合料铺装层在受到车轮垂直和水平荷载作用时，经常会出现拥包和推移等破坏现象。拥包指铺装层表面的局部隆起；推移横跨沥青表面的波形起伏。铺装层在垂直和水平荷载共同作用下产生层间剪应力，尤其在车辆减速制动荷载和冲击荷载的作用下，出现较大的剪应力，并超过了材料的抗剪强度，引起较大的剪切变形[5]。

由于铺装层与钢板的材料弹性模型相差较大，在铺装层底部与钢板的粘结处易产生较大剪应力，当铺装层与钢板之间的粘结材料较差、层间污染严重时，粘结力薄弱、抗剪切能力差的粘结层就会发

生层间的相对滑移。因此，铺装层与钢桥面板的层间剪应力是控制粘结破坏的主要控制指标。

采用ansys有限元方法分析软件，分析含gfrp薄板的复合铺装层的层间剪切应力分布状况；研究gfrp薄板的模量等对铺装结构受力的影响。 2 有限元计算模型

研究gfrp薄板结构的模量介于沥青铺装层和钢板之间，起到模量过渡的作用。长安大学黄成造[6]研究发现，最大层间剪应力的横向最危险的荷载位置为车轮中心作用在中间加劲肋侧肋的正上方，如图1所示。

由计算结果可以得出以下结论：

（1）粘贴gfrp的钢桥面铺装层层间剪应力要大于未粘贴gfrp的铺装层，但在粘贴gfrp部位出现突变，见图2中纵坐标0.003m处，且在gfrp结构层（0. 003m以下）剪应力明显小于其上部结构。 （2）在0.021m以下的结构层，粘贴gfrp的钢桥面铺装层层间剪应变小于未粘贴gfrp的铺装层；且在粘贴gfrp部位出现突变，见图3中纵坐标0.003m处。在gfrp结构层（0.003m以下）剪应变显著小于未粘贴gfrp的结构层，在gfrp与钢桥面板粘结处（纵坐标为0处）剪应变趋向于零。

（3）铺装层与钢板粘结处的剪应力随gfrp模量的增大而增大，剪应变却随gfrp模量的减小而减小。如表1所示，粘贴60gpa的gfrp后，粘结处剪应力为未粘贴gfrp的1.44倍；但是，剪应变减

小为0.11%。

（4）如图2、图3所示，层间最大剪应力和剪应变出现在距铺装层表面2.3cm处（纵坐标0.027m）。粘贴gfrp后铺装层层间最大剪应力和剪应变均大于未粘贴gfrp的铺装层，且铺装层层间最大剪应力和剪应变均随gfrp模量的增大而增大。应着重提高沥青铺装层的高温抗变形性能。 4 结语

在钢桥面板上粘贴一定厚度的玻璃纤维增强塑料（gfrp）薄板，通过有限元计算研究了粘贴gfrp薄板的钢桥面铺装层的剪切行为。结果表明，粘贴不同模量gfrp后，铺装层的应力、应变均出现了不同程度的变化。铺装层与钢板粘结处剪应力为未粘贴gfrp的1.44倍；剪应变减小为0.11%。但粘贴gfrp后铺装层层间最大剪应力和剪应变均大于未粘贴gfrp的铺装层，实际工程中应注重提高沥青铺装层的高温抗变形性能。 参考文献

[1] 黄卫，胡光伟，张晓春.大跨径钢桥面沥青混合料特性研究[j].公路交通科技，2002，19（2）：53-55.

[2] 顾兴宇，邓学钧，周世忠，周建林.钢桥面系统各项参数敏感性分析[j].公路交通科技，2002，19（3）：69-71.

[3] 葛折圣，张肖宁.一种复合式铺装结构及其铺装方法，中国发明专利， zl200910040615.6，2011.7.20.

[4] 赵锋军，李宇峙，邵腊庚.正交异性钢桥面沥青铺装受力特

征的有限元分析[j].公路交通科技，2004，21（2）：14-18. [5] 李昶、邓学钧.钢箱梁桥桥面铺装层动态响应分析[j].东南大学学报（自然科学版），2004，34（2）：253-256.

[6] 黄成造.钢箱梁桥面铺装力学行为与结构优化研究[d].西安：长安大学博士论文，2010. 作者简介

刘华林（1984 -），男，工程师，主要从事道路设计工作。 葛折贵（19 75-），男，硕士研究生，研究方向：工程管理。e-mail： gzgfxygrl@126.com。