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拉挤GFRP甲板面板的弯曲蠕变响应：获得全截面粘弹性模量和蠕变系数的建议

摘要

玻璃纤维增强聚合物（GFRP）拉挤弯曲构件通常使用剪切变形梁理论分析其可用性极限状态，考虑它们的短期全截面模量。然而，对于必须考虑粘弹性效应的长期设计，这些全截面特性的时间依赖性尚未得到适当定义，即用于桥面板的多孔板。为了解决这个问题，本文描述了一个关于全尺寸试件GFRP拉挤甲板面板在正常实验室环境条件下均匀分布载荷约5个月的弯曲蠕变响应的实验研究。首先使用芬德利的幂律成功地模拟了板的蠕变行为，证实了这种经验方法能够模拟多层甲板面板的粘弹性响应。接下来，提出了一种实验方法，包括测量不同跨度的板中的蠕变偏差，并在时域中应用铁木辛柯梁理论，以便同时表征全截面弯曲和剪切模量随时间的变化。获得的结果，包括剪切和弯曲的时间相关蠕变系数的设计公式，表明剪切产生的蠕变率要高得多，50年后有效弯曲和剪切刚度减少22％和43％，分别。最后，将这些蠕变系数与最相关的设计指南中建议的系数进行比较。

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介绍

玻璃纤维增强聚合物（GFRP）拉挤材料越来越多地用于各种民用基础设施以及其他几种工业应用[1,2]。特别是自2000年初开发的第三代拉挤结构构件和预制甲板系统，在建造新的桥梁，包括车辆和行人，以及或恢复退化的桥梁方面正在得到越来越多的应用[3e6]。典型的甲板系统包括具有模块化或细胞拉挤横截面的面板，由具有不同厚度的层压薄壁组成，具体取决于预期用途[5e7]。除了提供标准拉挤GFRP成员的共同优势[8]。这种甲板面板由于其自重轻，易于安装， 高强度和良好的耐用性外，还特别有利于桥梁应用即使在恶劣的环境下[4e7]。到目前为止进行的几项实验研究证明，在短期负荷下，不同甲板系统在服务和故障条件下均具有足够的抗弯性能[9e11]。此外，已表明短期刚度特性（全截面模量）[12] 可以使用简化的分析方法以合理的准确度预测细胞层[13]，即一维模型，如梁理论。

尽管具有上述所有优点，但拉挤GFRP平台板存在一些局限性，包括其最初的高成本，相对高的可变形性，脆性破坏和对不稳定现象的高度敏感性[2e5]。此外，由于GFRP基体的聚合性质，面板易受蠕变影响，当长时间施加相当大的恒定载荷（例如，永久载荷，重载重物或磨损表面）时，这可能具有潜在的相关性[2]。关于该问题的文献中的有限信息引起了对在桥梁应用中长期使用拉挤板坯元件的担忧，而且因为它们的设计通常受相对严格的可变形性限制的支配。最近对粘弹性的研究在理论建模的基础上进行复合结构[14,15]。Sa#39;等人提出的文献综述。[16]表明，该领域的几乎所有工作都与小尺寸试样的短期试验有关，只有少数研究试图分析全尺寸拉挤GFRP构件的长期试验的粘弹性弯曲行为[17e19]。接下来总结这些调查。

班克和莫萨拉姆[17] 评估了由一个梁和两个柱（1.8米高，2.7米宽） 组成的宽翼缘（E-玻璃/乙烯基酯）全尺寸框架的长期蠕变性能。框架以4点弯曲加载，最大为其静态失效载荷的1/4。在整个测试期间（10000小时），梁的中跨偏转增加了约22％。结果显示，在最初的2000小时内蠕变速度也更大，之后蠕变速率几乎保持不变。为了预测剪切变形梁理论中框架的长期挠度，研究人员采用芬德利的线性模型来确定与时间相关的刚度特性。经过10年的持续加载后，弯曲和剪切模量的估计减少分别为35％和46％。

Sa#39;等人[18]研究了拉挤玻璃钢(E-玻璃/聚酯)I截面梁(150x75x8mm)的弯曲蠕变响应。1.80米跨径梁在4h内承受1/3的静力破坏荷载，最高可达1600h。随着时间的推移，成功地使用幂律来拟合蠕变中跨变形。预测表明，在加载1年后，蠕变偏差增加了35-100％。作者还对小尺寸层压板（从I形截面壁提取）进行了蠕变弯曲试验，其蠕变速率与全尺寸梁中观察到的非常相似。

Shao和Shanmugam[19]发表了为数不多的研究之一，该研究解决了剪切蠕变对粘度效应引起的整体变形的影响。在3点弯曲下测试两个拉伸的GFRP（E-玻璃/聚酯）板桩，跨度为6.1米，加载到其静态最大载荷的25e-50％，持续9000h。基于简化的芬德利模型，使用在测试期间监测的轴向拉伸和剪切应变来获得粘弹性模量的表达式作为时间的函数（参见章节）4.1）。作者预测30年后与时间相关的拉伸和剪切模量分别相对于其初始值减少68％和36％。然后使用铁木辛柯的梁方程使用这些模量来确定长期挠度，该方程类似于使用平均蠕变的芬德利幂律参数。

上述研究都没有关注拉挤GFRP甲板系统的弯曲蠕变行为。尽管在短期弹性域中特别方便，但是使用简化的分析方法（梁式）来确定全尺寸构件的长期刚度特性的可能性也没有在前面进行过研究。为了实现文献中的上述差距，本文讨论了GFRP平台板在拉挤方向上的弯曲蠕变响应。首次对满载不同持续载荷水平的全尺寸面板进行准静态弯曲试验。测试在约3600小时内进行，实验数据允许通过经验方法评估蠕变参数。在验证这些参数之后，铁木辛柯梁理论在时域中应用于挠度数据，因此明确地考虑了剪切对整体蠕变变形的贡献的演变。该分析程序源于用于短期（弹性）设计的分析程序，旨在同时预测作为时间函数的全尺寸弯曲和剪切模量（全截面结构刚度特性）。该研究的最后部分包括对拉挤GFRP板的直接长期设计公式的提议，即获得（弯曲和剪切）蠕变系数作为时间的函数。

多细胞甲板面板的表征

本节首先描述了本研究中使用的甲板面板的横截面几何形状以及在层压板水平上对拉挤材料进行的机械表征测试。接下来，介绍了在几个甲板面板上进行的全面实验测试;这些试验旨在评估板在拉挤方向上的静态弯曲（短期）行为，即提供它们的弹性性能。

2.1多细胞横截面的几何描述

目前研究中使用的材料包括由Kookmin Composite Infrastructure， Seoul制造的拉挤GFRP多孔甲板板。面板长2.5米（拉挤方向），有两个 面（上下法兰）和八个垂直壁（腹板）[2]，如图所示（图1）。

横截面包括七个管腔，其标称尺寸如下：高75 mm，宽 90 mm，壁厚4 mm(7@90x75mm)。在腹板-法兰连接处，翼缘GES的厚度增加了5毫米。沿着面板的两个侧边缘还有两个垂直卡扣互锁（不对称），可以方便快速地组装相邻的面板;这些是相继安装的，只需通过垂直滑动运动即面板到面板的连接。表格1提供了甲板横截面的主要几何特征。GFRP板由间苯二甲酸聚酯基质制成，增强了多层E-玻 璃粗纱和垫，包括多轴缝合织物和短切原丝垫（外层增强材料）。GFRP材料密度为18.6kN / m3。

2.2拉挤材料的机械特性

为了确定拉挤GFRP材料的机械性能，首先在从细胞部分的薄壁切下的小规模试样上进行表征试验。对于以下类型的载荷进行机械表征：纵向（L）和横向（T）方向的弯曲，拉伸和压缩。还进行了层间剪切和烧尽（无机含量）测试。所有测试均根据相关标准进行[20,21]，根据试验类型使用15至20个试样。从材料特性测试中获得的主要结果列于表2， 就极限应力（），弹性模量（E）而言，泊松比（n）和无机物含量（％，纤维重量）-读者参考的其他细节[2]。所获得的结果与用于类似结构应用的拉挤GFRP 材料的典型性质相对一致。

2.3短期弹性全截面特性

一组全尺寸甲板面板在纵向/拉挤方向上以3点弯曲（3-PB）配置 进行测试，以评估其在使用条件下的可变形性和满量程弹性常数（表观和有效模量）。试验在四个相似的甲板板（S1至S4）上进行，每个甲板以五个不同的跨度（L）加载：0.80米，1.15米，1.50米，2.00 米和2.40米。在这些测试中采用的实验装置，如图所示图2，包括以下部件：钢制装载架，载荷分布钢型材，Enerpac液压千斤顶和 分布梁下方的氯丁橡胶垫。

所有测试的甲板面板均由两对钢制导辊（直径60 mm，由700 mm长钢板连接）简单支撑，一个固定，另一个允许纵向滑动。垂直中跨挠度使用具有50和100mm行程的TML电位移传感器沿着它们的宽度在不同位置测量板。用Novatech测力传感器测量施加的载荷（容量为200 kN）放置在分配梁和液压千斤顶之间。将板单调加载至L / 200的偏转，速度为约0.1kN / s。

图1.多细胞甲板的横截面：（a）尺寸（mm）和（b）俯视图的细节[2].

表格1

面板横截面的标称尺寸和几何特征。

每702.5毫米的横截面宽度。

a忽略按扣唇的宽度。

表2

GFRP甲板的机械性能由4毫米厚的试样（全球平均值plusmn;cv）获得。

泊松比[24] 张力 nLT frac14; 0.30 j nTL frac14; 0.12

层间剪切强度[26] tu -37 mpa plusmn;18%

无机物含量[27] 68％（网）j 65％（法兰）

图2.准静态3-PB测试的设置，包括一个滚轮支架的细节（变焦）

图3.不同跨距的3-PB测试的载荷与中跨挠度曲线（最大挠度L / 200）。

图3绘制了与适用性条件相对应的变形的甲板面板的载荷与中跨挠度曲线（）的关系曲线。对于所测试的五个跨度，所有面板呈现线性弹性行为。表观纵向弹性模量（）1 评估L / 500和L / 200之间的偏转极限，范围从18GPa（较短跨度）到30GPa（较长跨度）。对于每个跨度，表观刚度在所测试的不同系列的板之间表现出一些可变性。这种变化可以通过沿每个板的横截面（从3.5mm到4.5mm变化）测量的层压壁的非均匀厚度来证明。

有效的全尺寸纵向弹性和剪切模量（和）1 然后使用ISO EN 13706：2002（方法A）中建议的方法确定小组的面板[20] 特别适用于拉挤型材。这种实验技术最初由班克提出[13]，涉及应用显然考虑剪切变形的铁木辛柯梁理论。因此，对于本案（在3-PB中的）和每个标准程序I和II，2 分别应用Eq。(1a,b) 到几个跨度（L）允许同时估计两个有效模量（和)。

在等式(1a,b)，I是截面的惯性矩，A是横截面区域面积（见表格1），K是铁木辛柯剪切系数，其值（0.243）是从公式中获得的[2]。值得注意的是，所获得的剪切面积（KA）比仅对应于垂直壁（Aw）的剪切面积（KA）低8％，假设为单一的K（通常用于薄壁I形截面和单格形箱形）部分[22])。

图4 描述了从程序I和II（也用于L / 500和L / 200之间的偏差）获得的有效模量，当考虑三个测试跨度的不同组（对应于面板的细长度的不同范围）时：“短”0.80-1.50米;“中间” 1.15-2.00 米;和“长”1.50-2.40 米（弯曲蠕变试验中使用的范围，见章节3.1）。全部平均有效特性，如图所示图4（用粗线表示）由每个程序提供的总平均值确定：= 31.4GPa和=2.80GPa。尽管与典型的变化范围相比，所获得的G模量相对较低，但这些估计与文献一致[8,21]。

结果呈现在图4表明弯曲和剪切刚度的估计值分别与面板的细长度成正比和反比。还可以注意到，当考虑五个跨度的全

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资料编号：[1041]

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