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轻质UHPC—FRP复合板系统
Munaf A. Al—Ramahee，S.M.ASCE【1】；Titchenda Chan，S.M.ASCE【2】；Kevin R. Mackie，M.ASCE【3】；Sahar Ghasemi，S.M.ASCE【4】；Amir Mirmiran，F.ASCE【5】
摘要：本文提出了一种在真空下采用树脂流塑制造的新型轻质低合金复合材料板系统。该系统中的板结构由高抗压强度和耐久性的超高性能混凝土（UHPC）、高抗拉强度的强化碳纤维聚合物（CFRP）和高抗剪强度的玻璃纤维强聚合物（GFRP）组成。高性能模块化面板可用于可移动桥梁，适用力学化增加跨度，面板修理或更换，在加速桥梁施工时进行运输和安装等应用场合。在本文中，七个板单元试件分别按照两个不同的跨度（1220和864 mm）进行制造，并在两种不同的弯曲加载方式（车轮加载和四点加载）下进行测试。实验结果表明，在顶部UHPC板从核心分层而导致破坏之前，该面板的理想目标强度需求基本满足。结果分析和相应的有限元模型（FEMs）表明，荷载传递机制受到UHPC板的破碎和其与核心的界面联系的限制。
DOI：10.1061 /（ASCE）BE.1943—5592.0001049。 copy;2017美国土木工程师学会。
关键词：桥；联系；复合；有限元分析；树脂填充；超高性能混凝土。
1博士生，土木，环境和建筑工程，中佛罗里达大学，佛罗里达州奥兰多市32816—2450，大学工学院民政部讲师Al—Qadisiyah 58002,伊拉克。电子邮件：munaf@knights.ucf.edu
2研究生，土木工程，环境和建筑工程，大学。中佛罗里达州，奥兰多，FL 32816—2450（相应的作者）。电子邮件：kmackie@mail.ucf.edu
3联系教授，土木，环境和建筑工程，大学佛罗里达州中部佛罗里达州奥兰多32816—2450（相应的
作者）。电子邮件：kmackie@mail.ucf.edu
4博士生。土木和环境工程，佛罗里达州国际大学，迈阿密，佛罗里达州33174。电子邮件：sghas006 @ fi u.edu
5教授，教务长，大学教务副校长。德克萨斯州泰勒，泰勒，德克萨斯州75799.电子邮件：amirmiran@uttyler.edu
注意：本手稿于2016年8月29日提交；2017年1月20日通过; 2017年4月12日在线发布，讨论期至2017年9月12日；个别论文使用时必须提交单独的论文。本文是桥梁工程杂志的一部分，copy;ASCE，ISSN 1084—0702。
介 绍
根据联邦公路管理局（FHWA 2015）统计数据，在美国超过611,000座桥梁中，约10％在结构上不合格，另有14％在功能上过时了。其中每四座结构不合理的桥梁中就有三座在板结构上存在主要问题。除了结构上的缺陷之外，桥面板的几何形状和重量常常限制了设计荷载和桥梁的功能。这些桥梁的使用寿命可以通过更换面板来延长（Mirmiran et al。2015）。然而，传统的施工方法和桥面板系统（现浇混凝土桥面板）通常十分耗时并会延误主要交通（Keller et al。2014; Manalo et al。2016），这可能限制了替换桥面板或扩大桥梁桥宽的效益和能力，这一点在城区尤为突出。因此，人们需要一种满足功能要求的板系统，既可以用于现有结构，又能促进桥梁快速施工（ABC）技术。
超高性能混凝土（UHPC）是一种高强度，高延展性和高耐久性的先进结构复合材料。最近UHPC在桥梁方面的应用已被Aaleti和Sritharan在2014年证明是经济有效的。Shann在2012年指出UHPC的耐久性和耐磨性已经使其成为满足结构板和整体行驶接触面双重作用的理想选择。其中的一项应用是带有高强度钢（HSS）钢筋的新型轻质UHPC排水板，其具备由Saleem等人在2011年研发的坚固的行驶面。他们通过一系列不同方面的实验测试证明了带有22号HSS棒的127毫米厚的UHPC排水板的效率。 Ghasemi等人在2016下半年对这套桥面板系统进行了进一步的改进和优化，将16号HSS钢筋的总埋置深度降至114mm，而仍能满足强度和适用性要求。
强化纤维聚合物（FRP）复合材料在现有桥梁的维修和重建上有着越来越多的应用，在新桥梁建设中的应用也有一定程度的增加。玻璃钢复合材料通常表现出如高强度，高刚度重量比，长期耐久性，抗疲劳性和良好的环境抗性等优良性能（Zhang et al.2006），这主要是因为其纤维构成和使用的基质材料。美国许多学者一直在研究已建造的几个全FRP桥面板。其中，Ehlen在1999年研究了与传统FRP桥面板相比的FRP桥面板在生命周期内的成本效益。通过降低施工时间以抵消较高的初始成本，他发现三个FRP桥面板中的一个降低了高交通量情况下的生命周期成本。此外，学者们也测试了许多已经建成玻璃钢夹层板和玻璃钢混合桥面板，以研究FRP在桥梁扩宽工程或在新建筑中作为轻型桥面板的用途
之前，人们在玻璃钢复合材料和夹层板系统的测试中观察到了不同的破坏邢态。其中，顶面和底面的分层，腹板剪切破坏和腹板屈曲是观察到的主要破坏形态。现已有许多技术用于增强板部件之间的结合。如Tuwair等人的夹心桥面板系统。它包括由聚氨酯泡沫芯分隔的强化玻璃纤维聚合物（GFRP）面层，系统组件之间的连接通过连接顶层和底层的瓦楞剪切层得以加强。这些剪切层增加了纵向的核心剪切刚度和整体抗弯刚度。在提高结构抗分层性方面，人们已经研究出FRP混凝土连接的替代品，例如FRP销钉和剪切键，涂层砂层，钢螺栓和穿孔FRP肋（PFR）等。Zhou等人用推理演绎法法研究了FRP—混凝土混合梁中使用PFR连接的效能。他们表明，PFR极限承载力几乎是钢制螺栓极限承载力的2.5倍，并且其抗滑性比钢螺栓防滑性高10倍。
研究目的和计划
虽然玻璃钢夹心板和复合材料板是桥面板替换和新建筑修建的理想选择，但现有FRP板仍然存在某些问题。由于其构成材料玻璃钢的弹性模量较低（Mirmiran et al。2012），以至于GFRP板的屈曲性能难以满足适用性标准。 顶面和底面的在核心部位的分层也限制了系统的性能。 此外，附加的外表面会增加更多的自重到板上，并创建一个额外的易与结构剥离的面层（顶面和覆盖层），本研究的目的是开发和评估一种新型UHPC—FRP复合材料板系统，该系统拥有较轻的重量和许多优越的性能，比如可以提高现有桥梁的设计荷载，并提高其功能性和使用寿命。这种轻便的桥面板将能在扩大现有的桥梁桥宽的同时，不在其子结构上增加额外的重量。在桥面板中，UHPC和FRP的使用可增加桥面板的刚度和强度，最大限度地减少FRP屈曲破坏的可能性，并可用作整体外表面，因此不需要额外的覆盖层。
在进行研究时，使用真空辅助树脂流塑（VARTM）工艺制造7个UHPC—FRP复合材料板单元进行单向弯曲测试，并制造两个板段并进行承压试验以确定垂直加载路径和破坏形态。材料特性的拉伸试验也进行了测试。通过将实验结果与AASHTO（2013）的每一条强度和适用性要求进行比较，发现板单元的有限元模型与实验结果具有良好的一致性，能够用于进一步研究荷载传递机制。
设计和材料
典型的板构造的横截面如图1所示。板的整体深度（H）选择在102—127 mm的范围内，以便与之前研究中的板相容（Saleem et al 。2011; Ghasemi et al。2016a，b），单位宽度设置为254mm。 桥面板应用的典型面板宽度为1,524 mm，因此其中六个面板构件将形成一个典型面板。 板准备了两种不同的尺寸。 第一个尺寸长1,220毫米，深127毫米，第二个尺寸长864毫米，深102毫米。在保留所有板的剪切跨度与深度的比率的情况下，第二套板的长度减少至在VARTM过程中能实现更好的质量控制，
此板系统的主要结构组成为：含有用于承压的顶部UHPC板的UHPC—FRP复合材料板构件（制造后）作为整体外表面； 将单向GRFP（U—GFRP）层压板放置在UHPC板下面以促进结合；单向强化碳纤维聚合物（CFRP）层压板位于板底面上，以提供结构的抗拉强度，倾斜腹板由双向GFRP（B—GFRP）层压板构成， 泡沫被用作填充材料来减少平台重量并增加腹板的屈曲能力。
材料和性能
顶板由商业UHPC材料Ductal制成。 预混料水泥，超塑化剂和高强度钢纤维由北美拉法基公司供应。 之前的研究人员已经对UHPC的力学性能进行了研究。 根据制造商的规范，如果采用热处理工艺，UHPC的抗压强度可以在150到200MPa之间，对于带有金属纤维的导管。在裂缝宽度为0.3mm时的裂缝轴向抗拉强度可达10MPa。但本文中介绍的任何样品均未进行热处理工艺处理。试验采用了两批样品，用于铸造顶部UHPC板。 对于第一批和第二批样品，平均28天抗压强度分别为166和160 MPa，使用102 205 mm圆柱体试验。
所使用的碳纤维是来自iLLSTREET Composites（Charleston，South Carolina）的410—g / m 2，12—K单向织物，并且它与聚酯，环氧树脂和乙烯基酯树脂兼容。 置于UHPC板下的单向玻璃纤维是AGY（南卡罗来纳州艾肯市）制造的440g / m2织物。 用于腹板中的双向玻璃纤维是来自美国复合材料公司（佛罗里达州西棕榈滩）0.55mm厚的610g / m2的E—玻璃织物。 短切毡和双向玻璃被用于腹板层中以增加厚度（增加抗弯刚度）并增强树脂流塑性。 短切毡包含随机定向的长玻璃纤维丝束，它们与苯乙烯可溶性粘合剂连接在一起，它们能像胶水一样将纤维连接起来。
乙烯酯通常具有低粘度，这使得它成为很好的树脂灌注选择。 使用来自Fiber Glast Developments（Brookville，Ohio）的乙烯基酯＃1110树脂。其制造商规定的抗拉强度为82 MPa，弹性模量为3,720 MPa。 它具有15—30分钟的适用期，275cps的粘度和良好的耐腐蚀性，并可在24—48小时内完全固化。 泡沫芯是来自Fiber Glast Developments的32kg / m3闭孔聚异氰脲酸酯泡沫。 制造商规定的抗拉模量为8,440 kPa，压缩模量为4,823 kPa。 通过切割和粘合，泡沫很容易定制成所需的形状。
实验样本设计
对一系列板横截面进行初步的剖面屈曲有限元分析（FEA），以选择合适的设计尺寸。 性能控制标准是将自重减至1.0 kN·m2以下，最大深度保持在125 mm，并满足AASHTO荷载要求。 基于加载方式和板宽，经过计算，单向单跨板的活载为47.5kN（AASHTO 2013），这是规定的上限，因为多个单元将抵抗作用在全尺寸面板的荷载。 对于1220和864毫米长的板，相应的中跨弯矩要求分别为13.1和7.8 kN·m。
截面分析的设计目标是在U—CFRP断裂之前压碎顶部UHPC板。 然而，初步有限元分析所取得的实际受力始终受到UHPC与GFRP界面强度假设值的限制。 CFRP层压板厚度（层数）通过分段分析确定，而B—GFRP层压板厚度（层数）通过屈曲分析确定。选择顶部UHPC钢板厚度为13或19 mm，以避免重量的限制并避免冲孔失败。该腹板是使用双向玻璃纤维的多层结构，倾斜度在60到63度之间。腹板定位范围是基于初步FEA选择的。
弯矩曲率分析用于确定复合材料板截面的弯扭性能和有效刚度。 如图1所示，板单元的横截面被分为不同的层次。假设应变按照深度线性变化（曲率恒定并且复合材料之间完美结合）并且可以通过正常应力的平衡计算截面应力。基于材料的本构模型，每层的轴向应变可用于计算的层应力，其中y是从复合截面的中心深度到每层的重心（CG）的距离; 而是在中性轴的应变。 应变和应力分布如图1所示。
将CFRP和GFRP的应力应变关系简化为线性脆性材料的应力应变关系，它们的断裂应变分别为0.015和0.014。对于UHPC，CFRP，U—GFRP和B—GFRP，初步设计中的弹性模量分别假定为45，75，25和10 GPa。 单层用于CFRP，U—GFRP和水平B—GFRP。 使用线性应力应变曲线对UHPC抗压强度进行建模，其应力峰值应变为-0.0032。将UHPC板分成五层。 忽略泡沫对弯曲强度和刚度的影响，并假定倾斜GFRP腹板的膜效应最小，因此B—GFRP应力仅包含顶部和底部水平层（BGc和BGt）。由于材料在破坏之前的应力应变呈线性关系，弯矩曲率图的斜率对应于有效的抗弯刚度。
截面分析结果表明，在假定条件参数范围内，以UHPC顶板破坏为评判标准，平均理论抗弯性能和抗弯刚度分别为34和345kN·m2。
据观察，接近95%的抗弯性能由UHPC板和CFEP提供，只有5%由U—GFRP和B—GFRP提供。在考虑到复合板所有构件的线性模型后，利用等效截面确定抗弯性能和有效刚度是可行的方案。不考虑GFRP的微小影响，初步设计的有效刚度可以根据方程（1）由UHPC和CFRP的性能参数得出。根据UHPC的极限应变计算或根据CFRP的极限应变计算，通过将乘上极限曲率即可得到截面抗弯能力估算值。
（1）
其中，和分别为复合板中UHPC和CFRP的中间深度到重心的距离；，和分别为UHPC的弹性模量，惯性矩和面积；，和分别为CFRP的弹性模量，惯性矩和面积。
在屈曲分析中，FRP腹板被视为弹性梁，而周围的泡沫视为腹板两侧的弹性基础。过去的研究表明泡沫增加了纤维腹板的屈曲能力。除此之外，泡沫还能增强在所设想的板上局部弯曲能力和UHPC板上的抗冲压性能。在1996年Het#39;eny
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