双格室型GFRP桥面板疲劳性能试验研究

孙 耘刘玉擎，*辛灏辉

（1.同济大学桥梁工程系，上海 200092；
2.西安交通大学土木工程系，西安 710049）

纤维增强复合材料（Fiber Reinforced Polymer，FRP），具有轻质高强、耐腐蚀、快速施工等优点［1］，成为土木工程领域继钢与混凝土之后的第三种建筑材料。FRP布、FRP片材被用于既有混凝土和钢结构的修复加固，以增强其抗弯、抗剪、抗疲劳等性能［2-3］。FRP型材、FRP筋材等以组合结构的形式应用于新建结构的柱、梁、板等构件［4-5］。在桥面板结构中，FRP材料应用主要有拉挤空心桥面板和夹芯桥面板两种形式，由于拉挤工艺的高效性及模块化型材运输的便利性，拉挤空心桥面板的应用更多［1］。

桥面板结构直接承受车轮荷载的反复作用，正交异性钢桥面板受到焊接残余应力影响，混凝土桥面板受到钢筋锈蚀等影响，在循环荷载下易发生疲劳开裂。现有的FRP桥面板疲劳性能研究较少，Keller等［6］对一拉挤FRP桥面板开展了1000万次疲劳加载试验，认为疲劳荷载未引起桥面板结构的退化和损伤；
Chiewanichakorn等［7］对一铺设GFRP桥面板的桁架桥进行数值模拟，考虑了结构的阻尼进行动力分析，结果表明在AASHTO的疲劳车荷载下GFRP桥面板具有无限疲劳寿命；
吴育蔚等［8］对一预制FRP缠绕空心桥面板开展了中心点加载试验，进行了200万次疲劳加载，发现疲劳对构件刚度影响较小。至21世纪初，研究普遍认为疲劳荷载不引起GFRP桥面板破坏，但此前研究疲劳荷载多基于规范疲劳车荷载施加，所施加疲劳荷载上限低于极限荷载的30%，对高疲劳上限、高应力幅的疲劳荷载下FRP桥面板的受力行为仍缺少了解。为此，对一双格室型GFRP桥面板开展不同循环荷载下的常幅疲劳试验，测定其挠度和应变随加载次数的变化，探讨其在轮载作用下的疲劳性能。

1.1 试件准备

图1所示的拉挤GFRP桥面板由双格室型材单元构成［9］，各单元之间通过胶层粘接，并且在钢主梁上沿纵向铺设，在两侧外腹板设置双榫卯构造以增强相邻单元间的粘结性能。图2为拉挤GFRP桥面板单元截面，宽500 mm，高200 mm，顶、底板厚7.5 mm、6 mm，中腹板厚4.5 mm，外腹板厚6 mm。

图1 GFRP桥面板示意图Fig.1 Schematic diagram of GFRP bridge deck

图2 拉挤GFRP桥面板型材构造与尺寸（单位：mm）Fig.2 Pultruded GFRP bridge deck cross-section（Unit：mm）

1.2 试件材料特性

桥面板基体材料采用环氧树脂，弹性模量3.35 GPa，压缩强度120 MPa。增强材料采用9600Tex E级玻璃纤维原纱和玻璃纤维三轴织物（±45°、90°），玻璃纤维弹性模量74 GPa，拉伸强度2150 MPa。桥面板的顶板、底板及内、外腹板的纤维体积率分别为64%、60%、67%、67%，每个层合板均由对称铺设的5个单层构成，铺层顺序为［0°/±45°、90°/0°/±45°、90°/0°］。

2.1 加载方案

如图3所示，桥面板试件采用单点加载模式，试件长2 m，简支中心距为1800 mm，支点处填充环氧砂浆以防止支点剪切破坏。加载位置纵向中心位于跨中，横向中心位于中腹板上方。荷载通过250 kN疲劳试验机加载，采用力控制，加载频率为6 Hz。疲劳荷载通过钢加载块、橡胶垫传递至试件顶板，为模拟车轮荷载，加载块尺寸依据车轮着地尺寸设计为250 mm×250 mm［10］。

采用正弦型恒幅循环加载，对疲劳荷载幅进行变参数分析。结合GFRP桥面板静力试验结果，取疲劳荷载上限50 kN、30 kN，分别为试件静力极值荷载的60%和30%，共设4组试件，每组1个试件，见表1。试验中，在疲劳加载前（第0次循环）及每隔50万次循环（F50-10试件每隔25万次循环），停机进行静载试验，加载速率通过位移控制，为1 mm/min，加载至对应的疲劳上限荷载值。

表1 试件分组Table 1 Grouping of test specimens

2.2 应变片和位移计布置

图3、图4为位移计和应变片布置图，采用高精度激光位移计和应变片对各测点的动态挠度和应变进行监测，位移及应变数据由高速数据采集仪连续采集，每隔1 min采集时长1 s，采样频率1000 Hz。

图3 加载及位移计布置（单位：mm）Fig.3 Experimental setup and transducers layout（Unit：mm）

图4 应变片布置（单位：mm）Fig.4 Strain gauges layout（Unit：mm）

3.1 破坏模态

表2汇总了各试件疲劳试验结果。F3-5试件进行200万次循环加载后未发现裂纹，停止加载；
F3-15试件200万次加载后顶板裂纹稳定发展，为加速试验提高荷载幅至25 kN，继续加载48.7万次破坏，依据Miner线性累计损伤理论计算得到其疲劳寿命为351.5万次；
F3-25试件循环加载113万次后疲劳破坏；
F5-10试件在循环加载前的静载试验中加载点顶板出现裂纹，经25.1万次循环加载后破坏。

表2 试验结果汇总Table 2 Summary of test results

F3-15、F3-25和F5-10试件均在加载点处顶板和左腹板（内榫侧）出现纵向裂纹，图5、图6分别为F3-15、F3-25试件的裂纹形态。顶板裂纹出现较早，属于张开型裂纹（I型裂纹），位于顶板-中腹板结合部近边缘处，靠近内榫侧。F3-15、F3-25试件的顶板裂纹均经历了前期快速扩展、速率放缓的稳定扩展、破坏前失稳扩展三个阶段，由于F5-10试件的疲劳寿命短，经过25万次疲劳加载，停机静载时疲劳裂纹已进入失稳扩展阶段。当顶板裂纹进入失稳扩展阶段后，左腹板（内榫侧）萌生数条裂纹，均位于跨中区段距顶面40 mm内的6 mm板厚段。注意到F3-25试件在循环加载44万次前，左腹板靠近厚度变化段有裂纹萌生，该处裂纹未随着疲劳加载继续扩展。

图5 F3-15试件疲劳裂纹形态Fig.5 Fatigue cracks of F3-15 specimen

图6 F3-25试件疲劳裂纹形态Fig.6 Fatigue cracks of F3-25 specimen

图7 为跨中截面的变形图，在局部荷载的作用下，A点产生较大的下挠，顶板沿横向的弯曲变形受到腹板的约束，在B点、C点产生负弯矩，顶板上缘受拉。在顶板与左腹板结合部，弯矩MC传递到左腹板D点，左腹板外缘受拉。由于外腹板的榫卯构造，截面左右受力不对称，左格室（内榫侧）的板件变形略大于右格室（内卯侧），且顶板板厚大于腹板，B、D两点处横向弯矩引起的拉应力易引起板件开裂，与试验观测到的加载点处顶板靠近结合部边缘处（B点）、左腹板受压区（D点）出现纵向裂纹吻合。

图7 跨中截面变形图Fig.7 Deformation diagram of mid-span section

3.2 挠度发展

图8 为各试件动挠度—加载次数曲线，其中动挠度为疲劳加载过程中试件最大挠度和最小挠度的差值。F3-5及F3-15的前200万次循环加载中，动挠度维持恒定，表明试件刚度无明显变化，说明加载点顶板裂纹对试件刚度影响不大。F3-25试件动挠度在前50万次循环加载中迅速增长，然后保持稳定，100万次循环加载后出现显著增长，F3-15试件荷载幅增大后动挠度迅速增长，动挠度的增长表明试件刚度有所退化，且试件动挠度变化与左腹板的裂纹萌生的时间点相吻合，说明腹板裂纹对试件刚度退化影响显著。

图8 动挠度—加载次数曲线Fig.8 Dynamic deflection-loading cycle curves

复合材料的基体环氧树脂为高聚物，具有黏弹性，宏观表现为复合材料的蠕变性能，即应力不变时变形继续增加［11］。图9为各试件残余挠度-加载次数曲线，残余挠度在疲劳停机后测得，F3-5、F3-15、F3-25和F5-10试件最终在跨中分别产生了1.56 mm、1.83 mm、1.41 mm和1.23 mm的残余变形，残余变形增长速率随循环加载次数变化减缓，F3-5、F3-15、F3-25试件在50万次循环加载后分别产生了49%、74%、79%的最终残余变形。

图9 残余挠度—加载次数曲线Fig.9 Residual deflection-loading cycle curves

3.3 应变发展

图10 、图11分别为F3-25试件疲劳停机后静载试验测得底板的纵横向应变分布，底板沿纵向受拉，靠近中腹板处拉应变显著增大，跨中截面应变分布有微小的不对称，左侧应变水平略高于右侧。图12为外腹板纵向应变分布，循环加载次数增高，左腹板中性轴下移，100万次循环加载后右腹板的中性轴出现下移，受压区的纵向裂纹引起腹板中性轴下移、刚度下降。

图10 底板纵向应变分布Fig.10 Longitudinal strain distribution of bottom flange

图11 底板横向应变分布Fig.11 Transverse strain distribution of bottom flange

图12 外腹板纵向应变分布Fig.12 Longitudinal strain distribution of side webs

通过对拉挤双格室型GFRP桥面板开展不同循环荷载下常幅疲劳模型试验，得到如下几点结论：

（1）在横向负弯矩作用下，加载点处GFRP桥面板顶板近结合部位置萌生纵向裂纹，顶板裂纹经历了前期快速扩展、速率放缓的稳定扩展、破坏前失稳扩展三个阶段。

（2）GFRP桥面板腹板裂纹较晚出现，左腹板（内榫侧）萌生数条纵向裂纹。均位于跨中区段距顶面40 mm内的6 mm板厚段。

（3）顶板裂纹对GFRP桥面板刚度影响不大，腹板裂纹会引起腹板中性轴下移，导致GFRP桥面板结构刚度退化。

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