CN105369735A - 一种波纹拱夹芯复合材料组合桥面板 - Google Patents

Abstract

本发明属于土木工程中新材料新结构和组合结构领域，具体为一种波纹拱夹芯复合材料组合桥面板。一种波纹拱夹芯复合材料组合桥面板，包括波纹拱肋板，夹芯材料体，复合材料上面板和复合材料下面板四部分，波纹拱肋板通过“凹凸相嵌”形式和粘结剂与下面板相连接，在拱背上方位置填充夹芯材料体形成组合夹芯层，夹芯层与上面板通过螺栓和粘结剂连接。与现有的复合材料桥面板相比，波纹拱肋夹芯复合材料桥面板提高了桥面板局部抗轮压和剪切性能，解决了直接承受轮载的面板变形过大和腹板易局部屈曲的问题；同时，有效抑制了芯板内斜向剪切裂纹扩展。

Description

一种波纹拱夹芯复合材料组合桥面板

技术领域

本发明属于土木工程中新材料新结构和组合结构领域，具体为一种波纹拱夹芯复合材料组合桥面板。

背景技术

应急桥梁是自然灾害或战时等紧急状态下，快速架设在河川、沼泽、沟渠等障碍上的临时桥梁通道，以保障机械、人员和车辆的迅速通过，在救灾抢险和应急保障方面发挥了重要的作用。应急桥梁作为桥梁中的一个分支，除了满足桥梁的共性外，还需具备以下特性：（1）整体结构或构件轻便，方便交通运输；（2）拼装简易，架设速度快；（3）拆卸方便，可以重复使用。为了保证紧急或非正常状态时交通运输的长途无阻，国内外对应急桥梁开展了设计、构造、生产工艺和架设方法的研究。我国在上世纪60年代开始研制生产“321”装配公路钢桥（简称“321”钢桥）。“321”钢桥主要由桁架式主梁，桥面系，连接系和构础组成。“321”钢桥中的桥面板为木质材料，但木材易虫蛀腐蚀，不易存储保养。而后又研制出A型，B型和U型钢质桥面板，但钢桥面板十分笨重，人工拼装架设非常不便。为了体现应急桥梁快速，机动，适用的特点，满足桥梁快速建造的要求，采用轻而坚固的FRP桥面板代替钢桥面板更具优势。

目前，国内外技术人员已研制并开发了多种类型的复合材料桥面体系，主要包括：一种全FRP的空心桥面板，另一种是含夹芯的FRP组合桥面板。由于FRP材料的价格相对较高，全FRP材料桥面板是混凝土的2-3倍，是钢桥板的1.5倍，为节省FRP材料用量，将FRP桥面板设计成板壁较薄的空心结构，但这种空心薄壁面板在局部轮载作用下面板容易局部凹陷和屈曲，刚度是FRP桥面板设计的主要控制因素。为了避免面板的局部挠度过大和失稳，研究人员又开发了一种由面板和芯材组成的夹层结构。最外层面板采用高强度、高模量的材料制成，主要承受弯曲荷载；而由轻质材料制成的芯材主要承受横向剪力，为薄面板提供的横向约束。这种桥面板也有缺点：一是芯材与面板材料属性差别较大，较易在粘结界面发生剪切破坏。二是芯材强度低，容易引起芯材内首先发生剪切破坏。在很多时候，设计出轻便，提供良好刚度和强度的FRP的桥面板是桥梁设计人员的目标。显然，上述任一种桥面板均不能很好满足实际工程的需要。我国地处于自然灾害频发的国家，应对紧急突发事件，研制新型FRP的桥面板，社会意义和工程意义都十分重大。

发明内容

本发明为了克服现有技术中存在的不足，提供了一种带波纹拱夹芯复合材料桥面板。

本发明是采用如下的技术方案实现的：一种波纹拱夹芯复合材料组合桥面板，包括下面板、波纹拱肋板、夹芯材料体和上面板，其中波纹拱肋板包括若干波纹拱和将若干波纹拱连接的连接板，波纹拱肋板设置在下面板和上面板之间，波纹拱肋板上方填充夹芯材料体，波纹拱肋板和夹芯材料体形成组合夹芯层。

该桥面板采用波纹拱肋板和夹芯材料体形成组合夹芯层共同承担剪切荷载，波纹拱对夹芯层起增强作用，解决了现有夹芯板内斜向剪切裂纹扩展问题。

上述的一种波纹拱夹芯复合材料组合桥面板，所述的下面板和上面板为玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维或混杂纤维和不饱和聚酯或乙烯基树脂高分子聚合物通过拉挤工艺成型制得。

上述的一种波纹拱夹芯复合材料组合桥面板，波纹拱肋板由铝板、复合材料、塑料或竹材中的一种制成，其波纹拱纵截面为倒U形、半圆形或梯型中的一种。

上述的一种波纹拱夹芯复合材料组合桥面板，夹芯材料体为聚氨酯泡沫、聚酰亚胺泡沫、PEI泡沫、聚氯乙烯泡沫、碳泡沫、PMI泡沫、聚酰亚胺泡沫、泡沫颗粒与砂的混合料、加气泡沫混凝土、碎木屑、毛竹丝、聚氨酯弹性体、塑料蜂窝球、金属蜂窝球，纸蜂窝球中的一种或几种填充而成。

上述的一种波纹拱夹芯复合材料组合桥面板，波纹拱肋板的各个连接板上均布有凹接头，下面板上相应位置布置有凸接头，波纹拱肋板与下面板通过凹接头、凸接头和粘结剂相连，波纹拱肋板的波纹拱拱顶均布有螺栓孔，上面板相应位置加工有螺栓孔，波纹拱肋板与上面板通过螺栓连接。波纹拱肋板与面板通过榫卯连接能够协调工作，有效抑制了粘结界面的剪切破坏。

上述的一种波纹拱夹芯复合材料组合桥面板，上面板上设置有纵向加劲肋。

上述的一种波纹拱夹芯复合材料组合桥面板，凸接头外形为圆形、椭圆形，矩形中的一种。

相较于传统的FRP桥面板，本发明提供的波纹拱夹芯复合材料组合桥面板具有以下有益效果：

1.将波纹拱管置于复合材料面板夹芯层中，改变了传统桥面板各构件的受力方式，受力更合理，充分发挥了各组件的本身优质的材料力学性能，克服了以往全FRP空心桥面板的刚度不足和易局部屈曲的缺点；

2．将波纹拱肋板置于复合材料面板夹芯层中，波纹拱对芯材起增强作用，有效抑制了现有夹芯板内芯材剪切裂纹扩展问题；

3.在上面板中设有纵向加劲肋，首先提高了上面板的抗变形能力，还能加强上面板与夹芯层的连接，防止连接面的水平剪切破坏；

4.桥面板重量轻，运输安装方便，桥面板各组件间的连接都可以采用机械连接就可以实现，各组件首先在工厂中按照标准模块预制，运到施工现场后快速人工拼装完成，满足了应急桥梁快速，机动，适用的特点。

附图说明

图1为波纹拱夹芯复合材料组合桥面板整体结构示意图。

图2为上面板与波纹拱肋板螺栓连接的局部结构示意图。

图中：1-下面板，2-波纹拱肋板，3-夹芯材料体，4-上面板，5-螺栓，21-螺栓孔，22-凹接头，41-纵向加劲肋。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式进一步对本发明进行说明。

如图1、2所示，本发明公开了一种波纹拱夹芯复合材料组合桥面板，包括波纹拱肋板2，夹芯材料体3，复合材料上面板4和复合材料下面板1；其中波纹拱肋板2上方位置填充夹芯材料体3形成组合夹芯层，波纹拱肋板2的各个连接板上均布有凹接头22，下面板1上相应位置布置有凸接头，波纹拱肋板2底部与下面板1通过“凸凹相嵌”形式和粘结剂相连，在波纹拱肋板2的波纹拱拱顶等距离处加工圆柱体螺栓孔，在上面板相应位置加工圆台体螺栓孔，将不锈高强螺栓5插入上面板与波纹拱对齐的孔并拧紧。本发明波纹拱夹芯复合材料组合桥面板结构整体构造示意图见图1。

采用波纹拱肋板2代替常规的箱型平肋板，增强了肋板的抗屈曲性能，同时，波纹形增加了肋板与夹心材料体3的接触，即增加了肋板与夹心材料体间的粘合力，使得波纹拱肋板2和夹心材料体3整体性能加强，促使桥面板结构刚度和强度增加。波纹拱的矢高，矢跨比应根据桥梁设计荷载，桥面板设计要求来确定尺寸，波纹形状和壁厚应按照在轮荷载使下拱肋板不发生屈曲和破坏为准。波纹拱肋板材料可以是铝板，复合材料、塑料、或竹材材料中的一种，通过在工厂里碾压或浇筑工艺制成。

夹芯材料体3采用聚氨酯泡沫、聚酰亚胺泡沫、PEI泡沫、聚氯乙烯泡沫、碳泡沫、PMI泡沫、聚酰亚胺泡沫、泡沫颗粒与砂的混合料、加气泡沫混凝土、碎木屑、毛竹丝、聚氨酯弹性体、塑料蜂窝球、金属蜂窝球、纸蜂窝球中的一种或几种填充而成，这些材料使得整个桥面结构质量较轻，有利于运输、拼装方便。同时，还对面板起到了一定的面外约束作用，提高桥面板的整体抗变形能力。

波纹拱肋板2与下面板1“凸凹相连”，这样使得波纹拱与下面板共同发挥作用，充分利用了面板可受拉的优势，凸接头形状可以是跑道形、圆形、椭圆形或矩形等形状中一种，且凸接头的剪切强度应通过计算验算，凹凸接头连接的数量应保证水平向剪切力的可靠传递。

上面板4、下面板1都是复合材料通过拉挤工艺制成，其中上面板为了防止直接承受轮载时变形过大，在上面板上设有纵向加劲肋41。上面板4与拱顶接触位置开孔，并通过不锈高强螺栓5连接，上面板与波纹拱肋板螺栓连接的局部结构示意图为图2。

现场安装过程中，首先将下面板用高强螺栓与桥面板底部的钢纵梁相连,然后将波纹拱肋板通过“凹凸相嵌”形式固定在下面板上，其上填充夹芯材料体，最后安装上面板，通过高强螺栓与夹芯拱肋板固定。

Claims (7)

1.一种波纹拱夹芯复合材料组合桥面板，其特征在于包括下面板(1)、波纹拱肋板(2)、夹芯材料体(3)和上面板(4)，其中波纹拱肋板(2)包括若干波纹拱和将若干波纹拱连接的连接板，波纹拱肋板(2)设置在下面板（1）和上面板（4）之间，波纹拱肋板(2)上方填充夹芯材料体(3)，波纹拱肋板(2)和夹芯材料体(3)形成组合夹芯层。

2.根据权利要求1所述的一种波纹拱夹芯复合材料组合桥面板，其特征在于所述的下面板（1）和上面板（4）为玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维或混杂纤维和不饱和聚酯或乙烯基树脂高分子聚合物通过拉挤工艺成型制得。

3.根据权利要求1或2所述的一种波纹拱夹芯复合材料组合桥面板，其特征在于波纹拱肋板(2)由铝板、复合材料、塑料或竹材中的一种制成，其波纹拱纵截面为倒U形、半圆形或梯型中的一种。

4.根据权利要求1或2所述的一种波纹拱夹芯复合材料组合桥面板，其特征在于夹芯材料体(3)为聚氨酯泡沫、聚酰亚胺泡沫、PEI泡沫、聚氯乙烯泡沫、碳泡沫、PMI泡沫、聚酰亚胺泡沫、泡沫颗粒与砂的混合料、加气泡沫混凝土、碎木屑、毛竹丝、聚氨酯弹性体、塑料蜂窝球、金属蜂窝球、纸蜂窝球中的一种或几种填充而成。

5.根据权利要求1或2所述的一种波纹拱夹芯复合材料组合桥面板，其特征在于波纹拱肋板(2)的各个连接板上均布设有凹接头（22），下面板（1）上相应位置布置有凸接头，波纹拱肋板(2)与下面板（1）通过凹接头（22）、凸接头和粘结剂相连，波纹拱肋板(2)的波纹拱拱顶均布有螺栓孔（21），上面板(4)相应位置加工有螺栓孔，波纹拱肋板(2)与上面板（4）通过螺栓（5）连接。

6.根据权利要求1或2所述的一种波纹拱夹芯复合材料组合桥面板，其特征在于上面板（4）上设置有纵向加劲肋(41)。

7.根据权利要求5所述的一种波纹拱夹芯复合材料组合桥面板，其特征在于凸接头外形为圆形、椭圆形或矩形中的一种。