CN110424241B - 一类用于桥梁和其它大型结构承载面的矩形波纹板基结构复合材料 - Google Patents
一类用于桥梁和其它大型结构承载面的矩形波纹板基结构复合材料 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开结构承载平面用的一类矩形波纹板基结构复合材料。这类矩形波纹板基结构复合材料由包含矩形波纹的一个或多个基本单元组成；每个基本单元的特征是在两块特选平面或曲面基本板材之间植入特殊设计细观形状和尺寸的板块，形成按规律排列的开放或封闭空腔；或者根据大型结构特性和载荷类型在开放空腔中填入其它材料；从而充分利用材料的组合性能和空腔的结构特性以达到高强度，高耐久性，和轻质的最佳应用效益。当这类板基结构复合材料作为铺装覆盖时，通过下列方法之一或它们的组合连接到所指大型结构上：这些方法是：铆接，焊接，螺栓连接，或简单搁置在承载面上。当使用铆接，焊接，螺栓连接方式时，保证连接处不会成为二次疲劳缺陷源。
Description
技术领域
本发明涉及桥梁，房屋和其它大型钢结构的结构设计和承载面修复技术领域，其可以直接应用到所指大型结构承载面的设计中，或作为一种铺装材料覆盖在这类承载荷面上。一个可能的较广泛应用是桥梁面的设计，铺装，或铺装修复；特别是大跨度桥梁正交异性桥面板设计，铺装，或铺装修复。图一(a)是一个正在施工的正交异型钢箱梁；图一(c)是在这类正交异型钢箱梁桥面顶板常见的裂纹。图一(d)(e)是用图一(b)正交异型钢箱梁桥有限元模型计算的下述两类应力分布【2，3】。
本发明是在申请者美国专利【1】基础上的近一步创新。相较于【1】，本发明的新颖性和独创性主要体现在根据承载方式对单元基本板材形状与空腔的设计。
背景技术
大型结构设计的主要考虑是承载能力和耐久性。考虑一个结构部件表面上一点，其承受的应力可以简单分为两类：(一)直接作用在表面接触力产生的应力，见图一(d)；(二)表面接触力和其它部位载荷，包括结构自身重量，在这点上产生的应力，主要表现为弯矩所造成的应力，见图一(e)。例如，相隔一段距离的两个人站在一个桥上，每个人脚下桥面都感受到这个人的接触压力和另一个人及桥梁自身重量在此处造成弯矩应力。
对于大型结构，部件自身重量和全部载荷在部件上造成的弯矩和所对应的应力，即上述第二类应力，是当前工程设计的主要考虑。例如，对近几十年用于超大跨度桥梁的正交异型钢箱梁，传统规范允许超薄(小于12毫米)钢箱梁板设计来减小自身重量。但桥面在车辆车轮长期反复冲击下，全世界范围内许多这类桥梁面板焊缝本身或其周边出现反复接触载荷造成的疲劳裂纹。由于不可能由于个别局部裂纹更换百米长钢箱梁；裂纹在车载下的继续扩展可能引发灾难性后果；焊接封闭裂纹会在焊缝周围引发新的裂纹，因此一般只能从改进桥面铺装来保证桥梁安全。传统方法是在桥面上覆盖混凝土或环氧树脂等铺装。由于这类材料同钢铁材料特性相差悬殊，难以与钢桥面紧密粘合。在温度变化和车辆轮载作用下，一般三到五年后铺装会脱落，需要重新处理。在新桥设计提高了加厚钢箱梁板的同时，出现了许多应用复合材料铺装方法和发明来改善在运行桥梁面板受力状态的发明【1，4-10】，例如，【1】介绍了应用多次波型板叠加有空腔复合材料设计来保护正交异型钢箱梁桥面的概念。但一些方法在对自身和其与钢箱梁连接部分的强度，刚度，抗腐蚀和抗疲劳等与使用寿命有关方面有必要改进，因为，按目前常规设计，一般桥梁的使用寿命是 75到120年。为保证这类桥梁安全运行，本发明的矩形波纹板基结构复合材料作可以作为一次永久性铺装材料来修复和保护在运行桥梁面板；或直接应用于钢箱梁设计的一部分，其是在本发明申请者美国专利【1】基础上的近一步创新。相较于【1】，本发明的新颖性和独创性主要体现在根据车轮接触载荷与桥梁类结构特点对空腔和结构单元连接方式的设计，从而取得更佳力学和材料性能。
发明内容
(一)简述：提供一类可以用作大型结构承载面或这类承载面覆盖铺装的矩形波纹板基结构复合材料。这里大型结构指的是桥梁和房屋结构，陆上其它钢结构，船舶，和海洋工作平台；这里承载面指的是这些结构直接承受外界载荷的表面平面或曲面。
(二)要解决的技术问题：应用本发明所提供的矩形波纹板基结构复合材料(a)增强大型结构承载面的抗压和抗冲击等常规强度，(b)改善其抗疲劳和耐磨性等耐久性指标；(c)增强大型结构整体的强度；这类板基结构复合材料自身必须(d)满足抗压和抗冲击等常规强度指标及疲劳强度和耐磨性等耐久性指标的同时(e)满足对自身结构附加的刚性和稳定性要求。
(三)技术方案：为解决上述问题，本发明所提供的矩形波纹板基结构复合材料是根据具体设计工况需要由下述八类材料单元中至少三类复合组成，这八类材料单元是图二和图三中的矩形波纹板3，上顶板4，下顶板5，填充矩形波纹板3与上顶板4之间的上空腔填充材料7，上空腔内的上空腔肋12，填充矩形波纹板3与下顶板5之间的下空腔填充材料7，下空腔内的下空腔肋11。近一步解释如下：
(1)所述矩形波纹板特征在于：其由板平面某一个方向重复出现的形状和几何尺寸相等的矩形波纹单元组成；所述矩形波纹单元由沿波纹前进方向的上顶段，下顶段，连接两者过渡段这三种几何线段组成；所述上顶段，下顶段，过渡段可以是直线几何线段或曲线几何线段；一个所述矩形波纹单元所包含的上顶段和下顶段两者中至少一个是与板平面平行的直线几何线段。
(2)所述矩形波纹板3厚度为1到18毫米，波纹高度为4到120毫米；通过在重复波纹方向两端的焊缝10和另外两侧的点焊9上顶板4和下顶板5连接。
(3)上空腔填充材料7和下空腔填充材料8可以是一样或不同的混凝土或环氧材料；其功能是保证矩形波纹板3在受压时不出现局部失稳。
(4)上空腔肋块14和下空腔肋块15通过点焊与矩形波纹板3相连接；其功能是保证矩形波纹板3在受压时不出现局部失稳。
(5)上顶板4上置的常规铺装11是，例如，常规混沥青混凝土。
(6)当这类矩形波纹板基结构复合材料作为铺装覆盖但不需要同时加强所覆盖大型结构承载面的强度和刚度时，其可以简单搁置在承载面上。
(7)当这类矩形波纹板基结构复合材料作为铺装覆盖同时需要加强所覆盖大型结构承载面的强度和刚度时，采用下列方法之一或它们的组合将每片板基结构复合材料连接到所指大型结构上：这些方法是：铆接，焊接，螺栓连接。但铆接和螺栓连接必须在承载面板上钻孔；焊接也会造成局部材料异化，例如，在热影响区造成材料脆化；所以，这些方法的连接处不可避免地会消弱承载面结构。为保证采用这类方法的连接处不会成为二次疲劳缺陷源，根据【2，3】的分析和试验结果，规定了铆接，焊接，螺栓连接位置12的选取条件：
(i)在结构承载面板对应位置任何方向的动载应力幅必须小于整个结构承载面板中所有材料单所承担最大动载应力幅的1/3。
(ii)在结构承载面板对应位置任何方向的平均应力必须小于整个结构承载面板中所有材料单元所承担最大平均应力的1/2。
根据常规桥梁设计规范，例如【11-13】，当条件(i)满足时，结构承载面板预留孔或焊接位置材料单元的疲劳寿命(动载荷循环次数)是承载面板峰值受力单元疲劳寿命(可承受动载荷循环次数)的立方。根据分析和试验结果【2，3】，当条件(ii)满足时预留孔或焊接处对应位置材料单元的疲劳寿命又可提高50％。这两个条件保证了在结构承载面板对应位置钻孔不会形成二次疲劳损失敏感热点。
附图说明
图1：(a)正在施工的正交异型钢箱梁例；(b)一个正交异型钢箱梁桥的三维有限元模型；(c)正交异型钢箱梁桥面顶板常见的裂纹；(d)直接作用在表面接触力产生的应力分布；(e)表面接触力和其它部位载荷，包括结构自身重量，造成弯矩所所对应的应力分布。
图2：本发明所述矩形波纹板基结构复合材料的基本构造；包括所述上下空腔肋块和所述下顶板与所述结构承载面板的一种连接方式。
图3：本发明所述矩形波纹板基结构复合材料与结构承载面的面板紧固方式：(a)无下顶板时在矩形波纹板底部通过螺栓连接；(b)无下顶板时在矩形波纹底部通过焊接和螺栓连接附加延伸板条，在延伸板条上通过焊接，铆接，或螺栓与承载结构面板连接；(c)在下顶板超出矩形波纹板部分预留连接条，通过通过焊接，铆接，或螺栓与承载结构面板连接；(d)下顶板超出矩形波纹板部分预通过通过焊接，铆接，或螺栓与承载结构面板连接，或矩形波纹板底部通过螺栓穿过下顶板与承载结构面板连接连接。
图4：(a)本发明所述矩形波纹板基结构复合材料无上顶板，上空腔填充材料同时覆盖矩形波纹板；(b)所述矩形波纹板的波型单元下部为弧型，上空腔填充材料同时覆盖所述矩形波纹板；(c)所述矩形波纹板的波型单元上部为弧型，上空腔填充材料同时覆盖所述矩形波纹板。
实施方法(参考图二，三，四)
方法一：所述矩形波纹板基结构复合材料仅由上下顶板和矩形波纹板构成
(1)矩形波纹板可以由平板条经过冷压或热压形成波纹形状，或通过波纹轧机成型。
(2)将矩形波纹板置于下顶板上，将上顶板置于矩形波纹板上；通过焊接相互连接。
(3)置于结构承载面上。
(4)根据工况需要，再通过螺栓或焊接或铆接与结构承载面板相连接。
(5)在上顶板表面添加常规铺装
方法二：所述矩形波纹板基结构复合材料仅由上下顶板，矩形波纹板，和肋块构成
(1)矩形波纹板可以由平板条经过冷压或热压形成波纹形状，或通过波纹轧机成型。
(2)根据工况需要，将上空腔肋块点焊至矩形波纹板对应位置。
(3)根据工况需要，将下空腔肋块点焊至矩形波纹板对应位置。
(4)将矩形波纹板置于下顶板上，将上顶板置于矩形波纹板上；通过焊接相互连接。
(5)置于结构承载面上。
(6)根据工况需要，再通过螺栓或焊接或铆接与结构承载面板相连接。
(7)在上顶板表面添加常规铺装，例如，沥青混凝土。
方法三：所述板基结构复合材料由上下顶板，矩形波纹板，肋块和填充材料构成
如方法二，根据工况需要在(2)完成后在上空腔剩余空间内置上空腔填充材料；再根据工况需在(3)完成后在下空腔剩余空间内置下空腔填充材料
方法四：所述板基结构复合材料仅上下顶板，矩形波纹板，上下空腔填充材料构成
(1)矩形波纹板可以由平板条经过冷压或热压形成波纹形状，或通过波纹轧机成型。
(2)将矩形波纹板置于与结构承载面曲率一样的工作平台上，根据工况需要，在上空腔内置上空腔填充材料
(3)通过点焊与上顶板连接；如果需要，翻身后在下空腔内置下空腔填充材料。
(4)通过点焊与下顶板连接。
(5)置于结构承载面上。
(6)根据工况需要，再通过螺栓或焊接或铆接与结构承载面板相连接。
(7)在上顶板表面添加常规铺装，例如，沥青混凝土。
以上所述这些方法中固定下顶板中的预留孔或焊接位置按下列准则确定：(i)在结构承载面板对应位置任何方向的动载应力幅必须小于整个结构承载面板中所有材料单所承担最大动载应力幅的 1/3。(ii)在结构承载面板对应位置任何方向的平均应力必须小于整个结构承载面板中所有材料单元所承担最大平均应力的1/2。根据桥梁设计规范【2，11-13】，当条件(i)满足时，结构承载面板预留孔或焊接位置材料单元的疲劳寿命(动载荷循环次数)是承载面板峰值受力单元疲劳寿命(可承受动载荷循环次数)的立方。根据分析和试验结果【2】，当条件(ii)满足时预留孔或焊接对应位置材料单元的疲劳寿命又可提高50％。这两个条件保证了在结构承载面板对应连接位置不会形成二次疲劳损失敏感热点。
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【13】欧洲规范：桥梁疲劳设计：Eurocode 3(2005).Design of SteelStructures-Part 1-9：Fatigue，EN 1993-1-9
Claims (9)
1.提供一类可以用作大型结构承载面或这类承载面覆盖铺装的矩形波纹板基结构复合材料；所述大型结构指的是桥梁和房屋结构，陆上其它钢结构，船舶，和海洋工作平台；所述承载面指的是这些结构直接承受外界载荷的表面平面或曲面；所述矩形波纹板基结构复合材料的特征是：
-其组成包括至少一个矩形波纹板，所述矩形波纹板包含若干重复的矩形波单元；一个所述矩形波单元的波型由包括直线段和曲线段的几何线段组成；所述几何线段中至少一个是平行于板平面的直线段；一个所述矩形波单元内所有所述几何线段围成一个向上开口的空间和一个向下开口的空间统称作空腔；在至少一个所述空腔内置入至少一个肋块；所述肋块包含一对与所述矩形波表面相垂直的表面，所述肋块是支撑空腔壁不致失稳塌陷的固体；向上开口的空腔又称作上空腔；向下开口的空腔又称作下空腔；
-其组成还包括一个下顶板；
-所述矩形波纹板搁置在所述下顶板上或通过焊接相互连接。
2.根据权利要求1所述的矩形波纹板基结构复合材料，其特征在于，所述下顶板搁置在所述结构承载面的面板上或再通过下列三种方式之一与所述面板紧固连接：螺栓连接，铆接，和焊接；在所述面板上实施所述紧固连接时，所述面板在所述紧固连接位置材料单元应力水平小于所述面板上所有其它材料单元中最高峰值应力的三分之一。
3.根据权利要求2所述的矩形波纹板基结构复合材料，其特征在于，其组成还包括一个上顶板，置于所述波纹形状板上方；所述上顶板搁置在所述矩形波纹板上或再通过焊接相互连接。
4.根据权利要求2或权利要求3所述的矩形波纹板基结构复合材料，其特征在于，置入所述上空腔内的肋块又称作上空腔肋块；置入所述下空腔内的肋块又称作下空腔肋块；所述肋块是由金属或包括高强度混凝土和环氧树脂基材料的复合材料制成。
5.根据权利要求4所述的矩形波纹板基结构复合材料，其特征在于，至少一个所述空腔内或一个所述空腔置入所述肋块后剩余空间内再置入填充材料；所述填充材料是环氧树脂基材料或混凝土。
6.根据权利要求1所述的矩形波纹板基结构复合材料，其特征在于，所述下顶板是所述结构承载面的面板；所述矩形波纹板搁置在所述结构承载面的面板上或通过下列三种方式之一与所述面板紧固连接：螺栓连接，铆接，和焊接；在实施所述紧固连接时，所述面板在所述紧固连接位置材料单元的应力水平小于所述面板上所有其它材料单元中最高峰值应力的三分之一；所述矩形波纹板在其至少一个所述矩形波单元底部或通过焊接或螺栓连接的附加板条与所述面板实施紧固连接。
7.根据权利要求6所述的矩形波纹板基结构复合材料，其特征在于，其组成还包括一个上顶板，置于所述波纹形状板上方；所述上顶板搁置在所述矩形波纹板上或再通过焊接相互连接。
8.根据权利要求6或权利要求7所述的矩形波纹板基结构复合材料，其特征在于，在至少一个所述空腔内置入至少一个肋块；所述肋块是支撑空腔壁不致失稳塌陷的固体；置入所述上空腔内的肋块又称作上空腔肋块；置入所述下空腔内的肋块又称作下空腔肋块；所述肋块是由金属或包括高强度混凝土和环氧树脂基的复合材料制成。
9.根据权利要求8所述的矩形波纹板基结构复合材料，其特征在于，至少一个所述空腔内或一个所述空腔置入所述肋块后剩余空间内再置入填充材料；所述填充材料是环氧树脂基材料或混凝土。
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- 2019-03-07 CN CN201910169898.8A patent/CN110424241B/zh active Active
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