CN116623532A - 一种frp-铝合金泡沫填充组合桥面板 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种FRP‑铝合金泡沫填充组合桥面板，包括矩形FRP部件，以及分别安装于所述矩形FRP部件两侧的两个矩形铝合金部件；所述矩形FRP部件内部填充泡沫芯；所述矩形铝合金部件包括铝合金矩形管主体和附属连接构造，所述附属连接构造用于实现桥面板与桥梁主梁间的连接、以及桥面板之间的连接。本发明利用FRP和铝合金轻质、高强、耐腐蚀的特点解决传统钢桥面板重量过大、易锈蚀问题；通过泡沫填充为桥面板FRP部分的上面板和腹板提供支撑和约束，改善因FRP材料非主纤维方向承载能力较弱导致的加载区上面板开裂和腹板屈曲问题，从而提升结构承载能力。

Description

一种FRP-铝合金泡沫填充组合桥面板

技术领域

本发明属于应急器材装备技术领域，特别是一种FRP-铝合金泡沫填充组合桥面板。

背景技术

随时代发展，国家基础设施建设越发广阔而密集，单次自然灾害造成的社会损失也更加严重，对救援的时间利用效率要求愈发提高。在应急桥梁的架设过程中，桥面板设置工作占有很大的时间比重，除了桥面板数量较多外，其中重要的一个原因在于结构为钢质，重量大，缺乏灵活性，例如作为我国交通战备器材的ZB-200型装配式公路钢桥，其桥面板单块重达268kg，架设需6-8人协力抬起或借助工程机械吊装，运输负担大、架设任务繁重、人员配置低效、使用场地受限。桥面板铺设环节俨然成为提升应急桥梁架设快速性的重要制约因素，严重影响桥梁的应急效用，应急桥梁桥面板结构亟需轻量化改进。此外，钢桥面板在应用中锈蚀问题明显。

在既往的桥面板轻量化设计中，往往采用铝合金和FRP(纤维增强复合材料)材料，二者都具备轻质、高强、耐腐蚀的优点。其中铝合金能够实现可靠便捷的连接设计，但全铝合金桥面板造价昂贵，减重效果亦不如FRP材料；FRP材料比强度高，更具轻便性，但垂直主纤维方向力学性能较差，在应用于应急桥梁桥面板时，全FRP结构难以实现便捷可靠的可拆装式连接设计，桥面板间及桥面板与桥梁主梁间的连接强度难以满足，而连接系统具有分散荷载、约束变形的作用，连接系统低效往往导致材料用量增加，使得结构轻量化效果不佳，此外FRP桥面板局部承载能力较弱，在应用中容易出现车轮直接施压区的上面板开裂、腹板屈曲问题。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术存在的问题，提供一种FRP-铝合金泡沫填充组合桥面板，利用高比强度、耐腐蚀的FRP和铝合金材料减轻桥面板自重、增强环境适应能力，通过填充泡沫，使桥面板较小增重的前提下对直接承受轮载的上面板提供支撑，并为腹板提供侧向约束，增强上面板直接承载能力和腹板抵抗屈曲能力，同时FRP部分的腹板、面板为泡沫芯材提供环绕约束，可以增强泡沫芯材的承载性能，FRP结构与泡沫芯表现出相互补强的设计效果。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种FRP-铝合金泡沫填充组合桥面板，所述桥面板包括矩形FRP部件，以及分别安装于所述矩形FRP部件两侧的两个矩形铝合金部件；所述矩形FRP部件内部填充泡沫芯；所述矩形铝合金部件包括铝合金矩形管主体和附属连接构造，所述附属连接构造用于实现桥面板与桥梁主梁间的连接、以及桥面板之间的连接。

进一步地，所述附属连接构造包括用于实现桥面板与桥梁主梁间连接的螺栓连接系统，用于实现桥面板之间连接的榫连接系统；

所述螺栓连接系统，包括设置于铝合金矩形管主体两端内部的螺栓承压板，贯穿铝合金矩形管主体上下表面以及螺栓承压板的螺栓组件，通过螺栓组件连接桥面板与桥梁主梁；

所述榫连接系统，包括设置于铝合金矩形管主体外侧面的榫头、榫头板和榫孔板，即设置于桥面板两侧的榫头、榫头板和榫孔板；桥面板两侧榫头、榫头板和榫孔板的设置位置呈反对称；所述榫头的一端贯穿榫头板与铝合金矩形管主体连接，桥面板间配合安装连接时，两桥面板各自的榫头的另一端插入另一桥面板对应的榫孔板中。

进一步地，所述螺栓承压板上设置加劲肋板。

进一步地，所述铝合金矩形管主体外侧面设有贯穿铝合金管主体两端的U型槽，形成铝合金管主体的外伸翼；所述榫头板和榫孔板均跨接安装于U型槽的两臂之间。

进一步地，所述U型槽的两臂之间还设有支撑肋板。

进一步地，所述榫头板、榫孔板和支撑肋板均通过铝合金板切割而成。

进一步地，所述榫头与榫孔板之间为间隙配合安装，所述榫头与榫头板之间为焊接连接。

进一步地，所述矩形FRP部件为一体拉挤成型或真空灌注树脂成型的多腔体型材，或为多个FRP矩形管通过结构胶粘合而成。

进一步地，所述矩形FRP部件与泡沫芯采用以下工艺生产：

泡沫芯通过发泡设备灌注进矩形FRP部件的空腔内，经固化后泡沫芯与矩形FRP部件的内壁自然粘结；

或，采用成品泡沫板裁取与矩形FRP部件空腔尺寸相匹配的泡沫条块作为泡沫芯，将泡沫条块插入矩形FRP部件的空腔内，且泡沫条块通过结构胶与矩形FRP部件的内壁连接；

或，矩形FRP部件和泡沫芯作为一个整体，采用纤维布包裹泡沫芯的方法，经真空灌注树脂工艺一体制作成型。

进一步地，所述铝合金矩形管主体通过预制模具拉挤成型，或通过铝合金板切割焊接而成。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

1)该桥面板能够发挥多种材料的优势，避开材料弱点，充分体现了扬长避短的设计原则。

2)该桥面板轻量化设计效果极佳，以ZB-200装配式公路钢桥桥面板为例，采用该组合桥面板设计方案改进后，桥面板重量减小至140kg左右(相比原钢桥面板减重近50％)，极大减轻了运输和架设负担。

3)该桥面板应用范围广，轻量化设计使其能够应用于不便借助工程器械的场景，如地形狭窄的山区、地震灾害后的抢通，且良好的耐腐蚀性使其可应用于栈桥、浮式结构等面临海洋腐蚀性环境的临时性或半永久性桥梁。

4)该桥面板连接系统设计巧妙，兼顾实用性能和承载性能，能满足与桥梁主梁及相邻桥面板间的快速装配和拆卸，连接强度可靠，相比目前国内外FRP桥面板设计，更适用于应急抢通场景，连接系统对桥面板实现双向约束，荷载能够在桥面板间传递分散，单块桥面板受力情况改善，桥面板与桥梁主梁间约束可进一步减小桥面板变形，组合而成的桥面板系统具有良好的结构整体性。

5)铝合金部分采用带翼缘的铝合金管布设孔板的方式，有效避免了铝合金部分宽度较大导致的上面板局部变形较大的问题，孔板不仅能够实现连接功能，还为铝合金管的外伸翼缘提供支撑，节省材料，避免增重，螺栓直接承压位置位于铝合金管内部，避免了螺栓连接使桥面板上表面产生不平整，利于行车和铺装设计。

6)该桥面板通过泡沫填充，以较小的重量增加实现较好的局部增强效果，有效改善直接轮载区FRP上面板开裂和腹板屈曲问题，提升桥面板承载能力，FRP部分的空腔使泡沫芯呈现四周环绕的约束状态，使FRP与泡沫芯呈现互相补强的设计效果。

7)利用铝合金各向同性、形状设计性较强的特点，设计端部螺栓连接系统和侧面榫连接系统，从而避开FRP材料垂直主纤维方向强度不足的问题，螺栓连接系统实现与桥梁主梁的连接，榫连接系统实现与相邻桥面板的连接，通过连接的约束作用，可实现荷载分散、减小桥面板变形、提升桥面板系统的整体性，进而可进一步优化结构设计，更好地实现轻量化目标。

8)该桥面板结构设计简洁，构思巧妙，制作工艺多样，具有良好的现实基础和应用价值。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为一个实施例中FRP-铝合金泡沫填充组合桥面板结构组成示意图。

图2为一个实施例中组装完成的FRP-铝合金泡沫填充组合桥面板示意图。

图3为一个实施例中组合桥面板组装辅助装置示意图。

图4为一个实施例中组合桥面板的工作状态示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

在一个实施例中，结合图1和图2，提供了一种FRP-铝合金泡沫填充组合桥面板，所述桥面板包括矩形FRP部件1，以及分别安装于所述矩形FRP部件两侧的两个矩形铝合金部件2，所述矩形FRP部件1内部设有腹板，且内部填充泡沫芯3；所述矩形铝合金部件2包括铝合金矩形管主体4和附属连接构造，所述附属连接构造用于实现桥面板与桥梁主梁间的连接、以及桥面板之间的连接。

采用本实施例的方案，桥面板能够发挥多种材料的优势，避开材料弱点，充分体现了扬长避短的设计原则。

这里，桥面板通过泡沫填充，以较小的重量增加实现较好的局部增强效果，有效改善直接轮载区FRP上面板开裂和腹板屈曲问题，提升桥面板承载能力，FRP部分的空腔使泡沫芯呈现四周环绕的约束状态，使FRP与泡沫芯呈现互相补强的设计效果。

进一步地，在其中一个实施例中，所述附属连接构造是对铝合金矩形管主体4起功能性补充作用的小组件和局部开孔措施。所述附属连接构造包括用于实现桥面板与桥梁主梁间连接的螺栓连接系统14，用于实现桥面板之间连接的榫连接系统15；

所述螺栓连接系统14，包括设置于铝合金矩形管主体两端内部的螺栓承压板9，贯穿铝合金矩形管主体4上下表面以及螺栓承压板9的螺栓组件，通过螺栓组件连接桥面板与桥梁主梁。

这里，中部螺栓承压板9直接承受螺栓头压力。

这里，所述螺栓组件贯穿铝合金矩形管主体4上下表面的上操作孔11、下操作孔13，其中上操作孔11方便螺栓安装工具旋拧操作，下操作孔13方便桥面板与桥梁主梁连接。

这里优选地，所述螺栓承压板上设置加劲肋板10，加劲肋板10对中部螺栓承压板9产生加强作用。

所述榫连接系统15，包括设置于铝合金矩形管主体4外侧面的榫头5、榫头板6和榫孔板7，即设置于桥面板两侧的榫头5、榫头板6和榫孔板7；桥面板两侧榫头5、榫头板6和榫孔板7的设置位置呈反对称；所述榫头5的一端贯穿榫头板6与铝合金矩形管主体4连接，桥面板间配合安装连接时，两桥面板各自的榫头5的另一端插入另一桥面板对应的榫孔板7中(如图4所示)。

这里优选地，所述榫头与榫孔板之间为间隙配合安装，所述榫头与榫头板之间为焊接连接，便于后期装配，一般情况下，榫头板6和榫孔板7开孔直径需略大于榫头直径1mm～2mm。

采用本实施例的方案，利用铝合金各向同性、形状设计性较强的特点，设计端部螺栓连接系统和侧面榫连接系统，从而避开FRP材料垂直主纤维方向强度不足的问题，螺栓连接系统实现与桥梁主梁的连接，榫连接系统实现与相邻桥面板的连接，通过连接的约束作用，可实现荷载分散、减小桥面板变形、提升桥面板系统的整体性，进而可进一步优化结构设计，更好地实现轻量化目标。

本发明不限于采用上述附属连接构造的结构，其他与本发明原理类似的固定连接方式都属于本发明的保护范围。

进一步地，在其中一个实施例中，所述铝合金矩形管主体外侧面设有贯穿铝合金管主体两端的U型槽，形成铝合金管主体的外伸翼；所述榫头板6和榫孔板7均跨接安装于U型槽的两臂之间。

采用本实施例的方案，铝合金部分采用带翼缘的铝合金管布设孔板的方式，有效避免了铝合金部分宽度较大导致的上面板局部变形较大的问题，榫头板和榫孔板不仅能够实现连接功能，还为铝合金管的外伸翼缘提供支撑，节省材料，避免增重，螺栓直接承压位置位于铝合金管内部，避免了螺栓连接使桥面板上表面产生不平整，利于行车和铺装设计。

进一步优选地，所述U型槽的两臂之间还设有支撑肋板8，用于进一步为铝合金矩形管主体4的外伸翼缘提供支撑。

这里优选地，所述榫头板6、榫孔板7和支撑肋板8均通过铝合金板切割而成。

进一步地，在其中一个实施例中，所述矩形FRP部件为一体拉挤成型或真空灌注树脂成型的多腔体型材，或为多个FRP矩形管通过结构胶粘合而成。

进一步地，在其中一个实施例中，所述矩形FRP部件与泡沫芯采用以下工艺生产：

泡沫芯通过发泡设备灌注进矩形FRP部件的空腔内，经固化后泡沫芯与矩形FRP部件的内壁自然粘结；

或，采用成品泡沫板裁取与矩形FRP部件空腔尺寸相匹配的泡沫条块作为泡沫芯，将泡沫条块插入矩形FRP部件的空腔内，且泡沫条块通过结构胶与矩形FRP部件的内壁连接；

这里，泡沫板裁取略小于(预留0.5～1mm间隙)FRP部分空腔尺寸的条块。

这里，若桥面板较长，泡沫芯条块可分为两段，每段的一端面及侧面涂抹结构胶，从FRP部分空腔两头插入，两段泡沫芯通过端面结构胶在桥面板中部粘结为整体；

或，矩形FRP部件和泡沫芯作为一个整体，采用纤维布包裹泡沫芯的方法，经真空灌注树脂工艺一体制作成型。

进一步地，在其中一个实施例中，所述铝合金矩形管主体通过预制模具拉挤成型，或通过铝合金板切割焊接而成。

下面具体介绍本发明桥面板的制作过程。

1.桥面板的初始设计。按照桥面板设计跨径和通行荷载，设计加工矩形FRP部件1和矩形铝合金部件2的相关尺寸参数，根据桥面板的局部强度要求选择合适密度、硬度的泡沫芯3，根据桥面板设计变形量选择合适伸长率的结构胶。

2.桥面板组件的制作。矩形FRP部件1可以是一体拉挤成型或真空灌注树脂成型的多腔体型材，也可由FRP矩形管通过结构胶粘合而成。桥面板中间矩形FRP部件1与泡沫芯3可采用以下三种工艺生产：(1)泡沫芯3通过发泡设备直接灌注进FRP部分的空腔内，经固化后泡沫芯3与矩形FRP部件1的内壁自然粘结；(2)采用成品泡沫板裁取略小于(预留0.5～1mm间隙)FRP部分空腔尺寸的条块，侧面涂抹结构胶，插入FRP部分的空腔内，若桥面板较长，泡沫芯条块可分为两段，每段的一端面及侧面涂抹结构胶，从FRP部分空腔两头插入，两段泡沫芯通过端面结构胶在桥面板中部粘结为整体，泡沫芯3与矩形FRP部件1的内壁通过结构胶连接；(3)矩形FRP部件和泡沫芯部分作为一个整体，采用纤维布包裹泡沫芯的方法，经真空灌注树脂工艺一体制作成型。铝合金矩形管主体4可制作模具拉挤成型，也可通过铝合金板切割焊接而成，并经冷弯、铣削校正尺寸，采用切割焊接工艺时需对铝合金矩形管主体4的无翼缘一侧腹板预留1～2mm厚度的机加工余量，以便焊接完成后进行铣削保证粘结面的平整性；附属连接构件(5～10)可通过焊接与铝合金矩形管主体4组装；榫头5可采用铝合金棒材切割制作，榫头5一侧端部铣削为圆台状，以便与另一桥面板的榫孔板7装配，榫孔板7、榫头板6和支撑肋板4均可通过铝合金板切割而成，榫头板6和榫孔板7开孔直径需略大于榫头直径1～2mm以便装配。可先将榫头5焊接于铝合金管主体4相应位置，而后焊接榫头板6、榫孔板7、支撑肋板8；将螺栓承压板9与加劲肋板10焊接组装，而后整体焊接于铝合金管主体4的两端部相应位置。最后在矩形铝合金部件2两端定位开孔，包括上操作孔11、下操作孔13和螺栓承压板9上的连接孔12，三处开孔中心对齐(如图2)。

3.桥面板组件的组装。此过程需要借助粘合辅助工具并配合相应的粘合流程实施(图3)，粘合辅助工具包括承压钢板16、长螺杆18、短螺杆20及配套螺母19、约束角钢17、木垫块21、扭力扳手、亚克力小珠、塑料膜等，组装前需对粘结面22进行打磨、清洗，以除去构件表面的氧化层、脱模剂和污渍，具体组装流程为：首先在一处平坦的地面上设置木垫块21，放置桥面板一侧的一矩形铝合金部件2，其平整一面朝上，并涂覆结构胶，均匀撒布直径0.5mm的亚克力小珠以控制粘结层厚度，而后将填充完成泡沫芯3的FRP部分1叠放于矩形铝合金部件2上，并在其上侧面涂覆结构胶，同样撒布0.5mm直径亚克力小珠，叠放另一矩形铝合金部件2，而后设置桥面板约束装置，目的是防止后续加压和固化过程中桥面板组件发生错动，约束装置由多组约束角钢17、短螺杆20和配套螺母19组成，每组的两个约束角钢17设置于桥面板的上下表面且端部开孔，配合短螺杆20和螺母19旋紧施加压力实现约束作用。为防止固化过程中溢胶使角钢17与桥面板粘结，前期需对约束角钢17包裹塑料膜，约束完成后对桥面板侧向加压，目的是压实胶层，避免留存空隙影响粘结质量，加压装置由承压钢板16、长螺杆18和螺母19组成，承压钢板16设置于桥面板侧面，其位于桥面板的上下表面的两侧开孔并贯穿长螺杆18，使用扭力扳手旋紧承压钢板16上的螺母19以施加压力，施加扭矩大小约为5～10Nm，以结构胶不再大量挤出为宜，此时胶层厚度为亚克力小珠直径，约束装置和加压装置沿桥面板长度方向均匀错位设置，布置数量依据桥面板长度而定，约束和加压均采用先中间后两边的操作顺序，约束和加压完成后，擦除溢出的结构胶，静置等待结构胶固化，具体固化时间视结构胶品种而定，待固化完成，卸除约束和加压装置，打磨除去表面胶渍，桥面板即完成生产。

这里，不限于上述装配制作方法，任何其他实现该桥面板装配制作的方式均落入本发明的保护范围。

本发明提出的FRP-铝合金泡沫填充组合桥面板。利用FRP和铝合金轻质、高强、耐腐蚀的特点解决传统钢桥面板重量过大、易锈蚀问题；通过泡沫填充为桥面板FRP部分的上面板和腹板提供支撑和约束，改善因FRP材料非主纤维方向承载能力较弱导致的加载区上面板开裂和腹板屈曲问题，从而提升结构承载能力；利用铝合金材料实现桥面板连接系统的结构设计，包括桥面板间连接、桥面板与桥梁主梁间连接，连接系统支持便捷拆装，强度可靠，使车辆荷载能够在桥面板间、桥面板与桥梁主梁间传递，其中桥面板间的连接能够有效分散单块桥面板受力，从而提升桥面板系统整体承载性能，桥面板与桥梁主梁间的连接能够对桥面板端部产生约束，限制桥面板变形，使行车更为平顺。同时，可靠高效的连接系统能够减小桥面板设计时的材料用量，使结构进一步实现轻量化。

本发明提出的桥面板结构设计简洁，构思巧妙，制作工艺多样，具有良好的现实基础和应用价值。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种FRP-铝合金泡沫填充组合桥面板，其特征在于，所述桥面板包括矩形FRP部件，以及分别安装于所述矩形FRP部件两侧的两个矩形铝合金部件；所述矩形FRP部件内部填充泡沫芯；所述矩形铝合金部件包括铝合金矩形管主体和附属连接构造，所述附属连接构造用于实现桥面板与桥梁主梁间的连接、以及桥面板之间的连接。

2.根据权利要求1所述的FRP-铝合金泡沫填充组合桥面板，其特征在于，所述附属连接构造包括用于实现桥面板与桥梁主梁间连接的螺栓连接系统，用于实现桥面板之间连接的榫连接系统；

所述螺栓连接系统，包括设置于铝合金矩形管主体两端内部的螺栓承压板，贯穿铝合金矩形管主体上下表面以及螺栓承压板的螺栓组件，通过螺栓组件连接桥面板与桥梁主梁；

所述榫连接系统，包括设置于铝合金矩形管主体外侧面的榫头、榫头板和榫孔板，即设置于桥面板两侧的榫头、榫头板和榫孔板；桥面板两侧榫头、榫头板和榫孔板的设置位置呈反对称；所述榫头的一端贯穿榫头板与铝合金矩形管主体连接，桥面板间配合安装连接时，两桥面板各自的榫头的另一端插入另一桥面板对应的榫孔板中。

3.根据权利要求2所述的FRP-铝合金泡沫填充组合桥面板，其特征在于，所述螺栓承压板上设置加劲肋板。

4.根据权利要求2所述的FRP-铝合金泡沫填充组合桥面板，其特征在于，所述铝合金矩形管主体外侧面设有贯穿铝合金管主体两端的U型槽，形成铝合金管主体的外伸翼；所述榫头板和榫孔板均跨接安装于U型槽的两臂之间。

5.根据权利要求4所述的FRP-铝合金泡沫填充组合桥面板，其特征在于，所述U型槽的两臂之间还设有支撑肋板。

6.根据权利要求5所述的FRP-铝合金泡沫填充组合桥面板，其特征在于，所述榫头板、榫孔板和支撑肋板均通过铝合金板切割而成。

7.根据权利要求2所述的FRP-铝合金泡沫填充组合桥面板，其特征在于，所述榫头与榫孔板之间为间隙配合安装，所述榫头与榫头板之间为焊接连接。

8.根据权利要求1所述的FRP-铝合金泡沫填充组合桥面板，其特征在于，所述矩形FRP部件为一体拉挤成型或真空灌注树脂成型的多腔体型材，或为多个FRP矩形管通过结构胶粘合而成。

9.根据权利要求2所述的FRP-铝合金泡沫填充组合桥面板，其特征在于，所述矩形FRP部件与泡沫芯采用以下工艺生产：

泡沫芯通过发泡设备灌注进矩形FRP部件的空腔内，经固化后泡沫芯与矩形FRP部件的内壁自然粘结；

或，采用成品泡沫板裁取与矩形FRP部件空腔尺寸相匹配的泡沫条块作为泡沫芯，将泡沫条块插入矩形FRP部件的空腔内，且泡沫条块通过结构胶与矩形FRP部件的内壁连接；

或，矩形FRP部件和泡沫芯作为一个整体，采用纤维布包裹泡沫芯的方法，经真空灌注树脂工艺一体制作成型。

10.根据权利要求1所述的FRP-铝合金泡沫填充组合桥面板，其特征在于，所述铝合金矩形管主体通过预制模具拉挤成型，或通过铝合金板切割焊接而成。