英语原文共 9 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
用碳纤维增强塑料板加固钢桥
作者：Trent C. Miller，1 Michael J. Chajes，ASCE的2名成员，ASCE的3名成员Dennis R. Mertz，和ASCE的4名学生成员Jason N. Hastings
介绍
截至2000年9月，联邦公路管理局(FHwA)共统计有587550座桥梁。在这近60万座桥梁中，约15%被列为结构缺陷。在结构缺陷的桥梁中，有56%的桥梁有钢结构。由于更换所有这些缺陷的桥梁的成本相当高，业主们正在寻找新的可行的、具有成本效益的康复技术。应用先进复合材料进行桥梁改造，是一种创新的解决方案。
现代先进的复合材料从第二次世界大战(Hollaway 1993)开始使用。从20世纪50年代以来，先进的复合材料在军事和航空航天的应用中发挥了重要作用。最近，先进的复合材料进入了民用基础设施
。在上世纪70年代末和80年代初，用于桥梁应用的先进复合材料的使用开始慢慢出现。它们的高强度-重量比，再加上它们对腐蚀的抵抗力，在建造桥梁修复和修复的材料，以及桥梁和上层建筑方面都发挥了重要作用。
虽然许多研究都是通过先进的复合材料对混凝土结构进行修复和加固，但对这些材料在钢结构上的应用只有非常有限的研究。由于应用程序的方便，使用外部结合的组合板加固钢梁尤其具有吸引力。该方法主要是在现场安装先进复合材料盖板。由于复合材料的重量大约是钢的十分之一，可以粘合，而且可以有与钢铁相似的结构(除了耐腐蚀)，它们提供了巨大的潜在外盖板应用。相比之下，钢铁覆盖板的安装可能需要进行现场钻孔和锚杆，而且要更加困难和昂贵。
本文首先简要回顾了在特拉华大学进行的几项实验室研究，其中碳纤维增强聚合物(CFRP)板已经显示出作为修复钢桥梁的一种方法。通过实验室试验验证了该方法的有效性，本文将重点介绍该技术的现场演示。讨论将包括用于选择适当的示范桥的过程和标准;包括大梁准备和CFRP板安装在内的实地恢复的细节;最后，在恢复之前和之后执行的负载测试结果。
背景
虽然广泛的研究已经进行了涉及混凝土结构的粘结纤维增强聚合物复合材料，(艾耶和森1991;尼尔和Labossiere 1992;Nanni和多兰1993;Taerwe 1995;El-Badry 1996;Saadatmanesh Ehsani 1996 1998;Meier和贝蒂1997)一直致力于先进复合材料的民用基础设施应用，之前在特拉华大学的研究,没有研究记录涉及的应用先进复合材料钢桥主梁康复。因此，最初的工作涉及(1)康复材料的选择;(2)申请程序的发展;(3)对修复效果的演示;(4)对先进的复合材料和钢铁之间的关系的研究，以强制转移和耐久性(环境和疲劳)。虽然本文的主要焦点是讨论最后的应用程序，但本节将概述现场演示的初始工作。
修复材料
该改造系统包括将先进复合材料板与钢桥梁的张力法兰连接起来，从而提供额外的刚度和强度。所采用的先进复合材料由单向碳纤维(t - 300碳)和乙烯酯树脂基质组成。所用的CFRP板采用的是一个拉拔过程，形成37毫米宽3 5.25毫米厚板。表1列出了CFRP板的相关属性。粉体复合材料的成本取决于所生产材料的数量。生产的材料越多，成本就越低。在这项研究中使用的CFRP板大约每公斤33美元(15美元)，相当于大约10美元(3美元/英尺)。使用37毫米宽的CFRP板而不是全法兰宽板可以帮助降低材料成本。通过选择适当数量的钢板来覆盖法兰板宽度，可以将37毫米的板应用到任何宽度法兰板上。此外，同样的钢板可以适用于张力法兰板的内外面。如果使用全宽板，则需要一个单独的拉式装置，每次需要新的宽度时，就需要产生一组新的盘子。如果需求量不高，就会很贵。
表1 碳纤维增强塑料板属性
CFRP板通过两部分高强度环氧树脂(Araldite AV8113 / HV8113,ciba – geigy Corp .，麦迪逊高地，Mich .)和一种甲基丙烯酸酯胶粘剂(ITW,MA555,Danvers,Mass .)连接到钢梁梁上。在选择胶粘剂时，考虑了剪切强度和耐久性。考虑到粘结的耐久性，所选的胶粘剂应该能够经受住包括除冰剂在内的一系列环境条件，无论是从桥的甲板上漏下来，还是从可能在桥下行驶的车辆上喷洒，以及从盐水中流出的氯化物。逆变可能也会受到温度极端的影响，包括冻融循环。因此，在高温和冻结条件下，粘结必须具有耐久性。ciba - geigy AV8113被选择在这个康复系统中使用，因为它被认为具有直接适用于这个应用程序的特征。除了具有相对较高的剪切强度为13.8 - 17.2 MPa(2000 - 2500 psi)，这种胶粘剂在一些环境条件下表现出非常好的耐久性，包括浸泡在65ordm;C水，一个商业除冰剂，和冻融条件(Mertz 1996)。ciba - geigy AV8113环氧树脂与z - 6040硅烷(Dow Corning)一起测试，作为一种钢材预处理。试验结果表明，硅烷预处理提高了粘结耐久性，不降低剪切强度，增加了断裂韧性，促进了内聚性膝部剪切破坏，而不是粘结失效。
在康复系统中也使用了结构粘胶的MA555。这种胶粘剂不是最初的测试程序的一部分，而是用于评估该应用的结构粘附，但是最近的测试，Rajagopalan(1996)揭示了对康复系统有利的特性。虽然MA555型胶粘剂的抗剪强度不像ciba - geigy AV8113[86 - 10.3 MPa(1,250 - 1500 psi)那样高，但神经丛对粘结线厚度的变化并不像ciba - geigy环氧树脂那样敏感。在对严重腐蚀的梁进行改造时，可使法兰板表面形成不均匀的粘结，并可在局部影响粘结强度。另一个优点是， MA555型胶粘剂的治疗时间相对较短。在室温下，大约75%的最终强度是在室温下达到的，而不是12 - 14 h的ciba - geigy环氧树脂。由于正常的交通模式可能需要在康复过程中改变，以保证在治疗期间的负荷最低限度，治疗时间的减少将减少对旅游公众的不便。值得注意的是，可以用加热毛毯来提高固化温度，以显著降低ciba - geigy AV8113的固化时间。
关于材料、胶粘剂和预处理选择的进一步细节可以在1996年，Rajagopalan(1996)和Mertz(1996)中找到。
申请手续
改造钢梁的第一步是准备钢的表面，而CFRP板将会粘合在一起。表面研磨机或喷砂机用于去除钢梁法兰板上的所有锈蚀、油漆和底漆。然后，光钢经过预处理，可以使用道康宁z - 6040硅烷粘附剂(ciba - geigy AV8113 / HV8113)或ITW PC120底漆(ITW MA555)，取决于所用的胶粘剂。然后，用砂纸或喷砂器将粘结剂涂在粘结层上，然后用丙酮擦拭干净，然后将胶粘剂涂在预处理的梁面和碳纤维板上。其次，玻璃纤维织物[085公斤(3盎司)，120 -玻璃纤维片)被放置在CFRP板和法兰板之间，以防止由于碳纤维和钢法兰之间的电流反应而产生的腐蚀(稍后讨论)。为了使安装更容易，CFRP板一般都附着在预装着面板上的法兰梁上，尺寸为法兰板的全部宽度(但不一定全长)。木块暂时粘在CFRP板上，使单个盘子被移动，并被安装成一个全宽的盘子。然后，将CFRP板夹紧，以接近的间隔(大约25毫米)，确保整个粘合表面的均匀压力，从而形成均匀的键线。一旦胶粘剂完全固化，钳夹和木块就会被除去。关于申请过程的进一步细节可能会在1996年的《阿马尔》中找到，并将在稍后的现场安装讨论中包含。
演示的修复效果
通过对材料和应用程序进行改造，对系统的刚度和强度提高进行了评价。为此目的，获得了4个全尺度桥梁。为了达到这一目的，我们获得了四架桥梁梁。四梁21-ft美国标准钢梁(S24times;80)从一座桥横跨在Rausch斯古吉尔河县溪。由于由于腐蚀和相关的部分损失，桥在中段需要支撑，最终被更换。在张力法兰板和网络中，每根梁的长度都是均匀一致的。
根据在恶化的梁上进行的静态三点弯曲试验，由于腐蚀造成的全球刚度损失的范围从13%到32%不等。所有的4个梁都被重新修复，一个完整长度的CFRP板与张力法兰板的内和外表面相连，并重新测试(图1)。CFRP改造将4个梁的弹性刚度从10%增加到37%。其中2个梁被静态地加载到3点弯曲失败，以量化CFRP板提供的强度增加(不修复的极限强度值是根据确定的腐蚀截面特性决定的)。测试失败的两个梁的极限容量增加了17%，而预测的能力下降了25%。重要的是要注意，所呈现的结果是针对前面描述的特定的CFRP板。这些板是为研究项目提供的，没有进行设计优化。具有不同厚度或材料性质的板材的选择将影响刚度或强度的增加。关于测试过程和结果的详细信息可以在1996年，西方(2001年)和Mertz(1996)中找到。
通过验证CFRP板在恢复钢梁的刚度和强度上的有效性，提出了一项全面的方案，以调查力转移和耐久性的结合问题。这两个问题在粘合CFRP板的设计中都是至关重要的。稍后将讨论，剩下的两个梁(测试的是用来评估刚度的，但未测试到失败)用于检查CFRP /钢的疲劳阻力。
图1典型的修复测试梁显示出的变质
结合问题
为了能够设计改造，你必须了解如何在CFRP板和钢基材之间进行强制转换。这很重要，因为发生这种情况的速率，以及相应的开发长度，会影响到所需的板的长度，以及在哪里可以终止板。开发长度也会影响在改造中使用的任何接头。采用关节长度的关节，对这种康复技术的实际应用是有利的。CFRP板的短长度可以更容易地传送到桥体并应用。
另一个被考虑的重要的结合问题涉及到在盘子末端的剥离应力。就皮尔应力而言，CFRP板应在所有终止点处倾斜到45ordm;角。这是一个典型的复合关节程序，已经证明有效地限制了剥皮应力(Vinson和Sierakowski 1987)。在所有的测试和现场演示中都遵循了这个过程。
为了量化力的转移，进行了实验和分析研究。下面是对关键结果进行总结。完整研究的细节可以在Miller(2000)中找到。
在试验研究的基础上，采用914毫米长的钢试样，在试样的两侧加强了CFRP覆盖板(双重加固)，以确定钢衬底材料和碳纤维加固材料之间的力传递速率。碳纤维增强塑料盘子的试样由测量37-mm宽times;5.25毫米厚times;457毫米长,连着两边的A36钢筋测量38毫米宽times;12.7毫米厚times;914毫米长。在钢衬底和碳纤维板之间放置了一个玻璃纤维层(腐蚀抑制剂)，以复制全面的康复技术。此外，CFRP板的末端为45ordm;角，以减少粘结剪切和剥离应力。
测试标本分为两组。第一个由三个样品组成，与ciba - geigy AV8113 / HV8113环氧树脂结合。钢表面采用陶氏z - 6040硅烷粘附剂预处理。测量结果表明，平均粘结胶粘剂的厚度为0.36毫米，第二组三种试样是用ITW - MA555结构胶粘剂进行粘结的。同样，钢表面采用ITW PC120底漆/护发素预处理。对标本的测量表明，平均粘结厚度为0.30毫米。图2显示了测试标本的示意图。
每个试样都附有18个金属箔的应变计。在CFRP板长的一端上放置了11个应变仪，以捕捉到板上的纵向张力。在样品的背面放置了5个应变仪作为“备用”量规，并与主计进行比较。通过这些测量读数，可以监测样品弯曲和主计读数的准确性。在CFRP板末端的钢条上有两个附加的应变计。这些量规用于监测在测试过程中对钢条施加的负载。
每一个测试标本都被放置在一个在1332型测试机器上的仪器中。试验过程包括应用一系列增加的拉伸载荷到样品并记录相应的应变数据。加载步骤如下:0 - 13.4 kN(3个kips)，0 - 26.8 kN(6个kips)，0 - 40.2 kN(9个kips)，0到失败(钢条约为138 kN)。在整个测试程序中使用的恒定应变速率为13.4 kN / min(3000磅/分钟)。请注意，在82.7 MPa(12 ksi)的钢条上的拉力负载为40.2 kN。这种压力与在类似的标本(稍后讨论)中执行的疲劳试验中所使用的应力范围相对应，并表示该领域应用程序(证明为15 - 20个MPa)所期望的实际负荷压力高于预期的应力范围。在所有的测试中，张力、应用载荷和十字头位移都记录在1hz上。
图2 结合试样的简图
研究了粘结接头的分析模型，研究了粘结剪切应力和碳纤维应力应变分布。一种1D的线性弹性模型，最初由阿尔巴特和罗迪(1999)提出，被使用。该模型结合了修正后的剪切滞后。这一点在考虑复合材料时尤其重要，因为通常都是与这些材料相关的低剪切模。下面给出了定义模型的方程式，包括对相关参数的描述，即在基材材料中，sigma;s=一般的普通应力；sigma;p =平均正应力补丁或加固材料;tau; =胶粘剂剪切应力;lambda;=弹性剪切应力分布参数;y =接头的轴向坐标;l =钢筋长度;P =外加负载单位长度钢筋;Es =衬底材料的杨氏模量;Ep =补丁或加固材料的杨氏模量;g =衬底材料的剪切模量;Gp =补丁或加固材料的剪切模量;Ga =胶粘剂的剪切模量;ts=基材厚度;tp =补丁或加固材料的厚度;ta =粘结厚度线;alpha;s=衬底材料的热膨胀系数; alpha;p =补丁或加固材料热膨胀系数;和Delta;T =温度变化。(请注意，
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[136871]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
