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疲劳荷载作用下结构复合材料T梁桥梁的性能
马库斯·萨；P.Mtenga,M.ASCE2；K.Tawfiq,M.ASCE3；andN.Yazdani,F.ASCE4
摘要：最近在工程木材工业中的创新产生了结构复合材料木材（SCL），其实现了木材的优异强度，刚度和有效利用。SCL的变形产品，例如层压单板木材（LVL）和平行木材（PSL），目前在交通方面用于生产农村和其他低交通量道路的桥梁和甲板。尽管SCL具有弹性和剪切特性，但尚未尝试估算用于桥梁方面的疲劳性能。本研究在模拟60年服役的应力控制测试装置下测试了12个新的和2个旧的风化SCLT梁桥梁，这些梁具有材料和防腐剂变化，用于测定AASHTO规定的弯曲疲劳。横向后置应用于大梁，模拟现实生活中的情况。研究结果表明，梁能够承受理对疲劳强度没有影响。DOI:10.1061/(ASCE)BE.1943-5592.0000166。copy;2011美国土木工程师学会重复载荷而不会造成太大的物理损坏。一些LVL梁在SCL-环氧树脂界面处有严重的分层。疲劳作用下的梁被静态加载至破坏，并与新梁的最终弯曲强度进行比较。梁没有显示因为疲劳载荷的一百万次作用而产生任何明显的强度损失。实验表明scl型材料和防腐剂处。
CE数据库主题标题：疲劳；复合材料；木；桥梁；梁；材料特性。
关键词：疲劳；结构复合木材；SCL；桥梁；T型梁；LVL；PSL。
引言：美国的农村桥梁在该国经济中发挥着重要作用，占桥梁总数的80％[联邦公路管理局（FHWA）2004]。各州和地方当局继续用木材建造这些农村桥梁，因为它被认为是短距离的可行选择。国会于1988年通过的木材桥梁倡议（TBI）和1991年的多式联运地面运输效率法案（ISTEA）包括了木结构研究和技术转让的规定。TBI的目标是进一步发展和扩大木材作为桥梁材料的使用（USDA1997）。一种适用于桥梁应用的工程木材产品是结构复合木材（SCL），并且它正变得越来越受欢迎。SCL具有优异的强度，刚度和尺寸均匀性，并具有优异的防腐处理性。但是SCL在疲劳载荷下的性能变化几乎没有任何可用的信息。
SCL于20世纪70年代初在美国引入（Winistorfer1997）。SCL在大型结构上的可用性促进了其在运输行业中的使用。SCL钢坯可以切割成所需的形状，然后组合生产T梁或I型托梁，可以有效地用作桥梁（图1）。此外，由于SCL中防腐剂的优异渗透性，这些梁可以在不受环境危害影响的情况下建造使用长达60年（“自然选择”2005）。目前，内布拉斯加州的HughesBrothers是该产品的唯一制造商。它们能够生产跨度长达19.5米（64英尺）的梁（“复合结构材料”2001）。层压单板木材（LVL）是最常用的SCL材料。它是通过用粘合剂将木饰面粘合在一起制造的，这样饰面颗粒在纵向上是平行的。在美国，LVL是通过使用旋转剥离的生产者生产的，其用酚醛粘合剂热压。广泛使用的各种LVL被称为Microllam。平行木材（PSL）由木条或条带制成，木纤维主要沿构件的长度定向。由于钢绞线的形状，PSL的生产具有使用来自圆木的旋转剥皮单板以及来自胶合板或LVL生产的废料的优点。压制操作导致木线的致密化，并且微波加热技术使粘合剂干燥。
虽然LVL是由美国许多公司商业生产的，但PSL的生产并不普遍。PSL仅由Trusjoist公司制作，后者以Parallam的商业名称出售该产品。自从这项研究完成以来，Trusjoist已被iLevel的母公司Weyerhaeuser收购。
图1.SCLT型梁桥（图片由M.Enam提供）
SCL桥梁的疲劳
根据商业出版物，由SCL制成的桥梁的预期寿命为60年。由于其最近的采用的新技术，SCL桥梁的实际疲劳数据不可用。到目前为止，SCL材料尚未发布“作用应力-寿命”关系。构建这种关系需要对SCL材料进行大量的疲劳测试，并对其进行适当的采样和调整。Kyanka（1980）提到缺乏对木制品的疲劳调查。他还提到缺乏标准化的测试标准和木材断裂形态的知识。Tsai和Ansell（1990）进行了270毫米（10.63英寸）长层压硬木和实心锡特卡云杉梁的弯曲试验。在0.1的应力比下为云杉样品建立的S-N曲线表明它们的疲劳寿命为107个循环，其平均弯曲强度为75％。没有观察到疲劳极限。“木材手册”（USDA1999）给出了明确粒度的实心锯切弯曲试样的疲劳寿命为2times;106个周期，其加载到其四点弯曲中估计静态容量的60％，应力比为0.1。具有小结和1:12斜面晶粒的类似试样在承受40％的容量且应力比为0.1时具有2times;106个循环的疲劳寿命。所有样品的初始水分含量在12％至15％之间。
Hansen（1991）对2000毫米（78.74英寸）长的北欧云杉胶合梁进行了四点弯曲疲劳试验。长的北欧云杉胶合梁测试是位移控制的并且以10Hz的频率运行，并且最小施加位移是3mm（0.12英寸），通过改变峰值位移以产生不同的峰值载荷。最常见的疲劳失效类型是在载荷点附近的压缩和靠近底部的拉伸断裂。Gowda（1994）在疲劳中测试了三个4,300毫米（169.29英寸）长弯曲和弧形胶合梁。疲劳试验采用0.1的恒定应力比;使用了七种不同的负载水平。
W.G.Davids等人。（Glulam梁的弯曲疲劳与纤维增强聚合物张力增强，草稿纸，2003）在四点弯曲下测试了大规模FRP-胶合木梁样品。结果表明，具有全长或适当限制的部分长度加固的梁对桥梁具有足够的抗疲劳性。Kommers（1943）对锡特卡云杉，花旗松，五层黄桦和五层黄杨进行了测试，发现疲劳强度为5000万次循环时静态强度的27％。Dietz和Grinsfelder（1943）发现，对于双层和三层桦木胶合板，疲劳强度为200万次循环时静态强度的25％。mayma和Matsumoto（1970）对Sugi木材进行了三点弯曲试验，发现疲劳强度为100万次循环时静态强度的35％。Lewis（1962）比较了直纹样品和1:12颗粒角的试样的疲劳性能。
根据Hansen（1991），随着角度晶粒角度的增加，疲劳性能显着降低。
德克萨斯A＆M大学的一项研究项目（Uppal等人，2002年）表明，铁路公路木材纵梁在疲劳中的最小水平破坏剪切应力远远高于规范所允许的。测试仅包括道格拉斯冷杉和南方松树桁条。
从文献综述中可以明显看出，先前没有对SCL的疲劳行为进行可行的工作。
疲劳研究的参数
基于进行的文献综述，以下是木制品疲劳研究的参数列表：载荷设定，应力比，载荷施加循环次数，载荷频率，试样尺寸，含水量，防腐剂类型和颗粒排列。
负载确定
Hansen（1991）和W.G.Davids等人。（Glulam梁的弯曲疲劳与纤维增强聚合物张力增强，草稿纸，2003）采用了四点加载试验，非常适合疲劳调查。大多数先前的研究使用恒定挠度测试来评估木材和木材层压板的疲劳性能。然而，在恒定的挠曲试验中，试样随着时间的推移变得更加柔顺，并且载荷逐渐减小。另一方面，恒定的应力加载将确保试样在类似于实际使用条件的应力下加载。
桥梁跨度
由于佛罗里达州A＆M大学-佛罗里达州立大学（FAMU-FSU）工程学院结构实验室的空间限制，选择了对长度为6.1米（20英尺）桥的研究。根据对现有桥梁的统计数据的分析，该选择也是合理的。
国家桥梁清单（NBI）（FHWA2004）内的木桥概述显示，木桥的跨度长度从3.05米（10英尺）到超过30.5米（100英尺）不等。图2显示了美国所有木桥的跨度长度分布。选择桥梁时使用的标准如下：（1）对于单跨桥梁，考虑跨度长度;对于多跨桥梁，考虑了最大跨度的跨度长度;（2）选择HS20，改性HS20和HS25的桥梁;（3）有和没有行人交通的公路桥梁，在多层交汇处的交换或第二，第三或第四层的立交桥结构，以及其他。
图2.木桥跨度长度分布（FHWA2004）
统计分析显示，桥梁平均跨度为8.07米（26.46英尺），标准偏差为4.32米（14.18英尺）。这产生的最大跨度长度为12.39米（40.64英尺）。HughesBrothers的消息来源指出，他们生产的SCLT梁梁的平均跨度长度约为13.72米（45英尺）。然而，该长度远大于6.1米（20英尺）的选定跨度长度。克服这种不匹配的一种方法是模拟在6.1米（20英尺）大梁上的12.2米（40英尺）跨度梁中引起的卡车载荷应力。这种施加的载荷对于梁来说是非常大的。此外，美国国家公路和运输官员协会（AASHTO2004）使用了载荷和系数设计（LFRD）卡车装载，一般情况下，服务载荷用于设计木桥。因此采用了这种保守的方法（AASHTO2004）。
梁横截面
HughesBrothers以两种形状生产大梁，箱形和T形梁配置，具有预设尺寸。箱梁用作边梁，大部分交通荷载由内部T梁承载。LVL梁横截面由多个环氧树脂组成。LVL梁的腹板由三个不同的部件组成。然而，PSL横截面仅由三个部件（实心腹板和两个侧凸缘）制成。两组梁深度适用于HS-20和HS-25卡车装载。图3分别显示了6.1米（20英尺）和12.2米（40英尺）长梁的相应横截面尺寸。
图3.SCL梁的横截面
代表梁的荷载计算
从AASHTO2004LFRD装载的HL-93规定了以下载荷情况：（1.33times;HS-20卡车荷载） 车道荷载;(1.33times;双向卡车荷载) 车道荷载;和(1.15times;疲劳卡车负荷) 车道负荷。考虑了一个由12.2米（40英尺）SCLT梁构成的假想双车道桥梁。通过使用AASHTOHL-93装载并对HS-25卡车进行修改来计算该梁上的最大活荷载力矩。这样做是因为对于具有简单支撑结构的较短跨距，单个卡车产生最大的活载荷力矩。用HS-25装载更换HS-20确保了更高和更保守的力矩值。适当的分配因子应用于活载荷力矩。该值与静载荷相结合，在梁上的总LRFD力矩为247.3kN·m（182.4kip-ft）。此时在梁底部引起的最大弯曲应力为15.95MPa（2313psi）。这比22.24MPa（3255psi）的允许应力小得多。仅由静载荷引起的梁上的最小应力为1.34MPa（195psi）。
试验梁的荷载计算
代表性桥上每个疲劳循环的初始载荷为零。计算表明，必须应用3.56kN（0.8kip）的初始载荷来模拟12.2m（40ft）桥上的无活载情况。计算此负载是否为四点负载设置;负载头距离大梁两端的距离为2.44米（8英尺），如图4所示。通过使用此设置，模拟由于死区和活载荷导致的全部应力所需的负载桥是76.87kN（17.28基普）。对应6.1米（20英尺）主梁上的全负荷和静负荷的最大挠度为32毫米（1.26英寸）。这是通过使用制造商公布的弹性模量（E）值13,789MPa（2,000,000psi）计算的。
图4.带尺寸的四点加载设置
应力比
Hansen（1991）研究了应力比对KhayaIvorensis层合板疲劳性能的影响，发现反向载荷下疲劳强度降低。在公路桥梁中发生逆转的可能性极小。因此，在当前的研究中没有考虑负应力比。对于在役梁，应力比为0.084。测试梁的应力比保持不变，因为测试的前提是模拟代表梁中的确切初始和最终应力。此外，为了确定应力变化的影响，许多试样必须进行疲劳试验，这超出了本项目的范围。因此，测试以固定的应力比进行。
加载应用程序周期数
Tsai和Ansell（1990）提到，在恒定挠度条件下，木材和木材层压板显示出随时间显着减小的峰值载荷。人们普遍认为，在桥梁寿命期间内，主梁至少能承受两百万个车辆载荷的疲劳循环是一种良好的表现。该方法已被其他疲劳研究人员采用，包括Senthilnath等人（2001），Frieder等（2003）和W.G.Davids等人。（胶合梁的弯曲疲劳与纤维增强聚合物张力增强，草稿纸，2003）。钢跨度通常设计用于恒定振幅疲劳极限，其从大约180万到大约2220万个循环变化。WoodHandbook（USDA1999）建议至少使用200万次循环。AASHTO建议在此包括疲劳卡车，类似于HS-20卡车，后两个车轴分开9.14米（30英尺）的距离。
对于这项调查，当前和未来时间的ADTT数据是从现有木桥的NBI（FHWA2004）中提取的。图5显示ADTT的大部分在0到25的范围内，代表低容量农村交通，平均值为44.15。比较当前和未来的ADTT数据，每年的平均增长率估计为0.41％。根据这些数值，60年来大梁的预期卡车运输量为1,093,667。因此，决定使用一百万次循环进行这项调查。
图5.当前ADTT数据的部分分布
加载频率
以前的研究表明，对于木材产品疲劳研究，1-5赫兹是一个安全的加载频率。在这个速率下，不存在由热产生和蠕变效应引起的水分散失的可能性。由于在FAMU-FSU工程结构学院实验室运行加载执行机构的液压泵的容量有限，因此本文选择了0.9 Hz的加载速率。示波器产生了完美的正弦加载曲线，其应用负载的峰值和谷值定义明确。以0.9赫兹的频率连续运行，完成100万次疲劳载荷循环所需的时间约为12天21小时。
含水量和防腐剂
根据Hansen（1991年）的研究，含水量对木材的特性（包括疲劳性能）有着重要的影响。含水量的增加导致疲劳强度的降低。本研究没有考虑试样中含水量的变化。在评估现有桥梁的性能时，Ritter等人（1996）发现，在2.5年的时间内，LVL T梁的含水量增加了26%，并且，随着含水量的增加，SCL预计会在一定程度上膨胀。由于SCL桥是应力叠层桥，因此SCL中的膨胀有利于保持横向钢筋中的后张拉力
这种处理降低了静态和疲劳性能。本研究中要测试的大多数大梁都用各种防腐剂处理。室外型防腐剂主要有五氯
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资料编号：[647]
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