复合材料浮桥与钢性浮桥的结构性能比较

摘要：

纤维增强聚合物（FRP）复合材料已经越来越多地用于民用基础设施应用中。 由于其有利的性能，例如高强度重量，耐腐蚀和耐久性，使得它们可以替代常规的建筑材料例如钢和钢筋混凝土。目前的几项研究表明混合FRP复合材料可以充分利用每种所用材料的物理和机械性能，从而提高复合材料的整体性能。 泡沫板最常用作复合层压板的结构芯材料，有改善横向的结构受力并减少层压板的纵向翘曲的作用。钢制浮桥具有诸如快速腐蚀的缺点，因为其需要频繁的人力维护并且一旦出现故障就需要大量的繁琐的修理。并且其重量较大，从而在一定程度上降低了浮桥的承重能力。

在本文中，用ANSYS进行了一个数值模拟研究，以研究由复合FRP制成的70吨浮桥箱体单元的结构性能，论证能否克服钢制浮桥的缺点，并总结复合材料的好处。 有限元模型使用ANSYS Composite Prep Post（ACP）软件15.0版构建。

复合材料的浮桥箱体（HCP）的设计和安全系数根据EUROCOMP设计规范进行。 参数研究包括浮桥箱体的不同结构的几何配置，考虑使用泡沫的选择以增加HCP的结构能力，并且最终研究泡沫夹层的纤维取向对HCP的结构性能和承载能力的影响。讨论了不同结构参数的浮桥性能的研究的结果，并将其与钢浮桥对应进行比较。最终发现本文所提出的HCP系统在结构上是可靠的，复合材料浮桥吃水明显减少，与钢浮桥相比提高了承载力，并且具有自重减轻83.9％的优点。

关键词：

复合材料，钢浮桥，浮动结构，混合复合材料成分，有限元仿真

引言

纤维增强聚合物（FRP）复合材料已经越来越多地用于民用基础设施应用中，例如代替腐蚀的桥面甲板，在行人天桥和紧急车辆桥等领域，甚至在军事领域也有广泛应用。 自20世纪80年代以来，它们吸引了许多土木工程领域的研究者的兴趣。 由于其具有优越的性能，例如高强度重量，轻质，耐用，易于运输，易于布置和耐腐蚀，它们是对常规建筑材料例如木材，钢和钢筋混凝土的可行的替代物。

目前的几项研究表明混合FRP复合材料可以充分利用每种所用材料的物理和机械性能，从而提高复合材料的性能。以便实现材料的设计要求，并且经济性好。

泡沫最常用作复合层压材料的结构芯材料，以改善横向的结构强度并减少层压材料的横向翘曲，使其成为绝缘材料，易于处理，易于成型，并且可以在不增加重量的情况下层压粘合增加厚度。

钢浮桥具有快速腐蚀的缺点等，当暴露于湿气和空气时会快速生锈。 这导致泄漏和裂缝，这需要频繁的维护甚至大量的修理工作。 钢浮桥的另一个缺点是其重量很重，当设计浮桥箱体时; 土木工程师在考虑其支持的最大负载量必须考虑到自重问题，从浮桥承载能力中扣除。

在过去十年中，土木工程中所有FRP结构的研究和开发取得了长足进展。 填充泡沫改善了GFRP甲板的纵向强度，强度提高约20％，但弹性模量没有提高[1]。 Alnahhala W.和Aref A. [2]发现，FRP复合材料和混凝土的结合在民用基础设施应用中提供了很好的进展，因为混合桥的刚度比FRP桥的刚度高35％。 Hai，N.D。等人[3]研究了在法兰中由CFRP和GFRP制成的混合梁，但仅研究了腹板中的GFRP。 混合FRP梁的破坏强度和破坏模式取决于法兰中的碳含量。看来，当使用较高的碳含量时，分界的程度较大，导致梁有较低的失效载荷。 他们发现，FRP梁的的面板中的最佳碳体积含量在实验和数值上确定为25-33％。 与钢和铝军用桥梁相比，当考虑它们的强度与重量和强度-质量比时，复合桥梁的承载能力相对较高。 目前的复合桥梁的重量和成本分析表明，它们的重量是现有的铝桥梁的75%，但其成本高出10％[4]。 最近在美国密苏里州建造了三个复合梁（HCB）桥梁。研究表明，HCB是在公路梁应用中有前途的技术 [5]。 G.B. Maranan和A.C. Manalo [6]实验研究了一种夹层结构的胶合层压梁的结构性能，称为混合FRP复合梁。 他们得出结论，由于添加了顶部和底部GFRP板，混合梁的刚度增强。 即使超过了顶部和底部GFRP表皮的横向剪切强度，表皮通过其抗拉强度继续承受应力。 Khalifa，Y.A [7]采用（ANSYS v。11.0）连续式70吨钢舟的有限元模型，设置交通负荷能力为63.5吨。 最大计算吃水深度为722mm，钢浮桥的质量为（31625kg）。 此外，许多研究涉及宽度方向上的纤维和基质类型，纤维铺设和堆叠序列等，这将形成不同的结构性能。因此，需要进行额外的理论研究以使土木工程师对用于真实桥梁应用的混合梁的设计有信心。

在本文中，进行了一个数值模拟研究，以研究由复合FRP制成的70吨浮桥的结构性能，以克服钢舟的缺点，并总结复合材料的好处。 有限元模型使用ANSYS Composite Prep Post（ACP）软件15.0版构建。

复合材料的浮桥（HCP）的设计和安全系数根据EUROCOMP设计规范进行。 参数研究包括浮桥箱体的不同结构几何配置，考虑使用泡沫的夹层的取向选择以增加HCP的结构能力，并且最终研究泡沫夹层的取向对HCP的结构性能和承载能力的影响。 讨论了不同结构参数的浮桥性能的研究的结果，并将其与钢浮桥对应进行比较。最终发现本文所提出的HCP系统在结构上是可靠的，复合材料浮桥相对于钢制浮桥的吃水明显减少，与钢浮桥相比大大提高了承载力，并且具有自重减轻83.9％的优点。

钢制浮桥箱体的建模

为研究连续浮动钢制浮桥的结构性能，本文使用ANSYS 15.0版本进行了有限元分析。设置浮桥箱体的最大吃水限制为不超过浮桥总高度的80％。 Khalifa，Y.A [7]开发和验证载荷能力等于70吨的钢浮桥的FEM。 内浮体由4mm厚的加强板形成，纵向肋由冷弯成形的角钢100times;50times;4mm（间隔250mm）与角钢160times;80times;4以900mms间隔开的十字形矩形框架制成，如图1所示 分析显示最大吃水深度为751mm。 在当前的论文中，相同浮桥的FEM被重建用于相同的模型参数和配置，以用作与所提出的由复合材料制成的浮桥进行比较的参考标准。

F.E.M. 的浮钢船。

所用钢的机械性能列于表中。1.使用SHELL181元件对上，下法兰和腹板进行建模。 肋骨和十字形矩形框架使用元素BEAM188建模。为模拟下浮体表面的水支撑的边界条件，用具有（k = 8kN / m 3）的弹性支撑上的梁[7]代替。浮桥的有效载荷被模拟为等于（1.8times;105Pa）的均匀压力施加到模拟浮桥箱体的有限区域。 结果表明与Khalifa，Y.A [7]获得的结果具有良好的一致性，其中最大吃水量为750mm，总重量等于31625kg。 图2显示了70吨钢浮桥的变形模式。

图1.钢浮桥的几何尺寸和细节

图2. 70吨钢浮桥的变形模式

表1.材料的机械性能

3.拟定的混合复合浮桥（HCP）

为了克服钢舟浮标的缺点，论证复合材料物理特性的优点，本研究提出了由混合复合FRP制成的浮桥箱体，命名为HCP。 所提出的HCP具有与前一部分中引入的钢浮桥箱体相同的外部尺寸以保持相同的力学限制。 每个HCP的结构配置和系统列在表2中。参数研究包括HCP的三个结构几何配置。 研究旨在调查结构性能和确定最佳骨架结构间距和重量。 结构配置如图3所示。设计的挠度极限和安全系数根据EUROCOMP设计规范[9]设置。上，下和腹板被选择为具有纤维取向（0/90）的Epoxy_Carbon_UD_395GPa_Prepreg，因为每个层板具有0.5mm的厚度。

3.1 F.E.M. 的HCP。

建模过程使用ANSYS Composite Prep Post ACP进行。根据ANSYS库[8]，机械性能列在表1中。进行参数数值模拟研究，以研究由混合复合材料FRP制成的70吨浮桥的结构性能。有限元模型使用ANSYS Composite Prep Post（ACP）软件15.0版构建。上部边缘，下部缘和腹板使用元件SHELL181建模。 模拟下浮桥箱体表面的水支撑的边界条件用具有（k = 8kN / m 3）的弹性支撑上的梁[7]代替。 浮桥的有效载荷被模拟为等于（1.8times;105Pa）的均匀压力施加到模拟浮桥箱体的有限区域。 复合板通过等于20times;5cm的元件尺寸进行网格化。设置的元素和节点的总数相对于每个结构配置是可变的。

表2.不同HCP的结构配置尺寸

图3.不同HCP的结构几何配置。

3.2泡沫填充对HCP性能的影响

为了提高HCP的结构性能，使用PVC泡沫作为填充材料以防止网状物翘曲。 PVC泡沫的机械性能列于表1中。参数研究在表3中列出的HCP（B）上进行，因为命名的新浮桥箱体（HCP（B）_foam）具有与 HCP（B）。 FEM参数与HCP（B）相同，另外，根据ANSYS Composite Prep Post（ACP）软件版本15.0，使用元素（SOLID 186）表示的块状泡沫。

表3.填充有PVC泡沫的HCP（B）的结构构型

表4. HCP与钢浮桥相比的结构参数

图4. HCP（B）_foam的差异吃水

4.结果分析与讨论

4.1腹板间距对HCP结构性能的影响

为了确定最佳的幅材间距，进行三个数值模拟HCP（A），HCP（B）和HCP（C），使得幅材间距分别设置为（750,500和250mm）。 根据EUROCOMP设计规范[9]，设计安全系数设置为（4）。 上缘，下缘和腹板由具有纤维取向（0/90）的Epoxy_Carbon_UD_395GPa_Prepreg制成，因为每个层具有0.5mm的厚度。根据ANSYS库[8]，机械性能列在表1中。 结构元件尺寸列于表中。 2.三个参数研究的最大和最小吃水值列于表中。 从图4可以得出结论，对于HCP（C），将幅材间距减小到250mm，导致箱体应应变程度得到显着改善。这意味着所产生的应变减小，然而，新材料使得总重量也减小，并且导致与钢浮桥相比的最佳重量百分比改进。

4.2泡沫材料对HCP性能的影响

为了达到更好的结构性能和最佳的经济成本，进行第四次数值模拟（HCP（B）_泡沫），其中使用PVC泡沫作为HCP（B）构型的填充材料。 发现使用泡沫作为填充材料将增强浮桥复合系统的结构性能，如图4所示。与HCP（B）相比，复合材料的重量显着减少了53％。 虽然，如表4所示，HCP（B）和（HCP（B）_泡沫）的重量改进百分比分别从72.6％降低到68.9％，但从经济上讲， 小于HCP（B），因为复合材料的重量显着降低。

4.3上翼缘纤维取向对受力的影响

系统HCP（C）在当前参数研究中用作参考系统。 上缘的泡沫图层纤维的取向角从0°到90°变化，台阶10o与x轴成（theta;，-theta;）。 腹板和下缘的定向角保持在HCP（C）规定的（0o / 90o）。 图5示出了取向角和应变之间的关系，当取向角增加到90°时，该关系达到（33.17mm）的值。 应变略微提高了HCP（C）（33.61 mm）参考值的1.3％。

4.4下缘泡沫纤维取向对受力的影响

基于前面参数研究中得到的结果，上缘纤维的取向角设置为90°，幅材间距的取向角设为（0°/ 90°）。 然后，如针对HCP（C）所指定的，用于下缘的纤维的取向随着x轴从0至90变化为（theta;，-theta;）。 图6示出了定向角和吃水深度之间的关系，当定向角增加到90°时，该关系达到（30.68mm）的值。 牵伸差异显着提高了HCP（C）（33.61mm）的参考值的8.7％，仍然超过目标增强。

图5.上缘的纤维取向对受力的影响

图6.下缘的纤维取向对受力的影响

4.5纤维网的纤维取向对应变差异的影响

最后，基于在前两个参数研究中达到的结果，上凸缘和下凸缘的材料夹层纤维的取向角设置为90°。然后，如HCP（C）所规定的，纤维网的纤维的取向从0至90变化为具有y轴的（theta;，-theta;）。图7示出了定向角和吃水深度之间的关系，当定向角增加到60°时，该关系达到（21.86mm）的值。浮桥箱体应变差异增加了HCP（C）的参考值的35％（33.61mm）。参考HCP（C）导致浮桥箱体的承载能力的增加。同时，为了将设计安全系数保持在（4），需要增加上缘和下下缘以及腹板的厚度，如表4所示。与HCP（C）相比，导致总浮桥箱体的重量的显着增加。这可归因于横向纤维方向的较弱，因为复合材料是正交各向异性材料。

图7.垂直腹板纤维取向对受力的影响

4.6同时优化纤维的取向角

在前面的部分中得到的参数研究结果得出结论，所有结构元件的纤维取向必须同步在一起以满足每个元件在每个方向上的应力分布。此外，对于相同的纤维层，用于连续层的纤维不应该具有相同的取向角。因此，为了解决这个问题，最佳配置HCP（C）被优化以获得纤维取向的最佳变化。已经进行了许多数值模拟，如表5中所列出的，以调整上缘，下缘和腹板中的纤维的取向。模拟分析结果导致以下纤维取向：[-45,0,90,0,45] s为上缘，[0,45，-45,45，-45]为下缘和[ 45，-45]。优化浮桥的重量达到5077.1公斤，与钢浮桥相比重量提高83.9％。结果总结在表6中。图8.示出具有多取向的达到的HCP构型的定向变形。

表5.不同纤维取向角的HCP（C）的结构配置

表6.不同纤维取向角的HCP（C）的结构参数

图8.泡沫夹层纤维具有多个定向角的HCP的差分应变图

5.总结

在本浮桥材料研究中得出的结论仅限于基于对HCP的FE模型进行的数值模拟的

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