全 文 ：第３１卷　第３期
２０１４年９月
建筑科学与工程学报
Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｖｏｌ．３１　Ｎｏ．３
Ｓｅｐｔ．２０１４
文章编号：１６７３－２０４９（２０１４）０３－００５８－０６
收稿日期：２０１４－０５－１１
基金项目：国家自然科学基金重点项目（５１２３８００３）；江苏省自然科学基金项目（５５１３０００５）
作者简介：方　海（１９８１－），男，江苏仪征人，副教授，工学博士，Ｅ－ｍａｉｌ：ｆａｎｇｈａｉｎｊｕｔ＠１６３．ｃｏｍ。
ＧＦＲＰ－花旗松胶合木夹芯桥面板受弯性能
试验与结构设计
方　海，韩　娟，刘伟庆，祝　露
（南京工业大学 土木工程学院，江苏 南京　２１１８１６）
摘要：采用花旗松胶合木作为芯材，玻璃纤维增强复合材料（ＧＦＲＰ）作为面层制备夹芯结构桥面
板，在对花旗松胶合木芯材和ＧＦＲＰ开展基本力学性能试验研究的基础上，开展了ＧＦＲＰ－花旗松
胶合木夹芯梁的受弯性能试验，得出了其荷载－跨中挠度曲线与ＧＦＲＰ荷载－跨中应变曲线，并对抗
弯刚度测试值与理论计算值进行了对比；针对某ＧＦＲＰ－花旗松胶合木桥面板，提出了完整的结构
设计流程，给出了桥面板的合理设计参数。研究结果表明：ＧＦＲＰ－花旗松胶合木桥面板应用于钢
梁－复合材料桥面板组合桥梁结构较为可行。
关键词：ＧＦＲＰ；胶合木；夹芯结构；桥面板；抗弯刚度
中图分类号：ＴＵ３９９　　　文献标志码：Ａ
Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｏｎ　Ｂｅｎｄｉｎｇ　Ｃａｐａｃｉｔｙ　ａｎｄ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ
ＧＦＲＰ－ｐｓｅｕｄｏｔｓｕｇａ　Ｔａｘｉｆｏｌｉａ　Ｇｌｕｌａｍ　Ｂｒｉｄｇｅ　Ｄｅｃｋ
ＦＡＮＧ　Ｈａｉ，ＨＡＮ　Ｊｕａｎ，ＬＩＵ　Ｗｅｉ－ｑｉｎｇ，ＺＨＵ　Ｌｕ
（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１１８１６，Ｊｉａｎｇｓｕ，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｂｒｉｄｇｅ　ｐａｎｅｌ　ｏｆ　ｓａｎｄｗｉｃｈ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｗａｓ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｄ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｐｓｅｕｄｏｔｓｕｇａ
ｔａｘｉｆｏｌｉａ　ｇｌｕｌａｍ　ａｓ　ｃｏｒｅ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ａｎｄ　ｇｌａｓｓ　ｆｉｂｅｒ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｐｏｌｙｍｅｒ（ＧＦＲＰ）ａｓ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｃｏｕｒｓｅ．
Ｔｈｅ　ｂｅｎｄｉｎｇ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｏｆ　ＧＦＲＰ－ｐｓｅｕｄｏｔｓｕｇａ　ｔａｘｉｆｏｌｉａ　ｇｌｕｌａｍ　ｂｅａｍ　ｗａｓ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ
ｂａｓｉｃ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｙ　ｏｆ　ｐｓｅｕｄｏｔｓｕｇａ　ｔａｘｉｆｏｌｉａ　ｇｌｕｌａｍ　ｃｏｒｅ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ａｎｄ　ＧＦＲＰ．Ｆｒｏｍ　ｔｈｅ
ｂｅｎｄｉｎｇ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ｔｈｅ　ｌｏａｄ－ｍｉｄｓｐａｎ　ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ　ｃｕｒｖｅ　ａｎｄ　ＧＦＲＰ　ｌｏａｄ－ｍｉｄｓｐａｎ　ｓｔｒａｉｎ　ｃｕｒｖｅ　ｗｅｒｅ
ｇｏｔ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ｖａｌｕｅ　ｗａｓ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｖａｌｕｅ　ｏｆ　ｂｅｎｄｉｎｇ　ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ．Ｉｔ　ｂｒｏｕｇｈｔ　ｕｐ　ａ
ｗｈｏｌｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ　ｄｅｓｉｇｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ａ　ｓａｎｄｗｉｃｈ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｂｒｉｄｇｅ　ｄｅｃｋ，ａｎｄ　ｇａｖｅ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ
ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｏｆ　ｂｒｉｄｇｅ　ｄｅｃｋ．Ｔｈｅ　ｓｔｕｄｙ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｕｓｉｎｇ　ＧＦＲＰ－ｐｓｅｕｄｏｔｓｕｇａ　ｔａｘｉｆｏｌｉａ　ｇｌｕｌａｍ
ｂｒｉｄｇｅ　ｄｅｃｋ　ｉｎｔｏ　ｇｉｒｄｅｒ－ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｂｒｉｄｇｅ　ｐａｎｅｌ　ｉｓ　ｆｅａｓｉｂｌｅ．
Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＧＦＲＰ；ｇｌｕｌａｍ；ｓａｎｄｗｉｃｈ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｂｒｉｄｇｅ　ｄｅｃｋ；ｂｅａｄｉｎｇ　ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ
０ 引　言
欧美自 １９８５ 年开始了纤维增强复合材料
（ＦＲＰ）桥面板在结构工程中的应用研究，并付诸于
实际工程［１］，如１９９６年ＦＲＰ桥面板体系较早应用
在美国堪萨斯州沙漠附近的无名沟壑上架起的一座
公路桥，此后，ＦＲＰ桥面板在美国近百座中短跨桥
梁中得到应用［２］。
ＦＲＰ桥面板的基本结构主要有２种形式，即夹
芯板结构和拉挤型材粘合结构［３］。拉挤型材桥面板
可以连续生产，生产效率高，原材料浪费少，整体性
和截面形状一致性好，其型材长度不受限制，是目前
各国主要采用的桥面板结构形式，但是拉挤工艺制
造的构件截面形式固定，不能根据桥梁跨度大小灵
活设计调整［４］。ＦＲＰ夹芯板由高强度、高模量的面
层与轻质芯材复合而成，面层承受弯曲正应力，芯材
提高了结构惯性矩，并提供剪切强度。尽管这种结
构存在成本高以及结构的固定和连接性能差等缺
点，但是能够根据荷载条件进行灵活设计制造。采
用蜂窝夹层法的桥面板有 Ｈａｒｄｃｏｒｅ和 ＫＳＣＩ等系
统，夹芯桥面板一般采用真空导入成型工艺或手糊
法制造［５］。国外较早应用ＦＲＰ夹芯桥面板的桥梁
是美国加利福尼亚州的Ｎｏ　Ｎａｍｅ　Ｃｒｅｅｋ桥［６］，现场
施工安装只用了８ｈ。Ｓｔｏｎｅ等［７］对密苏里州街区
桥上的 ＫＳＣＩ系统进行加载测试，他们也对采用
Ｈａｒｄｃｏｒｅ桥面板的Ｂｅｎｎｅｔｔｓ　Ｃｒｅｅｋ桥［８］进行了现
场加载测试，结果均符合 ＡＡＳＨＴＯ标准。２００１年
美国缅因大学参考ＡＡＳＨＴＯ　ＬＲＦＤ设计方法在缅
因州设计建造了ＳＫＩＤＭＯＲＥ桥［９］，该桥采用东部
铁杉胶合木作为芯材，ＧＦＲＰ为面层。
胶合木作为一种结构用材有较多优点：①胶合
工艺使原木材中的缺陷均匀分布，并能够有选择性
地剔除原木中存在的节子、孔洞等天然缺陷，胶合后
材料具有容许应力高、变异系数小等特点；②胶合木
不受天然木材尺寸的限制，能够被制成满足建筑和
结构要求的各种尺寸构件，能够直接加工成曲线、异
型构件，可满足多种需要，尤其能满足大截面、大跨
度构件的需要；③胶合木在加工过程中，其板材得到
了充分干燥，能够保证构件尺寸和形状的稳定，减少
了裂缝和变形对构件功能的影响；④可用次生和三
生树林以及人造林的小树，制成大型胶合木构件，可
以扩大结构用材的树种。
本文中笔者提出采用性能稳定的花旗松胶合木
作为芯材，ＧＦＲＰ作为面层的夹芯结构桥面板，应用
于中小跨度桥梁中，具有轻质、易安装、防除冰盐腐
蚀等优点，应用前景广阔。
１ ＧＦＲＰ－花旗松胶合木夹层板的结构
构造与制备
１．１ 结构构造
ＧＦＲＰ－花旗松胶合木夹层板由 ＧＦＲＰ面板和
花旗松胶合木芯材组合而成，中间为花旗松胶合木
芯材，上下为ＧＦＲＰ面板，如图１所示。
图１ ＧＦＲＰ－花旗松胶合木夹层板结构
Ｆｉｇ．１ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ＧＦＲＰ－ｐｓｅｕｄｏｔｓｕｇａ　Ｔａｘｉｆｏｌｉａ
Ｇｌｕｌａｍ　Ｓａｎｄｗｉｃｈ　Ｐｌａｔｅ
１．２ 制备过程
１．２．１ 原材料
玻璃纤维采用常州天马集团有限公司生产的双
轴向玻璃纤维布，铺层设计为０°或９０°，纤维纵横向
比例为１∶１。基体材料采用常州华科树脂有限公
司生产的间苯级不饱和聚酯树脂，粘度为０．１～
０．１５Ｐａ·ｓ，较适合于真空导入成型工艺。
１．２．２ 制备工艺
花旗松胶合木芯材采用宽度为３５ｍｍ的花旗
松木板侧面胶合，经制材、窑干、木材分级、指接、抛
光、涂胶、加压胶合、整形加工、检验等主要加工工艺
制成。将花旗松胶合木芯材表面铺设ＧＦＲＰ布，进
行真空导入操作即可完成 ＧＦＲＰ－花旗松胶合木夹
层板构件的制备。
１．３ 组分材料基本力学性能
１．３．１ 花旗松胶合木芯材基本力学性能
基于木材正交各向异性的特征，根据中国《木材
顺纹抗拉强度试验方法》（ＧＢ　１９３８—２００９）［１０］和
ＡＳＴＭ　Ｄ１４３－９４［１１］进行了木材拉伸试验；根据《木
材顺纹抗压强度试验方法》（ＧＢ　１９３５—２００９）［１２］、
《木材顺纹抗压弹性模量测定方法》（ＧＢ／Ｔ　１５７７７—
１９９５）［１３］、《木材横纹抗压试验方法》（ＧＢ　１９３９－
２００９）［１４］、《木材横纹抗压弹性模量测定方法》（ＧＢ
１９４３—２００９）［１５］测试了木材的抗压性能；根据《木材
顺纹抗剪强度试验方法》（ＧＢ　１９３７—２００９）［１６］进行
了木材剪切性能试验，材性测试结果见表１。
１．３．２ ＧＦＲＰ面层材性试验
ＧＦＲＰ面层由 ＧＦＲＰ布与不饱和聚酯树脂固
化而成。试件按照《玻璃纤维增强塑料拉伸性能试
验方法》（ＧＢ／Ｔ　１４４７—２００５）制作，试验装置如图２
所示，试件两端采用铝板对夹持端进行增强，使试件
不至于在夹持处发生破坏。
试验采用德国进口Ｚｗｉｃｋ／Ｒｏｅｌ电子拉伸试验
机，按照ＤＩＮ　ＥＮ　ＩＳＯ　５２７－４试验标准，试验速度为
２ｍｍ·ｍｉｎ－１，连续加载，并用３８１６应变箱测试应
９５第３期　　　　　　方　海，等：ＧＦＲＰ－花旗松胶合木夹芯桥面板受弯性能试验与结构设计
表１ 胶合木芯材基本力学性能测试结果
Ｔａｂ．１ Ｔｅｓｔ　Ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　Ｂａｓｉｃ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｏｆ　Ｇｌｕｌａｍ
材料
弹性模量／ＭＰａ 剪切模量／ＭＰａ 剪切强度／ＭＰａ 压缩强度／ＭＰａ 拉伸强度／ＭＰａ
顺纹 横纹 顺纹 横纹 顺纹 横纹 顺纹 横纹 顺纹
花旗松 １２　２３６　 ７８０　 ９１０　 １　１８０　 １０．８５　 ８．１４　 ５６．７０　 ７．４７　 １０２．１２
图２ 试验装置示意（单位：ｍｍ）
Ｆｉｇ．２ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｏｆ　Ｔｅｓｔ　Ｄｅｖｉｃｅ（Ｕｎｉｔ：ｍｍ）
变情况。ＧＦＲＰ面层拉伸性能测试结果见表２。
利用试件上的应变片纵向与横向数值，测出
ＧＦＲＰ面板的面内泊松比为０．１５。根据《纤维增强
塑料纵横剪切试验方法》（ＧＢ／Ｔ　３３５５—２００５）进行
腹板纵横向剪切试验，根据标准规定，对于正交纤维
增强平板纵横向剪切试验，取纤维方向与试验机主
拉伸方向成４５°角，所以此种试验方法被称作４５°偏
表２ ＧＦＲＰ面层拉伸性能测试结果
Ｔａｂ．２ Ｔｅｎｓｉｌｅ　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　Ｔｅｓｔ　Ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ＧＦＲＰ　Ｓｋｉｎ
序号 厚度／ｍｍ 宽度／ｍｍ
拉伸强度／ＭＰａ 面板面内弹性模量Ｅｆ／ＧＰａ 极限应变
试验值 平均值 试验值 平均值 试验值 平均值
１　 ３．１６　 ２４．９０　 ３０５．２
２　 ３．０６　 ２４．０８　 ２９０．９
３　 ３．１０　 ２６．０４　 ３３７．７
４　 ３．１８　 ２５．２２　 ３５１．３
５　 ３．２６　 ２５．０２　 ３２９．４
３２２．９
１９．９９
２０．２８
２０．４５
２０．７４
２３．３０
２０．９５２
０．０４２
０．０４１
０．０４３
０．０５２
０．０３６
０．０４３
轴拉伸试验方法。断裂处的断面成４５°角，ＧＦＲＰ面
层剪切性能测试结果如表３所示。
表３ ＧＦＲＰ面层剪切性能测试结果
Ｔａｂ．３ Ｓｈｅａｒ　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　Ｔｅｓｔ　Ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ＧＦＲＰ　Ｓｋｉｎ
序号 厚度／ｍｍ 宽度／ｍｍ
剪切模量／ＧＰａ
试验值 平均值
变异系数／％
１　 ２．４８　 ２４．１６　 ３．８１
２　 ２．５４　 ２５．００　 ３．５８
３　 ２．５８　 ２４．３２　 ３．４８
４　 ２．４４　 ２４．１８　 ３．２２
５　 ２．４６　 ２４．５８　 ４．０１
３．６２　 ３０．３
２ ＧＦＲＰ－花旗松胶合木夹层梁受弯性
能试验与结果分析
２．１ 试验方案
ＧＦＲＰ面层厚度为３ｍｍ，试件长度为１　１００
ｍｍ，宽度为１５０ｍｍ；花旗松胶合木芯材厚度分别
取４８ｍｍ（试件Ｊ４８－Ｆ３）和５４ｍｍ（试件Ｊ５４－Ｆ３）。
试验在反力架上进行，采用２００ｋＮ量程的千
斤顶进行逐级加载，每级荷载为１ｋＮ，并通过力传
感器量测千斤顶施加的荷载。通过分配梁在夹层梁
上形成２个加载点，加载点之间距离为２５０ｍｍ，在
加载点处铺设细条橡胶垫以防止局部破坏，支座间
距为９００ｍｍ。在梁跨中设置位移传感器测试挠
度，利用梁跨中上下侧ＧＦＲＰ层的２个应变片测试
面层应力，试验装置如图２所示。
２．２ 受弯破坏模式
试件Ｊ４８－Ｆ３与试件Ｊ５４－Ｆ３为ＧＦＲＰ－花旗松胶
合木夹层板，胶合木芯材厚度有所不同，两者的破坏
现象虽然相近，但是也有所区别：
（１）对于试件Ｊ４８－Ｆ３，加载初期无变化，当加载
至２１ｋＮ时出现轻微响声，加载至２６ｋＮ时出现连
续噼啪响声，夹层板的挠度迅速增大，加载至３１ｋＮ
时发生破坏，破坏现象为上面层压皱断裂错层，芯材
有裂纹，破坏现象如图３（ａ）所示。
（２）对于试件Ｊ５４－Ｆ３，由于该试件的芯材厚度
有所增加，故加载至３８ｋＮ 时试件才出现轻微响
声，当加载至４２ｋＮ时出现连续轻微响声，荷载增
至４９ｋＮ时发生巨大响声，芯材下部木材拉坏，试
件随即破坏，破坏现象如图３（ｂ）所示。
２．３ 试验结果分析
以试件Ｊ５４－Ｆ３测试结果为例进行分析，其荷
载－跨中挠度曲线与ＧＦＲＰ荷载－跨中应变曲线分别
如图４，５所示。
从图４可知，在外荷载为１０ｋＮ的情况下，跨中
挠度仅为４．３７ｍｍ，整体刚度较大。由图５可知，
荷载－跨中应变关系在整个加载过程中基本呈线性
关系。夹芯板的上面板与下面板 ＧＦＲＰ的应变基
０６ 建筑科学与工程学报　　　　　　　　　　　　　　　２０１４年
图３ ＧＦＲＰ－花旗松胶合木夹层板破坏模式
Ｆｉｇ．３ Ｆａｉｌｕｒｅ　Ｍｏｄｅｓ　ｏｆ　ＧＦＲＰ－ｐｓｅｕｄｏｔｓｕｇａ
Ｔａｘｉｆｏｌｉａ　Ｇｌｕｌａｍ　Ｓａｎｄｗｉｃｈ　Ｐｌａｔｅ
图４ 试件Ｊ５４－Ｆ３的荷载－跨中挠度曲线
Ｆｉｇ．４ Ｌｏａｄ－ｍｉｄｓｐａｎ　Ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ　Ｃｕｒｖｅ　ｏｆ　Ｓｐｅｃｉｍｅｎ　Ｊ５４－Ｆ３
图５ 试件Ｊ５４－Ｆ３的ＧＦＲＰ荷载－跨中应变曲线
Ｆｉｇ．５ ＧＦＲＰ　Ｌｏａｄ－ｍｉｄｓｐａｎ　Ｓｔｒａｉｎ　Ｃｕｒｖｅｓ　ｏｆ
Ｓｐｅｃｉｍｅｎ　Ｊ５４－Ｆ３
本相等，上面板的应变略大。
Ａｌｅｎ［１７］于１９６９年提出，当面板厚度远小于芯
材厚度，上下面板厚度相等且芯材的弹性模量大于
泡沫、蜂窝等芯材时，木质芯材，包括轻木、泡桐木、
胶合木等，夹层板的抗弯刚度Ｄ可近似用下式表示
Ｄ＝Ｅｆｂｔｄ
２
２ ＋Ｅｃ
ｂｃ３
１２
（１）
式中：Ｅｃ为芯材的顺纹弹性模量；ｔ为单层面板的厚
度；ｃ为芯材的厚度；ｄ为芯材的厚度与单面板厚度
之和；ｂ为夹层板的宽度。
将表１，２中芯材与面层的基本力学性能测试值
以及试件尺寸代入式（１），即可以计算得到 ＧＦＲＰ－
花旗松胶合木夹层板试件Ｊ５４－Ｆ３的抗弯刚度为
３９ｋＮ·ｍ２，而试件Ｊ５４－Ｆ３的抗弯刚度试验值为
３４ｋＮ·ｍ２，两者相差１２．８％。
分析误差产生的原因是：受弯试件仅上下面层
为ＧＦＲＰ，而四周未被ＧＦＲＰ包裹，试件暴露于空气
中时间过长，其胶合木芯材存在吸湿现象，从而导致
弹性模量下降，继而抗弯刚度试验值略小于计算值。
该试件在应用于桥面板工程时，胶合木芯材上下及
四周均被 ＧＦＲＰ包裹，不存在吸湿等现象；同时在
进行结构设计时，ＧＦＲＰ和胶合木芯材的基本力学
性能均采用设计值，从而保证结构的安全度。
３ 复合材料桥面板结构设计
上述通过试验和理论方法对比了 ＧＦＲＰ－花旗
松胶合木夹层板的弯曲刚度求解公式和破坏模式。
将该夹层板应用于某公路单车道车行桥，如图６所
示。该桥由３根钢主梁支承横向桥面板结构体系，
主梁中心线之间的距离为１．８ｍ，设计荷载为公路－
Ⅰ级。桥面板最大挠度限制为Ｌ／５００，Ｌ为桥长。
图６ 某公路桥设计示意（单位：ｍ）
Ｆｉｇ．６ Ｄｅｓｉｇｎ　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｏｆ　Ｖｅｈｉｃｕｌａｒ　Ｂｒｉｄｇｅ（Ｕｎｉｔ：ｍ）
３．１ 结构尺寸与设计荷载
３．１．１ 材料属性
在设计胶合木构件时，一般将其视为整体截面
构件而不考虑胶缝的影响。国外对这种胶合木构件
已经形成标准化设计与生产，并在试验的基础上确
定其强度设计值。中国目前由于缺乏系统的试验工
作和足够的试验数据，同时又不能简单引用国外规
范，因此在《木结构设计规范》（ＧＢ　５０００５—２００３）
中，胶合木构件的强度设计值和弹性模量取值仍与
截面相同的实木构件相同，然后根据相应的调整系
数进行调整。
花旗松胶合木清材小构件的强度标准值为
ｆｋ＝ｕｆ－１．６４５σｆ （２）
式中：ｆｋ为材料强度的标准值；ｕｆ为材料强度的平
均值；σｆ为材料强度的标准差。
首先将花旗松胶合木试验结果平均值转化为标
准值，即可得出花旗松清材的力学性能，如表４所
示。在胶合木构件中，由于木材的很多天然缺陷被
１６第３期　　　　　　方　海，等：ＧＦＲＰ－花旗松胶合木夹芯桥面板受弯性能试验与结构设计
人工剔除或均匀分布于构件中，因此其对材料强度
的影响相对于实木材料要低很多。结合本课题组的
制造现状，建议系数ＫＱ１值对于拉、压、弯分别取为
０．７３，０．８８，０．８３。综合以上分析，计算得出花旗松
胶合木的强度设计值（表４），ＧＦＲＰ的抗拉强度设
计值为１４４ＭＰａ，其弹性模量设计值为２０．９５ＧＰａ。
表４ 花旗松强度设计值
Ｔａｂ．４ Ｄｅｓｉｇｎ　Ｓｔｒｅｎｇｔｈ　Ｖａｌｕｅｓ　ｏｆ　Ｐｓｅｕｄｏｔｓｕｇａ　Ｔａｘｉｆｏｌｉａ
材料 Ｅｘ／ＧＰａ　 ｆｔ／ＭＰａ　 ｆｃ／ＭＰａ　 ｆｖ／ＭＰａ
花旗松 １２．２３６　 １７．００　 １３．５７　 ２．８０
　注：Ｅｘ为花旗松顺纹弹性模量；ｆｔ，ｆｃ，ｆｖ分别为材料在顺纹方
向的抗拉强度、抗压强度和抗剪强度设计值。
３．１．２ 内力计算
（１）恒载引起的内力
桥面板横向支承于钢梁时多采用连续梁形式，
中间支点负弯矩对跨中正弯矩有卸载的作用，使内
力状态比较均匀合理。因此首先计算桥面板的自
重，将其作为均布荷载ｑ作用于桥面板连续梁分析
模型中，计算简图即为恒载引起的弯矩图和剪力图
（图７）。
图７ 恒载计算简图
Ｆｉｇ．７ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　Ｄｉａｇｒａｍｓ　ｏｆ　Ｄｅａｄ　Ｌｏａｄ
（２）活载引起的内力
计算车轮荷载Ｐ并考虑冲击作用，进行荷载组
合得到桥面板活载设计值。由于本设计方案的主梁
中心线之间的距离为１．８ｍ，故按计算简图确定活
载引起的最不利弯矩图和剪力图（图８）。
若主梁中心线之间的距离大于３ｍ，则可能同
时有２个车轮作用于桥面板的一跨中，因此荷载布
置和内力分布并非如图８所示，桥面板需要按最不
利工况进行设计。
图８ 活载计算简图
Ｆｉｇ．８ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　Ｄｉａｇｒａｍｓ　ｏｆ　Ｌｉｖｅ　Ｌｏａｄ
３．１．３ 强度验算
取最不利截面的弯矩和剪力，利用换算截面法
验证 ＧＦＲＰ面层和胶合木的正应力和剪应力是否
大于材料强度，即要求保证
γ０Ｓ≤Ｒ （３）
式中：γ０ 为桥梁结构的重要性系数；Ｓ为荷载效应组
合的设计值；Ｒ为结构构件抗力的设计值。
３．１．４ 挠度验算
由于复合材料桥面板自重较小，故使用考虑剪
切效应的铁木辛柯公式求解活载引起的挠度。双跨
连续梁由于中间支座的支承，挠度大为降低，桥面板
跨中挠度Δ的计算公式为［１８］
Δ＝Δｂ＋Δｓ＝ ７ｐｓ
３
１　５３６ＥＩ＋
７３ｐｓ
５１２ＧＡ
（４）
式中：Δｂ为弯曲引起的挠度；Δｓ为剪切引起的挠度；
ｐ为车辆单轮荷载；ｓ为桥面板有效跨度；ＥＩ为桥面
板等效弯曲刚度；ＧＡ为桥面板等效剪切刚度。
３．２ 结果分析
桥面板初始设计值：桥面板长度为３．６ｍ，宽度
为０．５ｍ，总厚度为１７０ｍｍ；采用１６０ｍｍ的花旗
松胶合木芯材以及上下各５ｍｍ的ＧＦＲＰ面层，由
式（４）计算得到桥面板跨中挠度为１．８５ｍｍ。
按ＡＡＳＨＴＯ　ＬＲＦＤ的规定，木结构桥梁的挠
度限值为２．５ｍｍ，另一种在纯胶合木桥面板设计
中广泛使用的挠度限值为有效跨度的１／５００，本文
中提出采用下式对挠度限值ΔＬＬ．ｌｉｍ进行验算
ΔＬＬ．ｌｉｍ＝ｍｉｎ｛ｓ５００
，２．５ｍｍ｝ （５）
计算可得到桥面板跨中挠度小于２．５ｍｍ，满
足挠度要求。将计算得出的弯曲正应力、剪应力与
２６ 建筑科学与工程学报　　　　　　　　　　　　　　　２０１４年
组分材料的强度设计值进行对比，均满足设计要求，
故本桥面板的初始设计参数满足设计要求。
４ 结 语
（１）介绍了ＧＦＲＰ－花旗松胶合木夹层板的材料
组成与制备工艺，并根据相关规范得出了ＧＦＲＰ面
层和胶合木芯材的基本力学性能测试值。
（２）开展了ＧＦＲＰ－花旗松胶合木夹层板的弯曲
性能试验，观测了其破坏现象，其抗弯刚度测试值与
理论值相差为１２．８％。
（３）针对某小型ＧＦＲＰ－花旗松胶合木桥面板工
程案例，提出了完整的结构设计与验算流程，给出了
桥面板的合理设计参数。
参考文献：
Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ：
［１］　ＬＵＫＥ　Ｓ，ＣＡＮＮＩＮＧ　Ｌ，ＣＯＬＬＩＮＳ　Ｓ，ｅｔ　ａｌ．Ａｄｖａｎｃｅｄ
Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　Ｂｒｉｄｇｅ　Ｄｅｃｋｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ—Ｐｒｏｊｅｃｔ　ＡＳＳＥＴ
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［１０］ ＧＢ　１９３８—２００９，木材顺纹抗拉强度试验方法［Ｓ］．
ＧＢ　１９３８—２００９，Ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　Ｔｅｓｔｉｎｇ　ｉｎ　Ｔｅｎｓｉｌｅ　Ｓｔｒｅｎｇ－
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［１２］ ＧＢ　１９３５—２００９，木材顺纹抗压强度试验方法［Ｓ］．
ＧＢ　１９３５—２００９，Ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　Ｔｅｓｔｉｎｇ　ｉｎ　Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ
Ｓｔｒｅｎｇｔｈ　Ｐａｒａｌｅｌ　ｔｏ　Ｇｒａｉｎ　ｏｆ　Ｗｏｏｄ［Ｓ］．
［１３］ ＧＢ／Ｔ　１５７７７—１９９５，木材顺纹抗压弹性模量测定方
法［Ｓ］．
ＧＢ／Ｔ　１５７７７—１９９５，Ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ
Ｍｏｄｕｌｕｓ　ｏｆ　Ｅｌａｓｔｉｃｉｔｙ　ｉｎ　Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ　Ｐａｒａｌｅｌ　ｔｏ
Ｇｒａｉｎ　ｏｆ　Ｗｏｏｄ［Ｓ］．
［１４］ ＧＢ　１９３９—２００９，木材横纹抗压试验方法［Ｓ］．
ＧＢ　１９３９—２００９，Ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　Ｔｅｓｔｉｎｇ　ｉｎ　Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ
Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ　ｔｏ　Ｇｒａｉｎ　ｏｆ　Ｗｏｏｄ［Ｓ］．
［１５］ ＧＢ　１９４３—２００９，木材横纹抗压弹性模量测定方法
［Ｓ］．
ＧＢ　１９４３—２００９，Ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ
Ｍｏｄｕｌｕｓ　ｏｆ　Ｅｌａｓｔｉｃｉｔｙ　ｉｎ　Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ
ｔｏ　Ｇｒａｉｎ　ｏｆ　Ｗｏｏｄ［Ｓ］．
［１６］ ＧＢ　１９３７—２００９，木材顺纹抗剪强度试验方法［Ｓ］．
ＧＢ　１９３７—２００９，Ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　Ｔｅｓｔｉｎｇ　ｉｎ　Ｓｈｅａｒｉｎｇ　Ｓｔｒｅ－
ｎｇｔｈ　Ｐａｒａｌｅｌ　ｔｏ　Ｇｒａｉｎ　ｏｆ　Ｗｏｏｄ［Ｓ］．
［１７］ ＡＬＬＥＮ　Ｈ　Ｇ．Ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　Ｓａｎ－
ｄｗｉｃｈ　Ｐａｎｅｌｓ［Ｍ］．Ｌｏｎｄｏｎ：Ｐｅｒｇａｍｏｎ　Ｐｒｅｓｓ，１９６９．
［１８］ ＤＡＶＡＬＯＳ　Ｊ　Ｆ，ＣＨＥＮ　Ａ，ＱＩＡＯ　Ｐ　Ｚ．ＦＲＰ　Ｄｅｃｋ　ａｎｄ
Ｓｔｅｅｌ　Ｇｉｒｄｅｒ　Ｂｒｉｄｇｅ　Ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｍ］．Ｂｏｃａ　Ｒａｔｏｎ：ＣＲＣ
Ｐｒｅｓｓ，２０１３．
３６第３期　　　　　　方　海，等：ＧＦＲＰ－花旗松胶合木夹芯桥面板受弯性能试验与结构设计