Load Testing of an FRP Bridge Deck on a Truss Bridge.

Abstract. New York State has constructed a fiber reinforced polymer (FRP) bridge deck as an experimental project. The goal of the project was to improve the load rating of a 50-yr old truss bridge located in Wellsburg,New York. The FRP deck weighs approximately 80-percent less than the deteriorated concrete bridge deck it replaced. Reducing the dead load increased the allowable live load capacity of the bridge without significant repair work to the existing superstructure,thus

lengthening its service life.Load testing was conducted after installation of the FRP deck to study the conservative of the design，ascertain the assumptions made on composite action between the deck and the superstructure,and examine the effectiveness of joints in load transfer.This report describes the testing and discusses the results.The results indicate that the design was conservative.The design assumed no composite action between the deck and the superstructure, and the experimental data confirms that assumption.The study also shows that the joints are only partially-effective in load transfer between panels.Peak strains under the test loads were only a very small fraction of the ultimate strength of the FRP deck.

Key words: bridge decks, load testing, FRP bridge decks, bridge rehabilitation, deck replacement, truss bridges

1.Introduction

The nationrsquo;s bridge infrastructure is deteriorating at an alarming rate.Due to the staggeringly high cost of repair and replacement，most transportation agencies are unable to cope with this trend.Nearly one-third of the nationrsquo;s 580,000 bridges are classified deficient， Structural “deficiency” does not imply that a bridge is unsafe or

likely to collapse.More than 29,000 bridges are classified as structurally deficient ，because of poor deck conditions and lack of load ratings.The Federal Highway Administration (FHWA) estimates that repair of deficient or obsolete bridges will cost more than 20 billion dollars.

The New York State Department of Transportation (NYSDOT) has similar problems with nearly 7585 (or 38.9 %) bridges identified as structurally or functionally deficient.Nearly 2000 of these 7585 bridges were classified deficient due to poor deck conditions or weight restrictions.Much of the deck deterioration can be attributed to heavy application of road salts during the snowy winters experienced in the state.The New York State Department of Transportation is constantly looking for new materials, methods, and technologies to cost-effectively replace old bridge decks and improve load ratings. Fiber reinforced polymer (FRP) composite systems are one such alternative under consideration. Fiber reinforced polymers are gaining popularity in the bridge community. These materials have high strength-to-weight ratios and excellent durability against corrosion. They have a long record of use in Europe and Japan . New York has recently began using and evaluating FRP as viable alternatives for bridge deck repair to strengthen deteriorated components,to remove load postings, and to prolong service life .

New York State has many old truss bridges, whose superstructures are deteriorated considerably, and these bridges are restricted to less than legal loads.Due to the nature of these bridges, replacement is often a cost-effective option.

Since resources are limited, many of these bridges may not be replaced with new structures for several years. FRP decks seem to offer a cost-effective alternative to complete replacement since they are much lighter than conventional bridge decks.FRP decks not only replace deteriorated bridge decks, but also reduce the dead load. The allowable live load capacity increases with the dead load reduction and the rehabilitated bridges can carry legal loads without extensive repairs. The simple, modular nature of FRP deck construction is an additional benefit. Installation is relatively fast, reducing the inconvenience to traveling public New York State has constructed a fully fiber reinforced polymer (FRP) bridge deck as an experimental project. The goal of the project was to improve the load rating of a 50-yr old truss bridge located in Wellsburg, New York. The FRP deck weighs approximately 80-percent less than the deteriorated concrete bridge deck it replaced. Reducing the dead load allowed an increase to the allowable live load capacity of the bridge without significant repairs to the existing superstructure, thus lengthening its service life. Load testing was conducted after installation of the FRP deck to study the conservative of the design, ascertain the assumptions made on composite action between the deck and the superstructure, and examine the effectiveness of joints in load transfer. This paper describes the rehabilitation and load testing, and discusses the results.

2. Bridge Rehabilitation

This section briefly describes the old bridge structure and rehabilitation of the bridge with an FRP deck.

2.1. BRIDGE STRUCTURE

The bridge carrying State Route 367 over Bentley Creek in the village of Wellsburg, Chemung County, New York, was erected in 1940 . It is a simply supported, single-span, inclined top chord Warren steel truss structure with a concrete deck and asphalt wearing surface . The bridge is 42.67 m long, 7.3 m wide curb to curb, and has a skew of 27◦. The floor system consists of steel wide-flange floor-beams and stringers. A 1.85-m wide sidewalk is located outside of the east truss. The substructure consists of concrete abutments and wing walls, supported by timber piles . The bridge carries two lanes of traffic, has an average daily traffic flow (ADT)

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桁架桥纤维增强塑料桥面荷载试验

摘要.纽约州已经建造了一个纤维增强聚合物(FRP)桥面作为一个实验项目。这个项目的目标是提高一座位于纽约威尔士伯格的一座建成50年的桁架桥的桥面额定荷载。塑纤桥面大约是原来已经恶化的混凝土桥面质量的80%。不需要重大的修复能减少恒载增大容许活载的承载能力，因此来延长桥的服务年限。荷载试验在纤维增强聚合物桥面被安装后进行并以此来研究这项设计的恒定稳定性，确定混合作用的桥面和上层建筑之间做出的假设，并见擦汗节点在荷载传递间的有效性。本报告描述测试和论述的结果。结果表明设计师保守的。设计假设桥面和上层建筑之间没有混合运动，并且实验数据证明了这项假设。研究也表明了节点在面板间的荷载传递时部分有效。试验荷载下的峰值压力只是纤维增强聚合物桥面极限强度的一小部分。

关键词：桥面 荷载试验 纤维增强聚合物桥面 桥梁改建 桥面替换 桁架桥

一、介绍

我国国家的桥梁基础设施以惊人的速度恶化。由于维修和替换惊人的高成本，大多数交通运输部门无法应对这样的趋势，国家580000座桥梁的近三分之一分类定义不准确，结构“缺陷”并不意味着不安全或桥梁可能会崩溃。超过29000座桥梁因为甲板条件差和缺乏负载评级被归类为结构缺陷。联邦高速公路管理局(供)估计,修复的缺陷或过时的桥梁成本超过200亿美元。纽约州交通部也有类似的问题近7585座桥梁确定为结构或功能缺陷。大部分的甲板恶化，可以归因于冬天经历大雪时道路化冰盐的大量运用。纽约州交通运输部正在不断地寻找新材料、新方法和新技术，有效地取代旧桥面板，提高负荷率。纤维增强复合材料（玻璃钢）复合系统是一种考虑的替代方案。纤维增强的聚合物在桥梁界逐渐得到越来越多的普及。这些材料具有高强度的重量比和良好的耐腐蚀性他们在欧洲和日本都有很长的使

用记录。纽约最近开始使用和评估FRP桥面修复恶化的成分加强切实可行的替代方案，去除负荷的帖子，并延长使用寿命。

纽约州有许多古老的桁架桥，其上部结构的恶化，这些桥梁的限制不合法的负荷。由于这些桥梁的性质，置换通常是一个具有成本效益的选择。

由于资源有限，许多这些桥梁可能不是几年的新结构所取代。玻璃钢甲板似乎提供了一个符合成本效益的替代，因为他们是完全替换比传统的桥面轻得多。玻璃钢甲板不仅可以代替桥面铺装层的劣化，也可以减少荷载。允许活荷载能力随自重复位康复的桥梁可以把腿没有广泛维修的铝负荷。简单，模块化的玻璃钢甲板结构的性质是一个额外的好处。安装是比较快的，减少市民出行不便的纽约州建立了一个完全的FIB二增强复合材料（玻璃钢）桥面为试验工程。该项目的目标是提高50岁的桁架桥位于韦尔斯堡额定载荷，纽约。FRP甲板重约百分之80小于损坏的混凝土桥梁通用电气甲板更换。减少静载使桥的允许活载能力提高，而不需对现有的上部结构进行重大维修，延长其使用寿命。在安装后进行的玻璃钢甲板上进行负载测试，研究了保守的设计，确定的假设，在甲板和上层建筑之间的复合动作，和电子看看在荷载传递节点的有效性。本文介绍了康复和荷载试验，并讨论了结果。

二、桥梁改造

本节简要介绍了桥梁的旧桥结构和修复的玻璃钢甲板。

2.1桥梁结构

桥梁承载367国道过宾利溪在韦尔斯堡，村希芒县，纽约，建于1940。这是一个简单的支持，单跨，斜顶弦桁架钢桁架结构的混凝土桥面和沥青路面。这座桥有42.67米长，7.3米宽的车行道，并具有27◦的斜度。地板系统由钢横梁与纵梁翼缘宽。一个1.85米宽的人行道位于东桁架外。下部结构包括混凝土桥台和翼墙，用木桩支撑。该桥承载着两条车道，平均日交通7%的ADT是卡车运输。尽管宾利溪大桥曾恢复1978，这座桥是重量限制在14吨，到1997年底，由于注意腐蚀钢桁架和地板系统以及甲板的恶劣条件。现有的甲板是一个180毫米与170毫米沥青混凝土覆盖磨损面重8.13 千帕。在纽约州的一个等级为1至7的检验标准，表明严重恶化的甲板上的检验等级为3。

钢桁架被表明仍处于相对良好的情况，即使在1940它就已经建成了。一些轻微的恶化是由于废水泄漏和冬天的除冰盐。

负载张贴有负面影响当地的商业和恢复的桥梁，以全面服务是必要的。探索康复的替代品开始于1998。

2.2改建

仔细考虑了几种方案后，一个轻量级的FRP桥面强度达1.53 千帕，结合上部结构的最小维修替换现有的甲板被选中。康复不仅延长了结构的使用寿命，而且还消除了负载的限制。这种替代方案被认为比其他传统的替代品和具有成本效益比，可以很好地完成桥更换。

重建包括以下几个方面：

1.拆除混凝土桥面及人行道，

2.钢的维修（即螺栓更换生锈铆钉鱼镀区域的部分维修等），

3.临时桥面格栅的安装，

4。钢结构的清洗与涂装，

5.拆除临时格栅和安装轻质玻璃钢桥面，并更换的方法和桥梁栏杆。

玻璃钢复合板是由特拉华的铁杆复合材料制成的。一些细节的甲板材料和制造工艺是专有的，因此，只有一个总体概述在这里提出。玻璃钢桥面由顶底面和底皮和一个网芯组成。脸上的皮肤是由2层和6层QM6408二级缓存的无碱玻璃纤维缝编纤维织物在总厚度15毫米。网络的核心结构是由2层（3.7毫米）的玻璃纤维织物qm6408缝合缠绕150毫米300毫米times;作为停留在形式times;350毫米泡沫块。一种专利的真空辅助树脂输液过程中使用的乙烯树脂。甲板被设计用于

AASHTO MS23活荷载，利用有限元分析。在分析中使用正交各向异性的平面特性。在设计中使用的层压板性能的保守值在表三。在复合材料中的应力是有限的20%的极限强度和挠度是有限的跨度1/ 800。

甲板板被设计为跨度之间的地板横梁。钢桁被留在提供支撑的结构，虽然他们不再携带活荷载。总共有六个玻璃钢面板被用来取代巷道。轴瓦由6毫米厚的氯丁橡胶垫放在地板上的长梁之间提供统一承载结构钢和玻璃钢甲板。聚合物混凝土腋被放置在顶部的瓦的桥面横坡提供一。三英寸直径的孔钻在通过顶部面皮肤和泡沫板的面板面板。一个一英寸直径的孔被钻透的复合甲板的底面，臀部材料和顶层梁翼缘。带有锁紧螺母的结构螺栓连接到上层建筑的甲板上。所钻孔的孔，然后用一个无收缩灌浆填充。

面板之间的无缝连接使用环氧树脂和拼接板。这些接头包括一个纵向接头，其长度为桥和四个横缝的整个长度，每一个都有一个车道。垂直面之间的关节板切片机被2环氧，TDT 177-149型号机器连接在一起。操作和底部的拼接板使用丙烯酸粘合剂粘合。普雷萨斯a0424或555是指定厂家生产提供的。一个10毫米厚的运输t-48环氧薄的聚合物层作为两甲板和人行道的磨损表面。包括t-48一二组件、聚硫环氧基的运输行业生产材料等。大部分的磨损表面被施加到

在制造过程中的面板。磨损表面的覆盖件接头螺栓线应用现场后FRP表面轻轻喷砂清理的部分。

三、荷载试验

玻璃钢甲板是相对较新的土木工程应用，这是在纽约的第一个玻璃钢甲板上安装的钢结构。没有经过验证的分析程序或设计标准可用。因此，玻璃钢甲板的活动在现场荷载作用下，长期需要耐久性好对试验理解到位的土木工程师。

在设计的玻璃钢甲板系统的设计非常保守的几个假设。由于复合动作的真实程度是未知的，连接相对保守地在甲板和地板之间设计了假设全复合作用力。

安装现场评估通过荷载和进一步的分析调查，确认了为了保证FRP甲板未来NYSDOT项目安全和符合成本效益的使用必不可少。与已知的卡车重量进行负载测试，以验证某些设计假设认为对未来项目的关键。制定一个详细的校准有限元模型的桥梁，以进一步理解的甲板上的行为在活荷载下及其失效机理。实验数据将被用来校准模型在参数研究中的可靠的模拟调查的影响甲板恶化和轻微损坏复合板。3.1现场测试的目标

宾利溪大桥1999年11月17日负载测试与以下目标：

1.确定玻璃钢甲板和地板横梁之间是否存在复合作用，

2.在转移荷载作用下，确定桥面接缝的有效性，

3.协助在甲板上装载额定载荷，

4.获得应变数据，制定一个校准，详细的有限元模型，以进一步探讨与桥面相关的故障机制。

3.2 仪器仪表

由测量组指定公司制造的常规通用单轴350、自温度补偿、恒定箔应变页用表，将会在整个试验过程中被运用。这种测量计（模型ea-06-250ae-350）有一个敞开的结构，用0.03毫米的柔性聚酰亚胺薄膜的支支撑，2.075的名义应变系数和minus;75到175 C的温度范围内连续供我们进行静态测量。应变计被粘在钢和FRP甲板间然后采用200进制防水加以空气干燥溶剂型聚氨酯涂料进行测量。不干胶纸（m-coat FB-2丁基橡胶密封胶）进行全天候的仪器的擦拭。试验车应随时进行位置的选择，以满足测试的目标，如前面所述的。共有18个使用应变计，6个放在钢横梁上放置12个玻璃钢甲板。数据收集利用系统4000，一个有计算机数据采集系统由测量组制造并测试的完善系统。

三个独立的荷载工况下，利用两辆NYSDOT自卸卡车（A和B）进行负荷的桥梁的加载。每一辆满载的卡车像M-18（AASHTO活荷载

H-20型）。在测试中使用的卡车的配置和重量在表四。

对于第一个负载情况下，卡车的后桥和乙定位在仪表湾，在2层梁的中间。每一个步骤都记录在桥上，每一个卡车在桥上移动。此序列重复3次，以确保记录的数据的一致性。来自所有三个测试的数据然后平均，以消除随机噪声。二次负荷的情况下，两辆卡车在北车道的背靠背进行试验。又一次，每一个步骤的数据记录在桥上，每一个卡车都被移动。这两种负载情况下的中性轴的一个典型的地板梁定位的数据甲板总应变分布。负载的情况下，1和2也检查了跨关节的玻璃钢甲板板之间的负载转移。在第三个负载的情况下，每一辆卡车在桥上驶过，只有一辆卡车在桥上，在5公里/小时的速度北行车道进行试验。所产生的滚动载荷的数据将被用来创建一个详细的有限元模型并计算出校准的影响线。

四、荷载试验的结果

从负载测试的数据进行了分析，得到应变的甲板和地板横梁支撑的甲板。这些结果被用来调查的玻璃钢桥面和地板横梁，吨之间的复合作用他在跨板荷载传递的关节的有效性，以及对玻璃钢桥面的一般行为，复合材料是新的土木工程和大多数桥梁工程师是不有使用经验。玻璃钢在活荷载作用下的行为，破坏机理，连接行为，以及长期耐久性对环境因子和退化的影响都不很清楚。那里没有被证明的分析程序或设计标准。大多数玻璃钢系统的设计和制作非常保守。该报告的负荷率部分清楚地表明了其的趋势。

为了研究这种玻璃钢甲板在活荷载作用下的性能，研究其失效模式，研究了其生命周期中可能产生的损伤，详细的有限元德尔目前正在开发。对有限元模型，几个应变计被安装来获取数据对FRP板现场测试过程中。此数据以图形方式呈现。

4.1试验过程

应变计0，1，2，3，4，和5分别安装在支撑玻璃钢甲板钢横梁确定甲板横梁系统中性轴。

应变计0和1分别装上凸缘，计2和3安装在网络中的梁的高

度（在地板梁的中性轴），并计4和5分别安装在较低凸缘。如果楼板与桥面之间没有复合作用，桥面的中性轴应与底板的中性轴重合。在这种情况下，应变计2而应该读没有弯曲应变。和顶部凸缘片（0和1）和底凸缘片（4和5）应该读的幅度相同，符号相反（分别为正负张力、压缩）。从应变计1、3和5负荷过程中收集的数据。结果表明，在底部和顶部凸缘的菌株几乎是相同的，除了符号和代表的镜像，可以忽略不计的应变中心的梁，正如预期的一样。数据表明，中性轴的主梁是不变的，除了玻璃钢甲板和没有任何复合动作之间存在的桥面和地板横梁。冗余计1，2，和4也表现出相同的行为。在一辆卡车在5公里/小时，横跨桥的通道上进行同样的试验可以观察到收集的数据，这验证了甲板设计，假定没有复合动作之间的甲板和地板横梁，和连接系统的有效性，用以固定的玻璃钢桥面地板横梁。

4.2节点有效性

甲板段粘贴板一起使用环氧树脂无剪力键连接。因此，研究节点的有效性，应变计被安装在两的纵向联合和装载卡车位于结构的双通道，一次一辆卡车。从这个负载的情况下的数据表所示，如果关节转移有效的负载，对纵缝两侧的计录株应该平等。有一辆卡车在每个侧面的面板上，（卡车的情况下），两计读类似的菌株作为预期由于卡

车附近的平等权。当负载仅在一个侧面的联合，读数变化明显。这个节点约65至70%的负载。使用半静态负载测试获得的数据，可以观察到相同的趋势。

这些结果表明，纵向接头从一个甲板段的传输负载，但负载不完全进行跨关节。由于在甲板关节是新的测试的时间，建议在几年后进行测试，以确定是否在服务负载和环境条件已经退化的联合效益。

4.3最大应变

最大应变的楼面梁经历了约90micro;ε和测试中出现1的卡车后轮定位在甲板中间横梁。最大的STR记录在楼板梁车在5公里/小时的北行车道的行驶过程中产生了约70micro;ε。本试验对影响线产生的底部和顶部凸缘片中所示。请注意，这些疲劳由于服务负荷大大低于允许的钢疲劳。

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