裝配式公路鋼橋FRP橋面板研究

馬文剛，孫 棟，申楠公

（軍事交通學(xué)院軍事交通運(yùn)輸研究所，國家應(yīng)急交通運(yùn)輸裝備工程技術(shù)研究中心，天津市 300161）

0 引言

裝配式公路鋼橋是一種可分解的、能快速架設(shè)的制式橋梁，具有結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強(qiáng)、互換性好、載重量大等特點(diǎn)，在地方經(jīng)濟(jì)建設(shè)和搶險(xiǎn)救災(zāi)等交通保障中發(fā)揮了突出的作用。當(dāng)前，裝配式公路鋼橋主要用材是鋼材，其長期在倉庫儲存會產(chǎn)生銹蝕，需要定期進(jìn)行保養(yǎng)維護(hù)，另外，鋼橋主要構(gòu)件自重較大，人力搬運(yùn)、安裝工作強(qiáng)度大。為此，需要利用其他的新型材料，對鋼橋構(gòu)件進(jìn)行改進(jìn)。FRP（纖維增強(qiáng)復(fù)合材料）是以樹脂為基體，玻璃纖維、碳纖維和芳綸纖維等為增強(qiáng)體的一種復(fù)合材料，具有耐腐蝕、輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)，近年在橋梁工程中得到逐步應(yīng)用，如 FRP 人行橋梁、FRP 斜拉橋索、FRP 橋面板等。本文根據(jù) FRP 材料在橋面板的應(yīng)用現(xiàn)狀，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用的可行性，提出 FRP 材料應(yīng)用于裝配式公路鋼橋橋面橋的設(shè)想[1]。

1 FRP 材料概述

1.1 FRP 材料特點(diǎn)

FRP 材料的性能與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料有很大差別，必須了解 FRP 材料的優(yōu)缺點(diǎn)，有助于更好地發(fā)揮其優(yōu)勢，避免其不足。以下為 FRP 的主要優(yōu)點(diǎn)。

（1）輕質(zhì)高強(qiáng)。FRP 材料具有很高的比強(qiáng)度（極限強(qiáng)度/相對容重），其比強(qiáng)度是鋼材的 20～50 倍，采用 FRP 材料將會大大減輕結(jié)構(gòu)自重。

（2）耐腐蝕性強(qiáng)。FRP 材料可以在酸、堿、氯鹽和潮濕的環(huán)境中抵抗化學(xué)腐蝕，耐腐蝕性超過傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料，可用于化工建筑、地下工程和水下特殊工程中，大大降低工程的維護(hù)費(fèi)用。

（3）彈性性能好。FRP 材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線接近線性，在發(fā)生較大變形后還能恢復(fù)原狀，塑性變形很小，有利于承受較大的動載。

（4）可設(shè)計(jì)性好。FRP 材料由基體和增強(qiáng)體組成，可選用不同纖維種類、纖維含量，通過不同工藝設(shè)計(jì)不同類型的 FRP 產(chǎn)品，產(chǎn)品成型方便靈活。

另外，F(xiàn)RP 材料還具有抗疲勞性強(qiáng)，外觀美觀、色澤持久等特點(diǎn)。除了上述優(yōu)點(diǎn)，F(xiàn)RP 材料的彈性模量低、各向異性、剪切強(qiáng)度、層間拉伸強(qiáng)度和層間剪切強(qiáng)度僅為其抗拉強(qiáng)度的 5%～20%，這些問題需要在設(shè)計(jì)中予以重視[1]。

1.2 FRP 材料類型及在橋梁工程中的應(yīng)用

目前，橋梁工程中得到應(yīng)用的 FRP 產(chǎn)品有以下幾類。

（1）FRP 拉擠型材。主要有管材、工字型材等多種截面型式，力學(xué)性能好，是 FRP 結(jié)構(gòu)應(yīng)用的主要產(chǎn)品，主要用于與其他材料形成組合構(gòu)件。

（2）FRP 纏繞型材。主要用作 FRP 管混凝土結(jié)構(gòu)，可作為柱、樁，使構(gòu)件性能大大優(yōu)于普通鋼筋混凝土。

（3）FRP 夾層結(jié)構(gòu)和蜂窩板。由上下面的 FRP板和夾心材料組成，充分利用了面層 FRP 材料強(qiáng)度，主要用于梁和橋板中。

（4）FRP 片材，包括 FRP 布和 FRP 板。主要用樹脂材料粘貼于混凝土結(jié)構(gòu)表面，對其進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)。

（5）FRP 棒材，包括 FRP 筋和 FRP 索。主要在FRP 筋混凝土結(jié)構(gòu)、FRP 預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)和橋索中，作為增強(qiáng)筋和預(yù)應(yīng)力索[2]。

2 FRP 橋面板應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 FRP 橋面板基本結(jié)構(gòu)形式

根據(jù) FRP 橋面板構(gòu)造，主要有 4 種類型：

（1）FRP 夾心板（見圖1），由夾心和上下面板組成；

（2）FRP 型材拼合空心板（見圖2），由相同型式的型材拼合而成；

（3）FRP 面板-型材芯空心板（見圖3），由相同型材組成的核芯與上下面板組成；

（4）FRP-混凝土 /木材疊合板（見圖4），由FRP 型材與混凝土/木材面板組合結(jié)構(gòu)。

圖1 FRP 夾心板

圖2 FRP 型材拼合空心板

圖3 FRP 面板-型材芯空心板

圖4 FRP-混凝土/木材疊合板

2.2 國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

從 20世紀(jì)80年代開始，國內(nèi)外開展了 FRP橋面板結(jié)構(gòu)體系研究。1990年，日本制造了一座全FRP 雙塔雙索面斜拉體系的試驗(yàn)橋。1992年，英國蘇格蘭的 Aberfeldy 建成一座全 FRP 結(jié)構(gòu)的斜拉人行天橋，采用了箱型截面的 GFRP 拉擠型材。1994年，英國用 GFRP 拉擠型材，建造了承受 40 t卡車的 Bond Mill 橋，該橋由 6 根 FRP 箱型梁組成。1996年，美國 Kansas 州 Russell 架起了第一座采用 FRP 橋面板公路橋，并得到較快的發(fā)展，建成數(shù)十座中小橋梁。1997年，瑞士 Pontresina 的風(fēng)景區(qū)建造了一座跨河的全 FRP 人行橋，采用 GFRP拉擠型材粘結(jié)而成。

20世紀(jì)70年代后期，我國也開始對 GFRP 進(jìn)行研究。在 1982年，北京密云建成 GFRP 簡支蜂窩箱梁公路橋，設(shè)計(jì)荷載等級汽車—15、掛車—80，并進(jìn)行了現(xiàn)場的荷載試驗(yàn)，證明了 FRP 作為承重構(gòu)件的可行性。1986年，我國建成第一座斜拉 FRP箱型人行天橋，采用 GFRP 蜂窩夾心板組合箱梁。河北省高速公路管理局和東南大學(xué)聯(lián)合研究并開發(fā)了 GFRP 橋面板。清華大學(xué)從 2004年研發(fā)了一種新型外部纏繞 FRP 空心橋面板，該橋面板適用于梁式橋，跨度 4 m 以下。

3 裝配式公路鋼橋 FRP 橋面板

從上述分析看出，F(xiàn)RP 材料具備良好的性能，正在民用橋面板中得到逐步應(yīng)用。FRP 材料為裝配式公路鋼橋橋面板的改進(jìn)提供了良好的材料。為進(jìn)一步減輕鋼橋自重，便于器材長期儲存，借鑒國內(nèi)成果，研究提出了裝配式 FRP 橋面板結(jié)構(gòu)，并利用有限元軟件進(jìn)行計(jì)算分析。

3.1 橋面板結(jié)構(gòu)

FRP 橋面板長 3 m，寬 0.8 m，厚 0.2 m，由拉擠 FRP 矩形管拼接而成。FRP 材料組份為乙烯基樹脂、無捻玻璃纖維長絲和預(yù)定向纖維增強(qiáng)布(0 °/-45°/45°/90 °)。

3.2 力學(xué)性能分析

按照橋面板尺寸，建立圖5所示有限元模型，選用 shell99 單元模擬復(fù)合材料，材料參數(shù)見表1。邊界條件：橋板一端節(jié)點(diǎn)約束 X、Y、Z 方向的自由度，另一側(cè)節(jié)點(diǎn)約束 Y 方向的自由度，實(shí)現(xiàn)橋面板的簡支。計(jì)算荷載采用《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2004）的車輛荷載，取后軸單個車輪荷載(7 t)，計(jì)入沖擊荷載(10 t)，荷載施加于跨中0.2 m×0.6 m 的區(qū)域內(nèi)[3]。

圖5 FRP 橋面板有限元模型

表1 FRP 橋面板模型材料參數(shù)（X/Y/Z）

FRP 橋面板模型在最大輪壓荷載作用下，有限元計(jì)算撓度值為 3.72 mm（見圖6），撓跨比為1/810(計(jì)算跨度：3.0 m)。有限元計(jì)算縱向應(yīng)力為216 MPa（見圖7），橫向應(yīng)力為 31 MPa（見圖8），橋面板強(qiáng)度小于《纖維增強(qiáng)復(fù)合材料橋板》（GB/T29552—2013）規(guī)定的最大縱向應(yīng)力 250 MPa、橫向應(yīng)力 55 MPa 的要求。

圖6 FRP 橋面板位移圖

圖7 FRP 橋面板縱向應(yīng)力

圖8 FRP 橋面板橫向應(yīng)力

4 結(jié)語

FRP 具有自重輕、耐腐蝕的顯著特點(diǎn)，在民用橋梁領(lǐng)域得到逐步應(yīng)用，是一種良好的新型橋梁材料，將 FRP 材料用于裝配式公路鋼橋，可有效減輕橋面板自重，減少日常維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用。經(jīng)有限元分析，F(xiàn)RP 橋面板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求，從理論上看可行性良好。

[1] 馮鵬,陸新征,葉列平.纖維增強(qiáng)復(fù)合材料建設(shè)工程應(yīng)用技術(shù)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2011.

[2] 葉列平,馮鵬.纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用與發(fā)展[J].土木工程學(xué)報(bào),2006,39(3):25-37.

[3] 朱坤寧,萬水,劉玉擎.FRP 橋面板靜載試驗(yàn)研究及分析[J].工程力學(xué),2010,2(1):15-19.