一種基于FRP的便攜式整體預(yù)制圬工拱橋結(jié)構(gòu)

鄧 拓 鄭 愚 林容輝 曾憲彬 彭晉軒

一種基于FRP的便攜式整體預(yù)制圬工拱橋結(jié)構(gòu)

鄧 拓 鄭 愚 林容輝 曾憲彬 彭晉軒

（東莞理工學(xué)院 建筑工程系，廣東東莞 523808）

采用柔性纖維材料作為結(jié)構(gòu)增強(qiáng)構(gòu)件建立了一種基于FRP的新型預(yù)制圬工拱橋結(jié)構(gòu)來(lái)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)可持續(xù)性。該結(jié)構(gòu)體系不需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)澆筑和使用鋼筋作為配筋材料，施工中僅需要將扁平封裝好的預(yù)制拱圈在現(xiàn)場(chǎng)吊裝成圬工拱體即可。采用結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的方法對(duì)該圬工拱橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，分析結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)體系的承載能力和變形情況均滿(mǎn)足現(xiàn)行規(guī)范的要求。

FRP；圬工拱橋；施工工藝；結(jié)構(gòu)試驗(yàn)

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外對(duì)拱橋發(fā)展有關(guān)新材料、新工藝等方面都進(jìn)行了探索和創(chuàng)新，而傳統(tǒng)的圬工拱橋由于施工繁瑣等問(wèn)題慢慢被取代。但是在交通不方便的山區(qū)，圬工拱橋有就地取材、結(jié)構(gòu)安全適用、技術(shù)成熟、工程費(fèi)用低等特點(diǎn)，并且從美學(xué)的角度來(lái)看，結(jié)構(gòu)造型、線(xiàn)條優(yōu)美，與環(huán)境協(xié)調(diào)性好。傳統(tǒng)圬工拱橋的施工方法主要是支架法施工，即在主拱正下方搭設(shè)木腳架或鋼腳架，然后在腳架上修建主拱圈，該施工方法對(duì)橋下地形、地基等條件要求較高，通常在拱肋離地面不高、橋下無(wú)水等情況下采用［1］。

在本次試驗(yàn)中所研究的新型拱橋體系，采取整體的預(yù)制和現(xiàn)場(chǎng)吊裝，從而解決了拱橋施工難度大、繁瑣的問(wèn)題。采用纖維增強(qiáng)材料（FRP）格柵布作為拱圈頂部的連接構(gòu)件，不僅提高了拱橋的整體穩(wěn)定性，而且FRP材料良好的抗酸化性能有效地避免了鋼筋腐蝕而引起的結(jié)構(gòu)耐久性問(wèn)題［2，3］。同時(shí)，F(xiàn)RP材料的彈性模量較低，允許的變形量較大，因此該預(yù)制拱橋有著較高的靈活性，不必在預(yù)制過(guò)程中提前成拱而可以在施工現(xiàn)場(chǎng)吊裝成拱，便于預(yù)制構(gòu)件運(yùn)輸。相對(duì)于傳統(tǒng)的圬工拱橋結(jié)構(gòu)，該便攜式整體預(yù)制圬工拱橋結(jié)構(gòu)有以下特點(diǎn)：1）采用FRP格柵布通過(guò)高強(qiáng)樹(shù)脂粘結(jié)在主拱圈頂部，并用螺栓固結(jié)在其表面；2）通過(guò)FRP格柵布將所有拱塊連接成一個(gè)整體；3）通過(guò)固定在拱塊頂部的吊環(huán)吊裝，一次成拱，施工方便，節(jié)省時(shí)間。

1 預(yù)制構(gòu)件簡(jiǎn)介

本次研究建立了一種便攜式整體預(yù)制圬工拱橋結(jié)構(gòu)，包括拱圈、橋面與橋體，拱圈包括由多個(gè)預(yù)制拱塊依次排列組成的主體，以及固定貼覆于主體上表面的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料連接層，每相鄰兩個(gè)預(yù)制拱塊的側(cè)面相互貼合，所有預(yù)制拱塊的下表面組成拱圈下表面，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料連接層與每一預(yù)制拱塊上表面固接，拱圈兩端分別卡嵌于設(shè)置有卡槽的基座內(nèi)；本結(jié)構(gòu)可先預(yù)制預(yù)制拱塊，并通過(guò)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料連接層將所有預(yù)制拱塊連接成一整體；施工時(shí)通過(guò)吊環(huán)吊起成拱，主體兩端卡嵌入基座而固定后，在各預(yù)制拱塊的相互擠壓作用下，主體保持成拱的拱形；本實(shí)用新型施工效率高，承載能力強(qiáng)，且橋體可由建筑圬工材料填充而成，材料成本低［4］。

結(jié)構(gòu)中主拱圈的制作過(guò)程大致如下：

1）將預(yù)制的拱塊按順序排好，用高強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂膠將FRP格柵布緊密粘在拱塊上并用螺栓固定，見(jiàn)圖1。

圖1 黏貼FRP格柵布

2）FRP格柵布和拱塊完全黏合后，在其上澆筑一層約40 mm厚的砂漿。待砂漿達(dá)到規(guī)定強(qiáng)度后通過(guò)吊環(huán)將預(yù)制的主拱圈慢慢吊起，主拱圈在重力的作用及FRP格柵布的約束下成拱，如圖2所示。

圖2 吊裝成拱

傳統(tǒng)的圬工拱橋結(jié)構(gòu)施工一般采用支架法，流程大致如圖3所示［5-6］?？梢钥闯銎涫┕み^(guò)程大部分是在現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)澆、安裝完成，且混凝土需要養(yǎng)護(hù)達(dá)到一定強(qiáng)度后才能進(jìn)行下一步工序，工期時(shí)間長(zhǎng)。本次研制的新型拱橋的工業(yè)化程度較高（拱圈，擋板等均為預(yù)制混凝土產(chǎn)品），不需要吊車(chē)澆筑，同時(shí)養(yǎng)護(hù)方便，材料強(qiáng)度得以保證。這樣的制造過(guò)程有效地節(jié)省對(duì)材料和能源的使用，縮短施工工期，且結(jié)構(gòu)產(chǎn)品可以批量工業(yè)化生產(chǎn)，節(jié)省了建造成本。采用FRP材料不僅加強(qiáng)了拱塊之間的聯(lián)系，也提高了結(jié)構(gòu)的耐久防腐性能，降低了維護(hù)成本。

圖3 傳統(tǒng)圬工拱橋施工流程

預(yù)制拱橋技術(shù)并非本次試驗(yàn)首創(chuàng)，但過(guò)往的預(yù)制拱橋（如美國(guó)Kinster混凝土公司生產(chǎn)的預(yù)制拱橋，見(jiàn)圖4）是將整體拱圈預(yù)制成拱后再運(yùn)往施工現(xiàn)場(chǎng)。這種預(yù)制構(gòu)件由于拱圈已經(jīng)成形及拱結(jié)構(gòu)本身特殊的受力性能在運(yùn)輸過(guò)程中很容易導(dǎo)致預(yù)制構(gòu)件結(jié)構(gòu)受損，尤其是在跨中處拱圈底部。本次試驗(yàn)研究的預(yù)制拱橋具有較好的靈活性，通過(guò)FRP格柵布將預(yù)制拱塊連接在一起，整體拱圈并未成拱，到施工現(xiàn)場(chǎng)后再吊裝成拱，能有效避免在運(yùn)輸途中發(fā)生結(jié)構(gòu)損壞，也體現(xiàn)出該結(jié)構(gòu)具有良好便攜性［7］。

圖4 美國(guó)Kinster混凝土公司的預(yù)制拱橋

2 試驗(yàn)簡(jiǎn)介

本試驗(yàn)制作了1：6的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，為使該模型能盡可能準(zhǔn)確地模擬真實(shí)的圬工拱橋，對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷某叽?、加載方式等進(jìn)行了設(shè)計(jì)，研究了該便攜式整體預(yù)制圬工拱橋的承載能力。拱橋結(jié)構(gòu)模型如圖5和6所示：

圖5 結(jié)構(gòu)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

圖6 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图虞d圖

圬工拱橋模型的計(jì)算跨徑為1.90 m，矢高為0.81 m，拱圈的厚度為0.06 m，拱圈的寬度為0.41 m。拱圈混凝土抗壓強(qiáng)度為40 Mpa。在此次試驗(yàn)中，在拱圈底部架設(shè)了多個(gè)機(jī)械百分表和振弦式應(yīng)變傳感器（如圖5所示），用于記錄試驗(yàn)中各測(cè)點(diǎn)的位移和應(yīng)變。一個(gè)模擬輪胎的面荷載（60×410mm）施加在離跨中285 mm靠右處（由于試驗(yàn)加載裝置的限制）。

2.1 材料的選用

本次試驗(yàn)根據(jù)相似性的理論對(duì)圬工拱橋進(jìn)行模擬，采用二維尺寸幾何相似和邊界約束條件相似來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于真實(shí)的拱橋與模擬的拱橋在材料和組合上不可能完全相同，所以采取選用的材料的屬性跟真實(shí)的拱橋材料相同的措施。

2.1.1 FRP格柵布

FRP格柵布具有抗拉強(qiáng)度高的特點(diǎn)，縱橫交錯(cuò)使其由單向抗拉強(qiáng)度高向雙向抗拉強(qiáng)度高轉(zhuǎn)化，充分發(fā)揮其材料性能。

圖4 FRP土工柵格布

2.1.2 混凝土材料

該試驗(yàn)中，主拱圈的組成拱塊由混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40的自配混凝土預(yù)制，回填混凝土由混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30的自配混凝土現(xiàn)場(chǎng)攪拌［8］，現(xiàn)場(chǎng)澆筑。

回填混凝土配合比設(shè)計(jì)見(jiàn)表1（單位：kg）

表1 回填混凝土配合比設(shè)計(jì)

2.2 試驗(yàn)加載方式

此次試驗(yàn)加載裝置采用的是5000 kN的萬(wàn)能液壓加載試驗(yàn)機(jī)。加載采用分級(jí)加載，從初始開(kāi)始按每級(jí)5kN的加荷速度加載至10 kN，然后按每級(jí)2 kN的加荷速度加至正常使用極限。在加載的過(guò)程中，逐級(jí)記錄與施加荷載對(duì)應(yīng)的各測(cè)點(diǎn)位移、振弦式應(yīng)變采集儀的讀數(shù)，并在拱橋的表面描出裂縫的發(fā)展趨勢(shì)。

2.3 試驗(yàn)測(cè)量的內(nèi)容以及方法

●測(cè)量各級(jí)荷載作用下各測(cè)點(diǎn)的位移變化

●測(cè)量各級(jí)荷載作用下各測(cè)點(diǎn)的混凝土應(yīng)變和FRP格柵布的應(yīng)變

●測(cè)量圬工拱橋的正常使用承載能力

2.3.1 應(yīng)變測(cè)量

試驗(yàn)中采用振弦式應(yīng)變計(jì)測(cè)量混凝土的應(yīng)變，采用電阻應(yīng)變片測(cè)量FRP格柵布的應(yīng)變，格柵布應(yīng)變片布置情況如圖8所示。

圖8 FRP格柵布應(yīng)變片的布置（單位：mm）

2.3.2 拱撓度測(cè)量

試驗(yàn)中采用機(jī)械百分表分別測(cè)量拱腳，四分之一跨和跨中的撓度變化。根據(jù)圬工拱橋的坐標(biāo)建立初始拱軸線(xiàn)，通過(guò)機(jī)械百分表在不同荷載步下的讀數(shù)變化可以確定各測(cè)點(diǎn)沿X方向和Y方向的變化，然后將變化后的坐標(biāo)確定出的點(diǎn)連成一條光滑的曲線(xiàn)，即圬工拱橋在不同荷載步下的拱軸線(xiàn)。

3 試驗(yàn)分析

此次試驗(yàn)是在拱橋模型距離跨中285mm位置的410mm×60mm矩形區(qū)域進(jìn)行靜力加載，直至結(jié)構(gòu)達(dá)到正常工作極限狀態(tài)，通過(guò)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出結(jié)構(gòu)模型的承載能力。

圖9 荷載位移曲線(xiàn)

3.1 豎向位移

從上表可知，在加載的前期，結(jié)構(gòu)各測(cè)點(diǎn)位移相對(duì)較小且呈線(xiàn)性變化。拱腳在兩端的橫向約束下，位移比其他測(cè)點(diǎn)小很多，在施加的荷載到達(dá)25 kN時(shí)，各測(cè)點(diǎn)的位移都發(fā)生了突變，突變的原因可能是由于主拱圈相鄰拱塊之間發(fā)生了滑移。左邊的拱腳相對(duì)于右邊拱腳距離加載區(qū)較遠(yuǎn)，發(fā)生的突變較小，而右邊拱腳位移突變的比較明顯。隨后在逐步增加的荷載作用下，位移與荷載呈線(xiàn)性變化。試驗(yàn)結(jié)束后，跨中處位移在各測(cè)點(diǎn)的位移中最大，左邊拱腳的相對(duì)位移最小。

不同荷載下拱軸線(xiàn)的變化如圖10所示：

圖10 不同荷載下的拱軸線(xiàn)

由上圖可知，當(dāng)施加的荷載達(dá)到31 kN時(shí)，加載區(qū)域拱軸線(xiàn)往左下方移動(dòng)的幅度變大，對(duì)稱(chēng)位置的拱軸線(xiàn)往左上方向凸起幅度也變大，左端拱腳無(wú)明顯位移，右端拱腳位移明顯向外側(cè)變化；當(dāng)施加的荷載到達(dá)41 kN時(shí)，加載區(qū)域拱軸線(xiàn)往左下方移動(dòng)的幅度進(jìn)一步增大，對(duì)稱(chēng)位置的拱軸線(xiàn)往左上方向凸起幅度也進(jìn)一步增大，且左端拱腳出現(xiàn)了較小位移，右端拱腳位移也較之前明顯；荷載為51 kN時(shí)變形均進(jìn)一步擴(kuò)展；當(dāng)施加的荷載達(dá)到67 kN時(shí)，圬工拱橋結(jié)構(gòu)被破壞，在拱軸線(xiàn)之間形成了四個(gè)塑性鉸，得到最大荷載下拱軸線(xiàn)。從圖10的變形形態(tài)可以看出，加載后期（施加荷載超過(guò)40 kN）拱橋圈內(nèi)形成4個(gè)明顯的塑性區(qū)域。

3.2 應(yīng)變分析

3.2.1 FRP格柵布應(yīng)變分析

該試驗(yàn)中FRP格柵布的彈性模量為35 000 MPa，極限抗拉強(qiáng)度為1 200 MPa。試驗(yàn)測(cè)得格柵布上所貼應(yīng)變片中最大拉應(yīng)變?yōu)? 271με，且未達(dá)到極限抗拉強(qiáng)度。由此可知，該結(jié)構(gòu)在荷載作用下主拱圈承受壓力的同時(shí)，F(xiàn)RP格柵布協(xié)助主拱圈共同受力。這樣能發(fā)揮其抗拉強(qiáng)度高的特點(diǎn)，提高該結(jié)構(gòu)的極限承載能力。

3.2.2 拱底混凝土應(yīng)變分析

從圖中可以看出，在施加的荷載小于25 kN前，混凝土的應(yīng)變較小，荷載應(yīng)變呈線(xiàn)性發(fā)展，當(dāng)荷載達(dá)到25 KN時(shí)，近加載區(qū)側(cè)三分之一跨處混凝土應(yīng)變出現(xiàn)突變，與位移發(fā)生突變時(shí)荷載大小吻合，而混凝土發(fā)生應(yīng)變突變現(xiàn)象可能是由于主拱圈的拱塊發(fā)生滑移引起的。

圖11 荷載應(yīng)變圖

圖12 荷載應(yīng)變圖

3.3 結(jié)構(gòu)破壞形態(tài)及承載力

拱橋的最終破壞是由于加載區(qū)主拱圈的相鄰拱塊之間發(fā)生滑移，在荷載持續(xù)增加的情況下，拱塊滑移處連同拱上填料發(fā)生開(kāi)裂，直至被完全破壞。該試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷钠茐暮奢d67 KN，具有較大的承載能力，由于該結(jié)構(gòu)為1∶6比例縮小模型，其原尺寸模型的極限承載力超過(guò)了300 KN，滿(mǎn)足現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范要求［9］。

4 結(jié)語(yǔ)

本次課題所建立的新型預(yù)制圬工拱橋在保持原有圬工拱橋優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上應(yīng)用了FRP材料和預(yù)制混凝土技術(shù)，提高了結(jié)構(gòu)的耐久性并解決傳統(tǒng)圬工拱橋施工困難較大的缺點(diǎn)。通過(guò)非線(xiàn)性數(shù)值模擬，對(duì)此類(lèi)拱的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行了分析，證明了其不僅符合國(guó)家各項(xiàng)設(shè)計(jì)規(guī)范而且擁有較高的承載能力。這一新型橋梁體系具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）通過(guò)與傳統(tǒng)拱橋施工工藝的對(duì)比可以看出本次研制的拱橋體系的預(yù)制化（無(wú)需支模板）和工業(yè)化程度較高，從而降低了建造拱橋的施工難度，且縮短工期有效減少了建造成本；

2）本次課題所研制的預(yù)制拱橋本身帶有較好的靈活性，預(yù)制后只是使用增強(qiáng)纖維材料—FRP對(duì)拱塊進(jìn)行連接，整體拱圈并未成拱，而是到了施工現(xiàn)場(chǎng)再進(jìn)行吊裝成拱，這樣避免在運(yùn)輸途中由碰撞而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)損壞，充分體現(xiàn)了本次課題預(yù)制構(gòu)件具有良好便攜性；

3）結(jié)構(gòu)試驗(yàn)結(jié)果表明，由于合理使用FRP材料和拱結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，所建立的拱橋結(jié)構(gòu)的變形能力和承載性能均滿(mǎn)足現(xiàn)行規(guī)范的要求；

4）試驗(yàn)結(jié)果分析中發(fā)現(xiàn)，拱頂FRP格柵未達(dá)到極限強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)破壞主要為加載去混凝土壓碎印發(fā)的拱圈滑移所導(dǎo)致的。

［1］ Heyman J.The Masonry Arch［M］.Chichester：Ellis Horwood Ltd，1982.

［2］ 呂志濤.高性能材料FRP應(yīng)用與結(jié)構(gòu)工程創(chuàng)新［J］.建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，22（1）：1-5.

［3］ 陳肇元.土建結(jié)構(gòu)工程的安全性與耐久性［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002.

［4］ 鄭愚.一種便攜式整體預(yù)制圬工拱橋結(jié)構(gòu).中國(guó)，201020249022.9［P］：2011-01.

［5］ 范立礎(chǔ).橋梁工程［M］.北京：人民交通出版社，2001.

［6］ Hughes TG，Blackler M J.A review of the UK masonry arch assessment methods［J］.Proc Inst，Civ Engrs，1997，122：305-315.

［7］ Taylor SE，Gupta A，Kirkpatrick J，etal.Deveolping of a novel flexible concrete arch system［C］.11th International Conference on Structural Faults and Repairs，Edinburgh，2006.

［8］ 建設(shè)部.普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 500881-2002）［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002

［9］ 交通部.公路圬工橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范（JTG D61-2005）［S］.北京：人民交通出版社，2005.

A Pre-casted Integrated Flexible Masonry ArchBridge Structure Based on FRP

DENG Tuo ZHENG Yu LIN Rong-hu i ZENG Xian-b in PENG Jin-xuan

（Department of Civil Engineering，Dongguan University of Technology，Dongguan 523808，China）

Many bridges built of modern materials，such as steel-reinforced concrete，have reruired extensive repair after being in service for a relatively short period of their design life.A novel precast masonry arch bridges reinforced with polymer reinforcement were developed to improve the structural sustainability.This flexible masonry concrete arch system reruires no in-situ casting in the construction phase or steel reinforcement in the long-term service.The archis constructed from a‘flat pack’system by use of a polymer reinforcement for supporting the dead load but behaves as a masonry arch once in place.This paper revealed an experimental study of this flexible masonry arch bridge.It was found that loading-carrying capacity and deformation behaviour of this arch bridge could satisfy the reruirement of current design code.

FRP；masonry arch bridge；construction method；experimental study

U445.72

A

1009-0312（2014）03-0090-07

2014-03-24

廣東省交通廳科技計(jì)劃（2011-02-040）；2012年廣東省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃。

鄧拓（1988—），男，湖南湘陰人，碩士，主要從事結(jié)構(gòu)耐久性，結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬分析研究。