一種FRP景觀橋應(yīng)用研究

陳彥北，孔令俊，郝紅肖，曾 摯，何 俊

(株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南株洲 412007)

纖維增強復(fù)合材料(Fiber Reinforced Polymer/Plastic，簡稱FRP)是由纖維材料與基體材料按一定工藝復(fù)合形成的高性能新型材料。這種材料從20世紀40年代問世以來，在航空、航天、船舶、汽車、化工、醫(yī)學(xué)和機械等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。常用FRP的基體為樹脂、金屬、碳素、陶瓷等，纖維種類有玻璃纖維、硼纖維、碳纖維、芳綸纖維、陶瓷纖維、玄武巖纖維、聚烯烴纖維、PBO(聚對亞苯基苯并雙晤唑)纖維以及金屬纖維等[1]。在七八十年代，F(xiàn)RP材料開始在橋梁與建筑工程結(jié)構(gòu)中得到應(yīng)用，并受到工程界的廣泛關(guān)注。與傳統(tǒng)的橋梁結(jié)構(gòu)相比，F(xiàn)RP橋梁具有一些明顯的優(yōu)勢。美國聯(lián)邦公路局認為FRP橋梁主要有下面一些優(yōu)點:輕質(zhì)、高強、耐超載、使用壽命長、不銹蝕、不開裂、耐化學(xué)侵蝕、模塊化、施工快、工程成本低、相對容易安裝、環(huán)境友好以及施工對周圍環(huán)境影響小等。

文章以某景觀橋工程為實際對象，研究了FRP景觀橋從產(chǎn)品制備、產(chǎn)品試驗、結(jié)構(gòu)體系設(shè)計、建設(shè)工藝以及FRP景觀橋試驗的完整過程，為FRP景觀橋在工程中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1 FRP景觀橋橋面板制備及其物理和化學(xué)性能試驗

FRP產(chǎn)品的制備成型工藝與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料有很大不同，且制備工藝是保證纖維和基體共同工作的前提。其力學(xué)性能對工藝的依賴性也很強，不同工藝生產(chǎn)的FRP產(chǎn)品，在力學(xué)性能、尺寸精度等方面有很大的差別。因此，在FRP結(jié)構(gòu)的設(shè)計中必須考慮其制備工藝。FRP的成型工藝，包括手糊成型、真空灌注成型、纏繞成型和拉擠成型工藝。手糊成型工藝簡單，但該工藝低效、產(chǎn)品力學(xué)性能不均。真空灌注成型、纏繞成型和拉擠成型工藝產(chǎn)品強度高，而且易于工業(yè)化生產(chǎn)[2]。FRP拉擠成型工藝具有可以連續(xù)生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高，原材料浪費少，整體性和截面形狀一致性好，型材長度不受限制等優(yōu)點，是目前國際上主要采用的FRP結(jié)構(gòu)生產(chǎn)形式。

FRP景觀橋橋面板采用FRP拉擠成型工藝生產(chǎn)，主要由纖維增強材料、樹脂基體和添加劑組成。纖維增強材料包括玻璃纖維粗紗和復(fù)合氈，樹脂基體主要是聚酯樹脂，添加劑為無機增強填料等。

圖1為FRP產(chǎn)品拉擠成型工藝生產(chǎn)過程。產(chǎn)品制備時，首先將玻璃纖維粗紗浸漬到樹脂基體槽中，并在牽引力的作用下前行。當(dāng)行進至?？谥芭c復(fù)合氈匯合，一同進入加熱模具，在140℃左右的高溫下反應(yīng)約2 min，從而固化成型，待行進一段距離冷卻后被切割成不同長度的橋面板型材。

圖1 FRP產(chǎn)品拉擠成型工藝生產(chǎn)過程

為滿足工程的使用需求，對FRP景觀橋橋面板進行了物理和化學(xué)性能試驗，測試數(shù)據(jù)如表1。還對FRP景觀橋橋面板進行了耐磨性能和耐紫外老化試驗，結(jié)果均符合FRP景觀橋橋面板使用要求。

表1 FRP景觀橋橋面板性能測試結(jié)果

2 FRP景觀橋結(jié)構(gòu)體系設(shè)計

2.1 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計

國內(nèi)尚無關(guān)于FRP橋梁的設(shè)計規(guī)范，F(xiàn)RP景觀橋設(shè)計主要依據(jù)《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》[3](CJJ 69—95)、《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》[4](JTG D60—2004)和《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[5](GB 50017—2003)。

FRP景觀橋由每段相同的簡支梁橋組成，每段由上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)組成，橋梁每段的跨度和寬度均為4 m。每段上部結(jié)構(gòu)由FRP橋面板和4根H型鋼主梁組成，跨度為4 m。FRP橋面板采用拉擠成型工藝生產(chǎn)的標準件40 mm×150 mm×4 100 mm進行鋪裝;H型鋼主梁尺寸采用248 mm×124 mm×5 mm×8 mm，計算時通過一段來進行，見圖2。

圖2 FRP景觀橋上部結(jié)構(gòu)設(shè)計

FRP構(gòu)件與傳統(tǒng)橋梁構(gòu)件具有不同的受力特點。首先，F(xiàn)RP構(gòu)件承載力高，但剛度較小，設(shè)計通常為變形控制。其次，F(xiàn)RP構(gòu)件的受力特性通常表現(xiàn)為線彈性，承載力隨著變形的增大而增大，最終發(fā)生破壞前，變形已非常明顯，破壞時比較突然。因此，F(xiàn)RP構(gòu)件應(yīng)有較大的安全系數(shù)。再次，F(xiàn)RP橋梁結(jié)構(gòu)由于剛度較小，結(jié)構(gòu)振動特性也是一個重要設(shè)計指標。

根據(jù)《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》(CJJ 69—95)規(guī)范規(guī)定，采用人群荷載作為基本可變荷載進行分析，荷載大小采用5 kN/m2，撓度應(yīng)控制在1/600跨距，計算結(jié)果為3.47 mm，滿足要求。橋梁上部結(jié)構(gòu)的豎向自振頻率應(yīng)不小于3 Hz，經(jīng)計算，該景觀橋的上部結(jié)構(gòu)豎向自振頻率為23.35 Hz，滿足要求。FRP橋面板的最大應(yīng)力只有不到10 MPa，遠遠小于FRP橋面板的強度。

2.2 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計

景觀橋下部結(jié)構(gòu)主要由鋼筋混凝土門式框架結(jié)構(gòu)組成。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2010)規(guī)定，取框架柱截面為300 mm×300 mm，框架梁截面為200 mm×300 mm。景觀橋下部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 景觀橋下部結(jié)構(gòu)設(shè)計

FRP景觀橋的下部結(jié)構(gòu)設(shè)計主要依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2010)和《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)等，進行承載能力極限狀態(tài)設(shè)計和正常使用極限狀態(tài)設(shè)計。

FRP景觀橋下部結(jié)構(gòu)進行了承載能力極限狀態(tài)設(shè)計和正常使用極限狀態(tài)設(shè)計，結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

3 FRP景觀橋建設(shè)工藝

FRP景觀橋的建設(shè)工藝流程如圖4所示。

圖4 景觀橋建設(shè)工藝流程

4 FRP景觀橋試驗

FRP景觀橋試驗根據(jù)《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》(CJJ 69—95)和《城市橋梁設(shè)計規(guī)范》(CJJ 11—2011)進行，包括兩個試驗:FRP景觀橋振動性能試驗和靜力性能試驗，測試結(jié)果如表2所示。

表2 FRP景觀橋測試結(jié)果

從表2可以看出，F(xiàn)RP景觀橋試驗結(jié)果符合規(guī)范要求。景觀橋?qū)崪y的結(jié)構(gòu)一階豎向自振頻率為24.14 Hz;實測主梁撓度比計算結(jié)果偏小，主要原因是由于實際情況下，主梁與下部結(jié)構(gòu)的連接采用預(yù)埋螺栓連接，是一種介于簡支和固結(jié)的連接約束，導(dǎo)致主梁的變形較小。

5 結(jié)論

橋梁技術(shù)的進步總是和建橋材料的技術(shù)進步緊密相關(guān)。文章通過對FRP景觀橋的研究，生產(chǎn)出了適合景觀橋的一種FRP橋面板;提出了一種FRP景觀橋結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計方法，并且計算和實測結(jié)果均表明可以滿足景觀橋的使用要求;對FRP景觀橋的建設(shè)工藝進行了初步總結(jié)。研究表明FRP材料在橋梁結(jié)構(gòu)中應(yīng)用是可行的，具有廣闊的發(fā)展前景。

[1]葉列平，馮鵬.FRP在工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用與發(fā)展[J].土木工程學(xué)報，2006，39(3):24-34.

[2]馮鵬，葉列平，金飛飛，等.FRP橋梁結(jié)構(gòu)的受力性能與設(shè)計方法[J].玻璃鋼/復(fù)合材料，2011(5):12-18.

[3]中華人民共和國建設(shè)部.CJJ 69—95 城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范[S].北京:建筑工業(yè)出版社，1995.

[4]中華人民共和國交通部.JTG D60—2004 公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范[S].北京:人民交通出版社，2004.

[5]中華人民共和國建設(shè)部.GB 50017—2003 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京:建筑工業(yè)出版社，2003.