復(fù)合材料（GFRP）在人行道欄桿上的應(yīng)用

1.重慶交通大學(xué) 重慶 400074；2.重慶師范大學(xué) 重慶 401331

摘要：玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（GFRP）具有度高、變形率低、耐腐蝕性強(qiáng)、質(zhì)輕特性。用該復(fù)合材料設(shè)計(jì)的橋梁人行道欄桿實(shí)例在國(guó)內(nèi)外已有研究[1，2]。本文運(yùn)用有限元分析和欄桿的加載試驗(yàn)，證實(shí)其較傳統(tǒng)混凝土欄桿、鑄鐵欄桿、鋁合金欄桿輕質(zhì)高強(qiáng)、施工簡(jiǎn)便、應(yīng)用前景廣闊。

關(guān)鍵詞：GFRP；人行欄桿；有限元分析

Abstract：Glass fiber reinforced Polymer（GFRP）has a high deformation rate，corrosion resistance，light weight characteristics. It has been a bridge sidewalk railing instance with the composite material design at home and abroad[1，2]. In this paper，finite element analysis and load test railings confirmed it has a more high strength，simple construction，application prospects than conventional concrete railing，iron railing，aluminum railings lightweight.

Key words：GFRP；Pedestrian railing；Finite Element Analysis

引言

玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（GFRP）因?yàn)槠鋸?qiáng)度和比模量高，耐腐蝕、抗疲勞性、減震性能好以及破損安全性能好、可設(shè)計(jì)性和工藝性好，在航天航空、汽車(chē)、船舶、化工、電子和建筑等行業(yè)中已有廣泛的應(yīng)用。從20世紀(jì)70年代末開(kāi)始，復(fù)合材料在橋梁工程中逐漸得到應(yīng)用[3，4]。

欄桿是橋梁的重要附屬構(gòu)件，它雖不影響主體結(jié)構(gòu)的受力性能，但卻關(guān)系通行者的生命安全，我國(guó)曾多次發(fā)生因欄桿破壞造成人員傷亡的重大事故。常見(jiàn)的欄桿為混凝土、鋼、鑄鐵、不銹鋼、鋁合金等材料制成，因混凝土欄桿不美觀、易損壞，鋼、鑄鐵欄桿易銹蝕，不銹鋼與鋁合金欄桿連接強(qiáng)度較弱、易成為被盜對(duì)象，從而造成安全隱患。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料諸多優(yōu)點(diǎn)以及在工程中的應(yīng)用日益廣泛[3，4]，由此采用玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Glass Fiber Reinforced Polymer，簡(jiǎn)稱(chēng)GFRP）欄桿代替?zhèn)鹘y(tǒng)欄桿具有潛在的推廣價(jià)值。

1 FRP欄桿的結(jié)構(gòu)形式和特點(diǎn)

1.1 新型欄桿結(jié)構(gòu)形式

GFRP柵欄型板條式欄桿均采用GFRP材料制成，主要由欄桿望柱、欄桿扶手、下橫梁和小望柱、支墩五部分組成（如圖1所示）。欄桿望柱、支墩采用H管形截面，扶手、小望柱和下橫梁采用長(zhǎng)方管形截面。

1.2 GFRP欄桿荷載設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《城市橋梁設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)》（CJJ77—98）[5]之規(guī)定，橋梁欄桿設(shè)計(jì)荷載為：欄桿扶手不同時(shí)作用1.2kN/m的豎向力和1kN/m的水平力，欄桿望柱頂部作用1kN/m的水平推力。上述取值高于《公路橋函設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2004）的相應(yīng)要求。故GFRP橋梁欄桿試驗(yàn)荷載按（CJJ77—98）確定。

1.3 GFRP欄桿制作及連接方式

GFRP柵欄型板條式橋梁人行道欄桿，望柱、支墩、扶手、下橫梁分別由工廠(chǎng)預(yù)制，再根據(jù)設(shè)計(jì)坡度組裝成欄桿排架節(jié)段運(yùn)到橋上安裝，通過(guò)欄桿望柱與人行道縱（橫）梁的預(yù)埋件連接固定于橋面。

圖1 GFRP欄桿節(jié)段立面圖

1.4 GFRP材料性能及GFRP欄桿特點(diǎn)

玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Glass Fiber Reinforced Polymer，簡(jiǎn)稱(chēng)GFRP），俗稱(chēng)玻璃鋼，為纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中最經(jīng)濟(jì)且應(yīng)用最廣泛者，F(xiàn)RP和常用材料的力學(xué)性能參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。GFRP比重輕（約為鋼的1/4）、強(qiáng)度高（與Q235鋼接近）、彈性好（結(jié)構(gòu)變形易恢復(fù)）、耐疲勞、耐腐蝕，并且具有材料可設(shè)計(jì)性和良好的加工性能，適用于橋梁欄桿 [7，8]。GFRP柵欄型板條式欄桿預(yù)制時(shí)自帶色彩、光潔亮麗，抗撞擊、耐疲勞、電絕緣、自防腐、耐老化[9]，可省去或減少除銹刷漆等日常養(yǎng)護(hù)費(fèi)用。玻璃鋼材料的無(wú)回收利用價(jià)值，有效解決了金屬欄桿的防盜問(wèn)題。

表1 材料參數(shù)表

材料

種類(lèi)密度（kg/m3）彈性模量

（GPa）抗拉強(qiáng)度

（MPa）泊松比

混凝土230017-3510-700.20

不銹鋼7850190-2104000.30

鋁合金2600-280070-79100-5500.33

GFRP1500-20005-40100-2800.11-0.26

2 GFRP欄桿結(jié)構(gòu)有限元分析

2.1 結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

以一個(gè)欄桿節(jié)間為計(jì)算模型，采用有限元分析軟件Midas對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析，望柱截面尺寸為270mm×200mm的H管形截面，壁厚為5mm，考慮到一根望柱兩側(cè)各聯(lián)系一個(gè)節(jié)間，故模型中望柱剛度取全截面剛度的一半；扶手截面尺寸為100mm×200mm，壁厚為4mm；排架上下橫檔截面尺寸為80mm×180mm，壁厚為4mm；小望柱截面尺寸為60mm×120mm，壁厚為3mm；排架上下橫檔支墩為120mm×200mm的H管形截面，壁厚為4mm。欄桿構(gòu)件均采用GFRP材料制成，根據(jù)鋪層設(shè)計(jì)和試驗(yàn)測(cè)值，欄桿望柱和欄桿柱縱向彈性模量取10.0GPa，扶手縱向彈性模量取11.27GPa，泊松比均取0.153，容重17.65 kN/m3，線(xiàn)膨脹系數(shù)1.00E-05。采用梁?jiǎn)卧⒌臋跅U有限元模型如圖2所示。

圖2 欄桿節(jié)段有限元模型

2.2 荷載工況

根據(jù)《城市橋梁設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)》（CJJ77—98），人群對(duì)橋梁欄桿的水平作用力為1kN/m。建立欄桿在水平均布力作用下的工況，為與實(shí)際檢測(cè)試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)建立作用在扶手跨中的水平集中力、望柱上接點(diǎn)水平集中力的工況，考察這三種工況下欄桿的受力性能。各工況如表2。

表2 三種工況列表

工況名稱(chēng)荷載類(lèi)型施加位置荷載方向

荷載工況一均布力（2.5kN/m）上扶手水平（垂直于欄桿面）

荷載工況二集中力（2.12kN）上扶手跨中水平（垂直于欄桿面）

荷載工況三集中力（2.76kN）望柱柱頂水平（垂直于欄桿面）

2.3 計(jì)算結(jié)果

各工況下位移列于下表中。

表3 三種工況下的位移

欄桿控制部位位移工況一工況二工況三

望柱柱頂（mm）//9.54

欄桿扶手跨中（mm）

欄桿扶手距跨中0.7m（mm）9.678.20/

8.847.50/

各工況下的應(yīng)力見(jiàn)表4：

表4 三種工況下應(yīng)力

欄桿關(guān)鍵部位應(yīng)力工 況工況一工況二工況三

望柱柱腳豎向正應(yīng)力（MPa）10.538.9311.63

欄桿扶手跨中水平應(yīng)力（MPa）2.402.04/

欄桿扶手距跨中0.7m水平應(yīng)力（MPa）8.677.35/

由表3、表4可見(jiàn)，在欄桿扶手跨中施加2.5kN/m均布荷載作用下，欄桿扶手跨中水平位移為9.67mm；在扶手跨中作用2.12kN的集中力時(shí)，扶手跨中水平位移為8.20mm；在望柱柱頂上作用2.76kN的集中力時(shí)，望柱頂部水平位移為9.54mm，欄桿各構(gòu)件在設(shè)計(jì)荷載下的最大位移都較??；欄桿各主要部位在設(shè)計(jì)荷載下的計(jì)算應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料強(qiáng)度，欄桿的強(qiáng)度安全儲(chǔ)備很大，所以現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)只需測(cè)試控制部位的位移值。

3 GFRP欄桿試驗(yàn)加載結(jié)果

3.1 GFRP欄桿試驗(yàn)內(nèi)容及方法

GFRP欄柵型欄桿試驗(yàn)是在3個(gè)欄桿節(jié)間即3×4000mm的原型上進(jìn)行，見(jiàn)圖4-3。試驗(yàn)荷載采用集中力來(lái)等效均布力在設(shè)計(jì)控制部位產(chǎn)生的彎矩，即在3個(gè)欄桿節(jié)間的試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕霞蛹辛κ蛊湓谠O(shè)計(jì)控制部位產(chǎn)生于表4-1相接近的彎矩。設(shè)計(jì)控制部位扶手跨中、望柱頂部的試驗(yàn)控制荷載分別是：2.12kN、2.760kN?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)通過(guò)加載箍作用在相應(yīng)位置，采用滑輪懸掛重物的方式產(chǎn)生水平拉力，并在欄桿望柱柱頂和扶手跨中安放位移計(jì)測(cè)試欄桿位移。計(jì)算時(shí)，對(duì)3×4000mm柵欄型欄桿建立模型。欄桿望柱分別固定于橋面，將水平荷載分別施加在欄桿上扶手、望柱上，扶手內(nèi)力值按構(gòu)件剛接模型計(jì)算，望柱內(nèi)力值按構(gòu)件鉸接模型計(jì)算。

3.2 GFRP欄桿試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)時(shí)先將荷載分7級(jí)加至設(shè)計(jì)荷載，持續(xù)30分鐘后再超載40%，每級(jí)荷載作用下均分別測(cè)出欄桿扶手跨中和望柱頂端的變形。欄桿荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

表5 欄桿荷載-位移表

荷載等級(jí)荷載比例檢測(cè)項(xiàng)目備注

扶手跨中水平

位移（mm）望柱柱頂水平位移（mm）

00%00

120%0.250.4

240%0.630.73

360%0.941.13

480%1.251.55

5100%1.511.98設(shè)計(jì)荷載

6120%2.242.63超載40%

7140%2.793.23

5100%1.622.15

360%1.141.22

00%0.150.28

整個(gè)加載過(guò)程，未發(fā)現(xiàn)欄桿整體傾斜，端部連接處開(kāi)裂或變形過(guò)大等異常現(xiàn)象。在扶手跨中作用2.12kN的集中力時(shí)，扶手跨中水平位移為1.51mm；在設(shè)計(jì)荷載作用下，欄桿望柱頂端撓度1.98mm，卸載后欄桿扶手和望柱頂部的最大殘余變形分別為0.15mm和0.28mm，欄桿各部位殘余變形與總變形的比值均小于20%，說(shuō)明欄桿受力過(guò)程處于線(xiàn)彈性工作，欄桿的變形在卸載后能恢復(fù)。

4 GFRP欄桿計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比分析

按試驗(yàn)所選欄桿，同時(shí)采用有限元模型來(lái)模擬試驗(yàn)情況，將計(jì)算位移值和實(shí)測(cè)位移值繪制成如圖3、圖4所示的對(duì)比圖。

可見(jiàn)，各加載等級(jí)下的實(shí)測(cè)位移值均小于計(jì)算值，實(shí)測(cè)曲線(xiàn)呈線(xiàn)性良好。在2.5kN/m的設(shè)計(jì)水荷載下，欄桿扶手水平位移為扶手計(jì)算長(zhǎng)度的1/633，小于規(guī)范取值（1/600）；在望柱頂部作用2.12kN的集中力時(shí)，望柱頂部水平位移為1.98mm，為望柱計(jì)算長(zhǎng)度的1/441，小于《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》（CJJ69-95）[10]規(guī)范對(duì)懸臂結(jié)構(gòu)的取值（1/300）；欄桿各部位殘余變形與總變形的比值均小于20%，欄桿受力過(guò)程處于彈性工作狀態(tài)。

圖4 扶手跨中計(jì)算與實(shí)測(cè)位移對(duì)比圖

圖4 望柱柱頂計(jì)算與實(shí)測(cè)位移對(duì)比圖

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)橋梁欄桿的使用要求、安全及美觀需要，充分結(jié)合GFRP復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的優(yōu)良性能、施工簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，研制了GFRP橋梁柵型欄板式欄桿。通過(guò)對(duì)GFRP柵欄型板條式橋梁人行道欄桿的水平推力荷載試驗(yàn)和有限元分析，證實(shí)了GFRP橋梁柵欄型板式欄桿能滿(mǎn)足《城市橋梁設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)》（CJJ77-98）、《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》（CJJ69-95）相關(guān)的要求，是一種具有潛在推廣價(jià)值的新型欄桿。

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