一種波形鋼腹板FRP橋面板組合橋梁的應(yīng)用

周印霄

摘要：介紹了一種新型的組合結(jié)構(gòu)橋梁，其主梁采用波形鋼工字梁，橋面系為FRP橋面板，該結(jié)構(gòu)充分利用波形鋼工字梁優(yōu)越的抗剪承彎能力，以及FRP材料抗拉、抗疲勞、抗腐蝕能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了主橋結(jié)構(gòu)的裝配化施工。結(jié)合大廣高速深州至大名段分離式立交橋工程，詳細(xì)闡述了波形鋼腹板FRP橋面板組合橋梁的施工方案。這種新型橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)用對(duì)于推進(jìn)橋梁創(chuàng)新意義重大。

關(guān)鍵詞：波形鋼腹板；工字梁；FRP橋面板；拉擠成型

中圖分類號(hào)：U443.32文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

0引言

波形鋼腹板是以被加工成波形的鋼板作為腹板的構(gòu)件，用以替代傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土腹板。世界上第一座波形鋼腹板組合箱梁橋是于20世紀(jì)80年代末建成的法國(guó)Cognac橋；1993年日本將波形鋼腹板應(yīng)用于新開(kāi)橋并使該技術(shù)得到了發(fā)展；2005年中國(guó)建成了第一座波形鋼腹板組合箱梁橋——淮安長(zhǎng)征人行天橋。近10余年間，波形鋼腹板設(shè)計(jì)理論日益成熟，科研數(shù)據(jù)日臻完善，施工水平逐步提高，施工工法也呈現(xiàn)多樣化發(fā)展，包括預(yù)制裝配法、滿堂支架法、無(wú)支架法、掛籃懸澆法、頂推施工法、RW工法等[1]；且在各類跨徑中均得到了應(yīng)用發(fā)展，為完善中國(guó)波形鋼腹板組合結(jié)構(gòu)的科研、設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)控等提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。波形鋼腹板具有的自重小、抗震性能好、抗剪能力高、褶皺效應(yīng)強(qiáng)、結(jié)構(gòu)美觀、施工便捷、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)備受設(shè)計(jì)師和工程師們青睞。

FRP材料是一種以高分子環(huán)氧樹脂為基體，以玻璃鋼或碳纖維等為增強(qiáng)體，經(jīng)過(guò)復(fù)合工藝制成的復(fù)合材料。FRP復(fù)合材料具有抗拉強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、不銹蝕、熱膨脹系數(shù)低、無(wú)磁性以及抗疲勞等特點(diǎn)[2]，用于制造各種運(yùn)動(dòng)用具、管道、造船、汽車與電子產(chǎn)品的外殼和印刷電路板。

1項(xiàng)目概況

大廣高速深州至大名段K17+487.363分離式立交橋，上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土工字梁和鋼梁結(jié)構(gòu)2種形式，跨徑組合為20 m+4×25 m+20 m，其鋼梁結(jié)構(gòu)采用的是一種新型的波形鋼腹板FRP橋面板組合結(jié)構(gòu)（圖1），鋼梁為H型波形鋼腹板結(jié)構(gòu)，橋面板采用FRP玻璃鋼材料，梁高161.5 cm[3]。

2細(xì)部構(gòu)造

主梁采用波形鋼腹板Q345D鋼材工字梁，梁高140 cm，腹板厚度為6 mm，波長(zhǎng)1 000 mm，波高200 mm；上下翼板采用寬600 mm、厚20 mm的鋼板。為提高抗扭剛度，每4 m設(shè)計(jì)一道鋼橫梁，支點(diǎn)截面處設(shè)端橫梁。FRP橋面板厚21.5 cm，寬25 cm，采用相鄰橋板咬合式設(shè)計(jì)（圖2、3）。

3施工方案

3.1波形鋼工字梁的加工制作

所用Q345D鋼板的化學(xué)組分、力學(xué)性能經(jīng)外委檢測(cè)滿足要求后，進(jìn)行整形、號(hào)料、拋丸除銹，然后采用模壓設(shè)備對(duì)平鋼板進(jìn)行波形板連續(xù)模壓，實(shí)現(xiàn)整梁波形板縱向無(wú)焊接縫，確保受彎構(gòu)件的整體穩(wěn)定性[4]。鋼板冷彎成型后，基板不應(yīng)有裂紋以及明顯凹凸和皺褶，幾何尺寸和平面翹曲量等參數(shù)須符合設(shè)計(jì)要求。翼板與波形鋼腹板結(jié)合部采用全自動(dòng)焊接機(jī)器人自動(dòng)跟進(jìn)焊接，焊接前必須進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，選取焊接參數(shù)，嚴(yán)格處理焊接環(huán)境等。由于頂翼板與腹板焊接處的仰焊作業(yè)難度高，采用大型翻轉(zhuǎn)機(jī)將工字梁整體進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，把高難度的仰焊變?yōu)榈碗y度的平焊，從而確保焊縫的施工質(zhì)量。要對(duì)焊接成型后的波形鋼腹板工字梁進(jìn)行焊縫的無(wú)損檢測(cè)，常規(guī)檢測(cè)方法為射線探傷、磁粉探傷、超聲波探傷等[56]。在組焊成型過(guò)程中鋼板受焊接應(yīng)力影響所產(chǎn)生的變形，應(yīng)采用機(jī)械矯正法進(jìn)行整形。探傷及整形符合要求后的波形鋼工字梁應(yīng)進(jìn)行二次拋丸除銹，前處理達(dá)標(biāo)后4 h應(yīng)進(jìn)行涂裝作業(yè)，否則必須再次進(jìn)行前處理，以確保涂裝質(zhì)量，至此成品波形鋼腹板工字梁制作完畢（圖4）。

3.2FRP橋面板制作

3.2.1FRP橋面板

本橋橋面板采用21.5 cm FRP拉擠型材。拉擠工藝是一種連續(xù)生產(chǎn)復(fù)合型材的方法[7]，它是將紗架上的無(wú)捻玻璃纖維粗紗和其他連續(xù)增強(qiáng)材料、聚脂表面氈等進(jìn)行樹脂浸漬，然后通過(guò)一定截面形狀的成型模具，使其在模內(nèi)固化成型后連續(xù)出模，由此形成拉擠制品的自動(dòng)化生產(chǎn)工藝（圖5）。

3.2.2拉擠工藝流程

拉擠工藝流程為：玻璃纖維粗紗排布、浸膠、預(yù)成型、擠壓模塑及固化、牽引、切割、制品。

（1）排布。將安裝在紗架上的增強(qiáng)材料從紗筒上引出，并均勻整齊地排布出來(lái)。

（2）樹脂浸漬。將排布整齊的增強(qiáng)纖維均勻浸漬在已配好的不飽和樹脂中，最常用的是直槽浸漬法。在整個(gè)浸漬過(guò)程中，纖維和氈排列應(yīng)十分整齊。

（3）預(yù)成型。浸漬后的增強(qiáng)材料穿過(guò)預(yù)成型裝置，以連續(xù)的方式謹(jǐn)慎傳遞，確保它們的相對(duì)位置和均勻分布。接近制品的最終形狀時(shí)，擠出多余的樹脂，排除氣泡，然后再進(jìn)入模具進(jìn)行成型固化。

（4）固化。浸膠增強(qiáng)材料進(jìn)入模具并在模具中固化成型。模具是在系統(tǒng)確定的條件下設(shè)計(jì)的，根據(jù)樹脂固化放熱曲線及物料與模具的摩擦性能，將模具分成3個(gè)不同的加熱區(qū)，其溫度由樹脂系統(tǒng)的性能確定。模具是拉擠成型工藝中最關(guān)鍵的部分，模具長(zhǎng)度與固化速度、模具溫度、制品尺寸、拉擠速度、增強(qiáng)材料性質(zhì)有關(guān)，同時(shí)還應(yīng)考慮樹脂的壓型收縮率等參數(shù)。

（5）牽引。牽引裝置本身可以是1個(gè)履帶型拉出器或2個(gè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的夾持裝置，以便確保連續(xù)運(yùn)動(dòng)，拉擠速度對(duì)樹脂浸潤(rùn)、拉擠產(chǎn)品性能有著重要的影響。

（6）切割。型材由自動(dòng)同步移動(dòng)的切割鋸按需要的長(zhǎng)度切割，切割過(guò)程刀具的磨耗非常嚴(yán)重。

3.3FRP橋面板運(yùn)輸及安裝

FRP橋面板自重較輕，因此采用常規(guī)載貨汽車即可運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)，但要采取有效的成品保護(hù)方法，防止FRP橋面板在起吊、運(yùn)輸、卸放過(guò)程中受砸、折、剪等強(qiáng)大外力造成破壞[8]。

針對(duì)FRP型材局部承壓屈服強(qiáng)度及剪切強(qiáng)度低等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)中在FRP橋面板底板中粘貼金屬鋼帶，以使螺栓連接處的應(yīng)力通過(guò)鋼帶盡可能均勻分布在鋼帶及FRP型材上。同時(shí)，為避免單板受力，波形鋼腹板工字梁頂板鋪設(shè)2 mm厚的氯丁橡膠，每個(gè)氯丁橡膠設(shè)置4個(gè)螺栓孔，孔徑為23 mm，在氯丁橡膠開(kāi)口處涂環(huán)氧膠，將波形鋼腹板工字梁與鋼帶FRP組合梁粘結(jié)在一起[9]。將鋼帶FRP組合梁通過(guò)螺栓孔緊固在波形鋼腹板工字梁的翼板上（圖6）。使用FRP橋面板替代那些結(jié)構(gòu)性能劣化、抗力衰減的橋面板是個(gè)很省時(shí)的辦法，因?yàn)闃蛎姘蹇梢栽诠S中生產(chǎn)，現(xiàn)場(chǎng)安裝過(guò)程只需要很短的時(shí)間就能完成。由于FRP復(fù)合材料重量輕，在多地震地區(qū)使用FRP橋面板會(huì)減小地震過(guò)程中慣性力的作用，因此減少地震產(chǎn)生的損害[10]。在安裝FRP橋面板時(shí)，要認(rèn)真檢查橋面板與工字梁翼板的結(jié)合情況，保證貼合均勻，無(wú)單板受力狀態(tài)，且要掌握好螺栓擰緊力，擰緊力過(guò)大會(huì)對(duì)FRP材料造成破壞，過(guò)小則會(huì)使橋面板與主梁產(chǎn)生松動(dòng)，影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

圖6FRP橋面板連接部設(shè)計(jì)

4結(jié)語(yǔ)

大廣高速K17+487.363分離式立交橋波形鋼工字梁FRP橋面板組合橋梁實(shí)現(xiàn)了上部結(jié)構(gòu)及橋面系的裝配化施工，大大降低了傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土的勞動(dòng)強(qiáng)度，且最大程度降低了結(jié)構(gòu)自重，根治了混凝土腹板開(kāi)裂問(wèn)題。引進(jìn)輕型橋面板解決了混凝土橋面板因鹽分等引起的腐蝕問(wèn)題，建橋速度和承載能力得到極大提高，橋型更為美觀，降低了基礎(chǔ)及下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)截面，造價(jià)更為低廉，是一種全新的結(jié)構(gòu)形式。

盡管FRP具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐銹蝕等優(yōu)點(diǎn)，但也存在一定缺點(diǎn)，通常表現(xiàn)為各向異性、彈性模量低、剪切強(qiáng)度低、防火性能差等。在橋面體系中應(yīng)用

FRP材料最大程度降低了雨水、鹽分的侵蝕，且大大降低了結(jié)構(gòu)恒載，維護(hù)費(fèi)用低，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)突出，受到國(guó)內(nèi)學(xué)者和工程師們推崇。面對(duì)未來(lái)廣大的市場(chǎng)，還需要FRP生產(chǎn)廠家及科研工作者們就現(xiàn)有FRP材料的結(jié)構(gòu)組分、力學(xué)性能等進(jìn)行科研攻關(guān)，以獲得更高的剪切強(qiáng)度、更好的延性等關(guān)鍵性能，優(yōu)化FRP材料的連接部設(shè)計(jì)，并開(kāi)發(fā)多種形式的組合體系。

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[責(zé)任編輯：王玉玲]