FRP復(fù)合材料在異型跨河景觀橋的應(yīng)用

吳立波

（天津城建集團(tuán)有限公司，天津市 230040）

0 引言

當(dāng)前北京正舉全市之力建設(shè)通州北京城市副中心，北京城市副中心與雄安新區(qū)同為千年大計(jì)的國家戰(zhàn)略，古老的京杭運(yùn)河蜿蜒貫穿通州全境。運(yùn)河上的跨河橋梁建設(shè)自然成為城市副中心的重中之重，而北關(guān)大道跨北運(yùn)河大橋作為京杭運(yùn)河源頭第一橋更是以“千荷瀉露”的獨(dú)特構(gòu)思而著稱。當(dāng)設(shè)計(jì)師將驚艷的效果圖完成后，如何實(shí)現(xiàn)達(dá)到該效果成為了難題。此造型“前不見古人，后不見來者”，用何種材料可實(shí)現(xiàn)此造型的同時還要能承受風(fēng)荷載及河道汛期強(qiáng)大的水壓荷載。圍繞難題我們積極考察調(diào)研，組織專家論證會確定了采用FRP復(fù)合材料進(jìn)行橋梁裝飾，成功解決了難題，達(dá)到了預(yù)期效果[1,2]。

1 工程概況

北關(guān)大道跨北運(yùn)河大橋的橋型方案為“千荷瀉露”的梁拱組合橋；其設(shè)計(jì)靈感來源于西海子公園葫蘆湖清晨從荷葉上滴下的露珠時的意境。主橋橋長約210 m，為30 m+40 m+70 m+40 m+30 m上承式鋼結(jié)構(gòu)連拱橋。橋梁橫斷面形式復(fù)雜，主橋橋梁寬42.6～68 m。人行道寬度及流水平臺沿著橋梁縱向不斷變化，在步道及流水平臺變寬的過程中，各層步道高程逐漸分開，形成三層不同高度的步道。橋梁效果見圖1。

圖1 橋梁效果圖

2 橋梁裝飾材料的比選

橋梁造型優(yōu)美，整體呈空間雙曲面流線型布局，流水景觀平臺分層布置，觀景臺還設(shè)置休閑座椅，見圖2；橋梁平、立面見圖3。

圖2 流水景觀平臺效果圖

圖3 橋梁結(jié)構(gòu)平、立面圖（單位：cm）

橋梁裝飾板設(shè)計(jì)荷載條件：最大水壓：5.5 m，最大風(fēng)壓：2 kN/m2；基本雪壓 0.4 kN/m2。為了選擇既能滿足線性要求，又能滿足受力要求的材料，我們分別調(diào)研了鋁單板、GRC玻璃纖維增強(qiáng)混凝土、FRP復(fù)合材料三類材料。鋁單板工藝性好，采用先加工后噴漆工藝，鋁板可加工成平面、弧型和球面等各種復(fù)雜幾何形狀；但承受荷載能力不行，易變形，表面易產(chǎn)生坑洼現(xiàn)象。GRC玻璃纖維增強(qiáng)混凝土重量大，可塑性差，外觀很難滿足要求且后期易開裂。結(jié)合橋梁的實(shí)際情況，綜合考慮材料的耐久性、輕質(zhì)高強(qiáng)、荷載情況、橋梁氣動性能、可設(shè)計(jì)性好、工藝性能優(yōu)良、優(yōu)雅美觀造型的可塑性等諸方面，我們最終選用了FRP曲面夾芯板作為橋梁裝飾材料，具體結(jié)構(gòu)形式為：FRP曲面夾芯板+管桁架懸掛支撐體系。整體效果見圖4，細(xì)部構(gòu)造見圖5。

圖4 FRP曲面夾芯板裝飾效果

圖5 FRP曲面夾芯板裝飾細(xì)部構(gòu)造圖

管桁架懸掛支撐體系由主桁架、次桁架及叉耳組成，主桁架與橋梁主體鋼結(jié)構(gòu)焊接固結(jié)，主次桁架亦通過焊接連接。FRP曲面夾芯板通過叉耳與鋼桁架栓接固結(jié)。

3 FRP裝飾的施工應(yīng)用

3.1 FRP裝飾板的加工制作

全橋FRP裝飾板分為45列封護(hù)板，每列寬3.5～5.5 m，968塊曲面夾心板共有46個分塊斷面（見圖6）。塊體的加工制作在專業(yè)生產(chǎn)廠家進(jìn)行。首先進(jìn)行設(shè)計(jì)圖紙深化：根據(jù)設(shè)計(jì)提供的FRP產(chǎn)品三維圖用Rhino設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，將FRP產(chǎn)品曲線進(jìn)行數(shù)字建模，根據(jù)生產(chǎn)需要將建好的數(shù)字模型進(jìn)行拆分分塊，將分塊好的模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)控中心專用軟件進(jìn)行刀軌編程并進(jìn)行模擬驗(yàn)證。

裝飾板基本建造工藝流程為：施工平臺制作—模具制作—涂脫模蠟—噴涂膠衣—準(zhǔn)備樹脂纖維等材料—下面成型—預(yù)埋件及泡沫材料糊制—上面成型—局部預(yù)留連接部位修整—脫模切邊—連接試組裝—外觀修整—檢驗(yàn)—包裝、運(yùn)輸。下面簡述幾個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

（1）噴涂膠衣：配置膠衣樹脂時，加入固化劑時要充分混合攪拌均勻，避免應(yīng)固化不均而產(chǎn)生的表面褶皺、裂紋等瑕疵；膠衣可以用毛刷或?qū)Ｓ脟姌寔韲娡?，若膠衣粘度太高，可添加適量苯乙烯調(diào)節(jié)粘度以及填補(bǔ)操作過程中揮發(fā)損失的苯乙烯，但要根據(jù)工藝要求控制苯乙烯的加入量；膠衣層的厚度控制在0.3～0.5 mm之間，不宜過厚或過薄，通常以單位面積所用膠衣量來控制。

（2）面板制作：本工程面板制作采用真空導(dǎo)入工藝和手糊工藝，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙要求，不同部位采用相應(yīng)的施工工藝，嚴(yán)格執(zhí)行設(shè)計(jì)文件要求。

手糊工藝施工要注意不得將兩層或多層增強(qiáng)材料同時鋪放，每層剪開的部位錯開，織物纖維的鋪層方向以及鋪層方式應(yīng)該按照工藝要求進(jìn)行。

真空導(dǎo)入工藝分為準(zhǔn)備模具、施工膠衣面、增強(qiáng)材料鋪設(shè)、真空袋材料鋪設(shè)、抽真空、配樹脂、導(dǎo)入樹脂、脫模、內(nèi)側(cè)板面制作、內(nèi)側(cè)板面固化后脫模修整、后期處理、預(yù)組裝等環(huán)節(jié)。

因結(jié)構(gòu)及材料的特殊性，用FRP復(fù)合材料進(jìn)行橋梁裝飾無任何先例可循。FRP曲面夾芯板在正式批量生產(chǎn)前需要先做樣件，然后結(jié)合工程的具體設(shè)計(jì)指標(biāo)對樣件的強(qiáng)度、剛度、耐久性、耐火性以及鋼桁架與FRP夾芯板連接可靠性進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖6 FRP裝飾板制作分塊示意圖

3.2 FRP裝飾板的安裝

FRP曲面夾芯板在廠家生產(chǎn)完成后運(yùn)抵施工現(xiàn)場進(jìn)行安裝，塊件通過鋼桁架與主橋結(jié)構(gòu)連接，具體安裝采用吊車、駁船等配合協(xié)調(diào)進(jìn)行，見圖7。

圖7 FRP曲面夾芯板安裝現(xiàn)場圖

（1）梯道、坡道、流水平臺區(qū)域安裝

構(gòu)件到達(dá)現(xiàn)場后，吊車配合卸車，卸車過程中做好成品保護(hù)工作，避免構(gòu)件出現(xiàn)磕碰現(xiàn)象，因?yàn)楸竟こ虡蛄鹤o(hù)板構(gòu)件全部為雙曲面結(jié)構(gòu)，而且梯道、坡道大部分構(gòu)件在橋梁結(jié)構(gòu)下面，構(gòu)件為不規(guī)則塊體，吊點(diǎn)選擇非常重要，為保證安裝及定位方便快捷，采用CAD軟件輔助計(jì)算結(jié)構(gòu)塊體的重心，設(shè)計(jì)吊點(diǎn)，通過重心的吊點(diǎn)可以保證塊體的空間位置，吊裝時構(gòu)件深入橋梁結(jié)構(gòu)下方的部分隨吊裝過程自然就位，避免因?yàn)榈觞c(diǎn)問題出現(xiàn)塊體無法就位的問題。

（2）腹部封護(hù)系統(tǒng)安裝

河道區(qū)域內(nèi)的腹部封護(hù)系統(tǒng)塊體及鋼桁架安裝采用挖掘機(jī)配合構(gòu)件的提升，駁船做為水中施工平臺的形式，駁船長度為18 m，寬度為4.5 m，高度為1.4 m，吃水深度0.7 m。在水中構(gòu)件的運(yùn)輸采用現(xiàn)場臨時制作的小船進(jìn)行。河道內(nèi)安裝時，駁船裝載挖掘機(jī)在安裝位置等候，構(gòu)件到達(dá)現(xiàn)場后通過小船運(yùn)至安裝位置，通過挖掘機(jī)將構(gòu)件抬升至施工臨時平臺之上，在主橋鋼結(jié)構(gòu)或者鋼桁架上設(shè)置電葫蘆進(jìn)行短距離吊裝，通過電葫蘆的起吊調(diào)整構(gòu)件位置，測量定位。

3.3 FRP復(fù)合材料在本工程應(yīng)用的意義

（1）據(jù)查閱相關(guān)資料，將FRP復(fù)合材料如此大規(guī)模（全橋約1萬m2）用于橋梁裝飾結(jié)構(gòu)，在當(dāng)前國內(nèi)乃至世界尚屬首次（見圖8）。這是個零的突破，是個積極的探索與實(shí)踐。

圖8 FRP曲面夾芯板裝飾完工實(shí)景圖

（2）FRP復(fù)合材料輕質(zhì)高強(qiáng)、工藝性優(yōu)良、良好的可設(shè)計(jì)性與高美學(xué)欣賞性，成功解決了本工程裝飾結(jié)構(gòu)對于奇特藝術(shù)造型與荷載受力的諸多要求。

（3）在軍工及航空航天廣泛應(yīng)用的FRP纖維復(fù)合材料在本項(xiàng)目的成功應(yīng)用，突出體現(xiàn)了軍民融合的重要意義。

4 結(jié)論

結(jié)合北京通州北關(guān)大道跨北運(yùn)河大橋獨(dú)特的設(shè)計(jì)造型，采用FRP復(fù)合材料來實(shí)現(xiàn)橋梁的裝飾，成功解決了復(fù)雜空間雙曲面板制作、承受風(fēng)載水壓、滿足受眾感官需求等難題，為古老的京杭運(yùn)河上又增添了一道靚麗的風(fēng)景線，同時為今后FRP復(fù)合材料在橋梁等復(fù)雜結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用進(jìn)行了超前有益的探索。