淺談橋梁FRP夾芯板埋件系統(tǒng)驗證和優(yōu)化設計

劉貴鋒

（天津城建集團有限公司，天津市 300000）

0 引 言

FRP作為新型復合材料，因其具有的抗拉強度高、抗腐蝕、質輕而硬、可塑性強的優(yōu)點，已經(jīng)在國內(nèi)外一些大型地標性建筑中被作為裝飾性結構而采用，如扎哈工作室、以色列拉賓紀念中心等。除以上提及的各種優(yōu)點外，作為復合材料的FRP也有一些缺點，例如結構設計通常由變形控制，無法滿足變形要求高的結構。該例橋梁外觀的復雜曲面造型及抵抗較大的水流荷載等受力要求，使FRP材料成為了首選，將充分發(fā)揮其強度高、可塑性強的優(yōu)點，裝飾結構也降低了對變形的要求。本例是FRP作為裝飾結構材料在國內(nèi)橋梁工程中首次大量使用，埋件系統(tǒng)又是裝飾結構與主體結構連接的重中之重，無成熟的設計施工工藝可以借鑒，必須通過試驗驗證，確保結構受力安全[1-5]。

1 概述

1.1 橋梁概述

北關大道跨北運河橋主橋為造型優(yōu)美，寓意“千荷瀉露”的城市景觀橋，主體結構是鋼結構連拱橋。整個外觀曲面造型由FRP夾心板實現(xiàn)，包括腹部封護、步道護板、流水平臺三部分組成，裝飾塊總面積約為9 000 m2，共分為870塊。FRP夾芯板由外保護層，外面層，泡沫夾芯層和FRP內(nèi)面層組成。裝飾塊體通過埋件系統(tǒng)、連接件與焊接在鋼主梁或鋼拱上的鋼桁架固定。橋梁實景照片如圖1所示。

圖1 橋梁實景照片

1.2 夾芯板埋件系統(tǒng)概述

每塊夾芯板內(nèi)根據(jù)受力計算設計3～5個預埋連接件，預埋系統(tǒng)節(jié)點設計是整個方案里最重要的環(huán)節(jié)，預埋系統(tǒng)沒有可以借鑒的施工經(jīng)驗及方法，通過多次的討論最終確定的是復合材料-鋼組合結構井字形預埋系統(tǒng)，由FRP墊板、鋼耳板、預埋鋼板、FRP井字肋板組成。夾芯板構造及預埋系統(tǒng)示意圖分別如圖2、圖3所示。

圖2 夾芯板構造示意圖

圖3 夾芯板埋件系統(tǒng)示意圖

2 拉壓試驗樣件制作

由于該預埋系統(tǒng)沒有成熟的施工工藝可以借鑒，為了保證工程質量，通過與設計溝通，對預埋節(jié)點做等比實體模型，根據(jù)ansys計算結果，受力最大的埋件系統(tǒng)拉壓應力為100 kN，以此設計試驗荷載。

2.1 試驗樣件尺寸確定

設計、施工等各方根據(jù)試驗指標和計算模擬分析，確定了埋件系統(tǒng)拉壓模型外形尺寸為2000 mm×2000 mm×150mm，預埋板尺寸為700 mm×700 mm，法蘭厚度20 mm。

2.2 試驗樣件制作

預埋件糊制由專業(yè)廠家嚴格按照設計文件和規(guī)范要求采用手糊工藝進行，步驟依次為材料準備、模具制作、噴涂膠衣、外面層糊制、夾芯板鋪設、預埋系統(tǒng)安裝、內(nèi)面層糊制、脫模修邊和噴涂氟碳漆。共分9次糊制，所用材料包括EMC300短切氈、EWR400玻纖方格布、預埋件系統(tǒng)。制作完成的拉壓試驗樣件如圖4所示。

圖4 試驗樣件照片

3 拉壓試驗

3.1 拉壓試驗平臺裝置設計

由于等比模型塊體較大，一般試驗室的萬能試驗機無法對其進行加載，為此自主設計一種專用預埋系統(tǒng)拉壓試驗裝置，通過液壓讀數(shù)千斤頂進行加載，試驗過程中采取逐級加載的方式，每次加載幅度為20 kN，同時測量塊體形變。首先，進行拉壓試驗各四次，第三次及第四次加載幅度為40 kN，最后按設計要求進行最大值為2倍計算荷載的50次循環(huán)拉壓試驗，最大加載力為200 kN。為了后期檢驗塊體內(nèi)部細節(jié)破損情況，該試驗不進行破壞性加載。

拉壓試驗裝置采用型鋼焊接而成，利用兩臺千斤頂加載，千斤頂放置于橫梁下方進行拉力試驗，試驗裝置如圖5（a）所示；千斤頂放置在橫梁上方時進行壓力試驗，試驗裝置如圖5（b）所示。

圖5 試驗裝置拉、壓試驗工作原理示意圖

3.2 拉、壓試驗

把試驗塊體樣件利用吊車放置在實驗平臺上，兩臺千斤頂同步加載，保證預埋件受力均勻。拉、壓試驗現(xiàn)場照片如圖6所示。

圖6 拉、壓試驗現(xiàn)場圖

試驗時，按照預定荷載逐級加載，加載過程中觀察塊體變化情況。加載到預定初始荷載后測量塊體的內(nèi)外表面最大形變，然后再加載到下一荷載值，量取形變值，直到達到最大試驗荷載。形變測量如圖7所示。

圖7 形變測量

3.3 試驗數(shù)據(jù)分析

FRP夾芯板預埋系統(tǒng)抗拉試驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 FRP夾芯板預埋系統(tǒng)抗拉試驗數(shù)據(jù)記錄表

由此可見，F(xiàn)RP夾芯板預埋系統(tǒng)四次抗拉試驗累計形變分別為27 mm、24 mm、25 mm和24 mm。FRP夾芯板預埋系統(tǒng)四次抗壓試驗累計形變分別為30 mm、23 mm、25 mm和24 mm，數(shù)據(jù)表格不再羅列。

通過試驗結果可以分析得出，塊體模型存在非彈性變形和彈性變形，非彈性變形在受拉和受壓狀態(tài)均約為3～4 mm，前期加壓過程中伴隨纖維斷裂聲音，分析由于局部纖維受力集中造成。最終試驗模型預埋系統(tǒng)在100 kN拉力荷載下的彈性變形約為15～18 mm，在100 kN壓力荷載下的彈性變形約為14～16 mm。四次受拉和受壓實驗后，又根據(jù)設計要求進行了50次拉壓循環(huán)試驗，形變與前四次基本一致。最終數(shù)據(jù)反饋給設計，滿足了設計強度和撓度要求。

根據(jù)現(xiàn)場實驗結果，該預埋系統(tǒng)在2倍最大荷載下保證不破壞，強度滿足設計要求且有一定安全系數(shù)。樣件本身的變形處于設計允許范圍內(nèi)，且卸載后能恢復原狀，能保證裝飾結構整體外觀效果。

4 鋪層方案優(yōu)化設計

4.1 樣件沿中線切割情況

為了減少受力集中纖維斷裂破壞情況，需要通過分析其內(nèi)部變化情況優(yōu)化鋪層方案。為此對做完拉壓試驗的兩個試件進行了切割分析研究。通過吊耳中線切割可以判斷預埋板周邊的變化，進而推斷FRP內(nèi)外面層協(xié)同受力的情況，通過觀察夾心泡沫與FRP內(nèi)外面層的關系分析剝離程度。樣件切割后的細部圖分別如圖8和圖9所示。

圖8 帶耳板側斷面細部圖

圖9 不帶耳板側斷面細部圖

通過觀察FRP切割橫斷面可以看出預埋件四周沒有出現(xiàn)明顯的破壞情況，滿足設計要求。

4.2 井字肋處切割

為了分析預埋件系統(tǒng)內(nèi)部的情況，對井字肋處做進一步切割。圍繞井字肋加設的樹脂纖維將內(nèi)外面層組合成整體，確保在預埋件無論受拉還是受壓時都共同協(xié)調受力。切割后的細部圖如圖10所示。

圖10 井字肋處切割后帶耳板側斷面細節(jié)圖

從井字肋斷面處可以看出內(nèi)部的夾心泡沫出現(xiàn)分層現(xiàn)象，出現(xiàn)該情況的主要原因是連接FRP內(nèi)外面層與井字肋的纖維鋪層出現(xiàn)過大的集中形變，夾心泡沫上下表面是與內(nèi)外面層粘合在一起的，面層的形變導致泡沫分層。通過拉壓循環(huán)試驗可以推斷泡沫在預埋系統(tǒng)受力中起的作用不是很大，通過加強內(nèi)外面層的連接纖維能有效減少形變，夾心泡沫分層情況會改觀。

4.3 結論分析

綜上，樣件經(jīng)拉壓試驗后，其外觀整體及耳板連接處未見有破壞現(xiàn)象，F(xiàn)RP內(nèi)外面層本身均無破壞現(xiàn)象。內(nèi)外面層形變集中引起預埋件位置夾心泡沫局部分層斷裂破壞，井字肋范圍內(nèi)出現(xiàn)部分泡沫橫向裂紋和分層破壞，需要在鋪層方案上進行優(yōu)化。

5.4 鋪層方案優(yōu)化

糊制在外面層內(nèi)側的鋼板通過纖維鋪層與外面層形成整體。預埋系統(tǒng)在受拉時，外面層受拉向內(nèi)側出現(xiàn)位移，外面層的拉力通過井字肋傳遞至內(nèi)面層，主要體現(xiàn)是井字肋與外面層之間纖維鋪層受拉，通過井字肋傳遞至內(nèi)面層受拉。預埋系統(tǒng)在受壓時，內(nèi)面層與井字肋之間的纖維鋪層受拉，通過井字肋傳遞至外面層纖維受拉。井字肋四周夾心泡沫出現(xiàn)分層說明此處變形已經(jīng)超過夾心泡沫本身的極限。為此要加強預埋系統(tǒng)井字肋范圍內(nèi)的鋪層厚度及方式，盡量減少受力時內(nèi)外面層的集中形變。

為解決預埋系統(tǒng)根部變形，從以下三點優(yōu)化原鋪層方案：將預埋鋼板從8 mm加厚為10 mm，盡量保證此處整體剛度，將預埋件本身在受力時的變形減?。痪掷咚闹苡稍瓉淼呢Q直斷面改為燕尾槽形式，有利于橫縱向纖維受力；將固定井字肋的纖維鋪層貫通，首先糊制井字肋與下面層，使其成為一個整體，固定上墊板的纖維與內(nèi)面層同時糊制，下端與下墊板連接，形成側向U型。

優(yōu)化后的預埋系統(tǒng)將更有利于內(nèi)外面層協(xié)同受力，減小預埋件位置的變形，從而更加保證預埋系統(tǒng)受力性能。埋件系統(tǒng)鋪層工藝優(yōu)化方案如圖11、圖12所示。

圖11 鋪層工藝優(yōu)化方案分解示意圖

圖12 預埋系統(tǒng)最終方案整體示意圖

5 結 論

論文針對無法進行準確計算的夾芯板埋件系統(tǒng)受力性能展開試驗分析研究，通過自主研發(fā)的試驗裝置進行了埋件系統(tǒng)的拉拔性能試驗及2倍最大荷載的50次循環(huán)試驗，驗證了埋件系統(tǒng)的受力性能。通過對試驗后的塊體進行了切割研究，優(yōu)化了埋件系統(tǒng)根部鋪層設計方案，為FRP作為裝飾結構材料在工程中應用提供了一定的參考價值。