橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中FRP力學(xué)性能的運用

王東波

（中鐵十二局集團有限公司勘測設(shè)計分公司， 山西 太原 030024）

現(xiàn)階段， 我國人民的生活水平有了進一步的提升， 這也導(dǎo)致國民在交通出行方面有更高的要求。橋梁作為交通出行當中最重要的一項設(shè)施， 其結(jié)構(gòu)強度和服務(wù)壽命與國民的生活有著巨大的聯(lián)系[1]。從目前來看， 我國傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)橋梁在實際的使用過程中往往由于鋼筋銹蝕、 混凝土開裂等問題嚴重的影響了橋梁的功能， 這也對國民的通行安全產(chǎn)生了巨大的影響。 因此， 如何解決傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)橋梁當中所存在的問題也成為每一個建筑工程企業(yè)都需要思考的問題。 隨著新型纖維增強復(fù)合材料（FRP） 的出現(xiàn)， 也給橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了一種新的方案， 該種材料的應(yīng)用在一定程度上也有效的提高了橋梁結(jié)構(gòu)強度[2]。

1 FRP在橋梁工程當中的應(yīng)用優(yōu)勢

傳統(tǒng)混凝土橋梁由于其受力條件相對復(fù)雜， 在長時間的使用過程中受到的限制因素更多， 這也使其容易出現(xiàn)各種病害， 如果沒有加強對橋梁后期的維護保養(yǎng)， 很有可能出現(xiàn)安全事故。 因此加強對新型橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計和研究也成為基建行業(yè)發(fā)展的必然方向[3]。 近年來， 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展， 各種新材料也被應(yīng)用在建筑工程行業(yè)當中， 其中在橋梁工程當中FRP便有著良好的應(yīng)用， 該種材料在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計當中的應(yīng)用具有如下幾種優(yōu)勢： 1） 能夠有效加快橋梁架設(shè)施工速度。 相比較傳統(tǒng)鋼筋混凝土橋梁建設(shè)而言， FRP材料的應(yīng)用能夠有效的提高施工速度， 在架設(shè)過程中操作更為便捷， 目前在城市快速通行橋梁、 跨線橋梁的建設(shè)過程中具有更高的適用性； 2） 具有更強的抗腐蝕能力。 FRP材料在實際的應(yīng)用過程中具有更加優(yōu)異的抗腐蝕能力，F(xiàn)RP材料基體和纖維為抗腐蝕材料， 在橋梁設(shè)計當中的應(yīng)用相比較傳統(tǒng)鋼筋混凝土具有更強的抗腐蝕性， 這對于提高橋梁使用安全性和壽命也有著重要的作用[4]。

2 橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中FRP力學(xué)性能的運用

2.1 輕質(zhì)FRP橋梁

2.1.1 結(jié)構(gòu)形式

輕質(zhì)FRP橋梁主要作為人行天橋來使用， 其中所應(yīng)用的主要建材為FRP材料， 該種材料的應(yīng)用能夠有效的降低橋梁的自重。 目前， 在我國各地所應(yīng)用的FRP輕質(zhì)橋梁形式主要有以下幾種： 1） 桁架橋。 該種橋梁形式選用的構(gòu)件為拉擠型材質(zhì)， 在實際連接過程中以螺栓或黏結(jié)為主； 2） 梁式橋。 梁式橋是目前我國橋梁建設(shè)應(yīng)用最廣泛的一種橋梁結(jié)構(gòu)形式， 主要利用斷面較大的拉擠型材或RTM型材為主梁結(jié)構(gòu)； 3） 斜拉橋。 此種橋梁形式在建設(shè)過程中將FRP材料應(yīng)用在主梁和橋塔等部位， 以此來提高橋梁的結(jié)構(gòu)強度和耐久性； 4） 吊橋。 顧名思義， 該種橋梁結(jié)構(gòu)形式主要是利用吊索懸掛橋梁主材的一種橋梁形式， 在輕質(zhì)FRP吊橋橋梁建設(shè)過程中， 主梁采用FRP材料， 如此能夠提高橋梁的強度。

2.1.2 力學(xué)性能分析

經(jīng)過對輕質(zhì)FRP橋梁結(jié)構(gòu)的力學(xué)情況進行分析時發(fā)現(xiàn)， 該種類型橋梁雖然剛度較小， 但實際承載能力較強， 因此在設(shè)計過程中應(yīng)當加強對變形的控制。 目前， 我國在橋梁建筑標準當中規(guī)定拱橋或桁架橋形式的人行橋荷載變形為1/800， 梁板式人行橋荷載變形為1/600， 這些數(shù)據(jù)主要是針對鋼筋混凝土材料橋梁所做出的規(guī)范。 針對FRP橋梁而言， 由于該種材料具有較強的彈性形變量， 因此載荷變形要求應(yīng)當適當?shù)募哟螅?以此來提高強度利用率。 例如，針對FRP箱梁而言， 可以將跨度變形極限控制在1/40 跨長以內(nèi)， 此時根據(jù)對橋梁受力情況分析發(fā)現(xiàn)，橋梁結(jié)構(gòu)材料利用率低于10%， 這也表明在確定FRP橋梁荷載變形量時不僅需要加強對橋梁結(jié)構(gòu)強度和穩(wěn)定性的關(guān)注， 同時還需要適當放寬對材料的變形要求。 譬如將FRP人行橋梁變形量控制在跨長的1/400。 在試驗過程中， FRP橋梁結(jié)構(gòu)在實際的受力過程中表現(xiàn)出良好的線性彈性， 并且隨著載荷的不斷增大， 線性變形也在增加， 在出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞之前， 整個橋梁的結(jié)構(gòu)變形較為明顯。 在試驗當中，F(xiàn)RP架構(gòu)在變形達到1/40 跨長時， 構(gòu)件并沒有出現(xiàn)破壞， 在持續(xù)提高橋梁承載力后， 結(jié)構(gòu)才發(fā)生破壞，經(jīng)過多次試驗， 結(jié)構(gòu)破壞時載荷并不固定， 因此需要根據(jù)FRP橋梁結(jié)構(gòu)變形程度來進一步判斷其承載力的極限。

2.1.3 設(shè)計計算

在試驗當中， 針對FRP橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計進行力學(xué)載荷計算時， 需要將FRP材料的線彈性考慮在內(nèi)，并且在實際的計算過程中還需要根據(jù)FRP材料的情況來進行建模分析， 以此來計算FRP橋梁的結(jié)構(gòu)強度。 從整個結(jié)構(gòu)強度方面來看， FRP橋梁剪切方向和垂直纖維防線的強度較低， 在出現(xiàn)較大載荷的情況下容易出現(xiàn)剪切破壞。 除此之外， FRP材料剪切模量相對較小， 在承受較大載荷時， 橋梁變形主要以剪切變形為主， 此類變形能夠占據(jù)總變形量的20%。 因此， 為了在橋梁工程當中有效的應(yīng)用FRP材料， 應(yīng)當針對FRP材料的剪切變形進行科學(xué)的計算， 在計算過程中應(yīng)當通過G=T/Y來求取彈性模量， 以此來確保材料性能能夠滿足工程的應(yīng)用需求。

2.2 快速架設(shè)應(yīng)急FRP橋

2.2.1 結(jié)構(gòu)形式

快速架設(shè)應(yīng)急FRP橋是我國目前災(zāi)害現(xiàn)場中最常見的一種通行方式， 為了提高救災(zāi)的高效性和可靠性， 快速架設(shè)應(yīng)急FRP橋不僅需要較強的機動性和適應(yīng)性， 還需要具備快速架設(shè)要求， 而FRP材料的性能符合上述需求。 就目前橋梁建設(shè)實際情況來看， 各國在火災(zāi)、 爆炸、 地震等災(zāi)害面前， 所應(yīng)用的快速架設(shè)應(yīng)急FRP橋主要以拼裝桁架式、 板梁式、 可展桁架式結(jié)構(gòu)為主， 在實際的應(yīng)用當中需要根據(jù)應(yīng)用區(qū)域環(huán)境和實際情況來選擇合理的橋梁結(jié)構(gòu)形式， 如此才能確保應(yīng)急FRP橋梁的應(yīng)用價值。

2.2.2 關(guān)鍵設(shè)計問題

為了保障FRP材料在快速架設(shè)應(yīng)急橋的設(shè)計方面有所應(yīng)用， 相關(guān)設(shè)計人員首先需要加強對應(yīng)急橋結(jié)構(gòu)體系的研究。 在快速架設(shè)應(yīng)急橋的建設(shè)過程中所采用的材料以金屬為主， 在計算過程中應(yīng)當以金屬結(jié)構(gòu)特點為主， 但如果應(yīng)用的是FRP材料， 不應(yīng)當將金屬計算方式應(yīng)用在FRP橋梁結(jié)構(gòu)當中， 以此來表現(xiàn)架設(shè)方案和后續(xù)檢驗不合格的問題。 對于快速架設(shè)應(yīng)急FRP橋梁而言， 為了更好的為災(zāi)害現(xiàn)場服務(wù)， 需要具有良好的連接性， 確保相關(guān)構(gòu)件能夠在現(xiàn)場完成拼接， 只有在保障完好連接情況的基礎(chǔ)上， 才能夠提高整個橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力和穩(wěn)定性。因此， 在快速架設(shè)應(yīng)急FRP橋的設(shè)計過程中， 相關(guān)設(shè)計人員需要加強對各構(gòu)件連接性能的關(guān)注和計算，并且將后期承載載荷考慮在內(nèi)， 以此為基礎(chǔ)來進行承載力的計算， 進而選擇合理的連接方式， 以此來提高施工質(zhì)量。

2.3 FRP橋面板

2.3.1 結(jié)構(gòu)形式

FRP橋面板是當前橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計當中應(yīng)用最廣泛的構(gòu)件之一， 通常情況下， FRP橋面板結(jié)構(gòu)形式以夾芯板、 拉擠型材空心板、 面板與型材芯組合板等為主。 其中夾芯板最為常見， 該種板材結(jié)構(gòu)性能良好， 在實際的制造過程中主要以RTM制造工藝為主， 該類橋梁在實際的應(yīng)用過程中在跨長1/600 變形情況下承受較大的載荷力， 并且可以將整個板材的振動頻率控制在3Hz左右， 進而確保行人通行的舒適度。 而拉擠型空心板在實際的應(yīng)用過程中具有零號的適應(yīng)性， 能夠通過建設(shè)需求被加工成不同形狀的板材， 但需要注意的是斷面尺寸不可過大。 相比較傳統(tǒng)混凝土橋面板而言， FRP橋面板的造價更高， 最高會達到傳統(tǒng)橋板成本的三倍以上， 雖然FRP橋面板前期投入較大， 但其使用壽命和使用安全性更高， 后期維護也更加簡單。

2.3.2 力學(xué)性能分析

在FRP橋面板的實際應(yīng)用過程中， 整體橋板受力主要以剪切力為主， 并且在整個橋板上部分地方還受到擠壓或沖切的用力， 如果在橋板上施加非對稱的載荷力， 整個橋板受力截面還會產(chǎn)生一定的扭矩， 再加上FRP材料的各項性能， 這也導(dǎo)致整個FRP橋面板內(nèi)力分析更為復(fù)雜。 除此之外， FRP材料具有較強的設(shè)計性， 在應(yīng)用過程中能夠使用多種設(shè)計工藝， 因此FRP橋面板也能夠根據(jù)實際需求來進行設(shè)計加工， 進而提高整個橋面板的適用性和性能。 與此同時， 在確定橋梁結(jié)構(gòu)形式的基礎(chǔ)上， 還可通過科學(xué)的手段來進一步優(yōu)化處理FRP橋面板的尺寸和形狀， 以此來提高FRP橋面板的使用性能，并且在此過程中也可以利用外纏纖維的方式來提高FRP橋面板的變形能力。 經(jīng)過實驗研究發(fā)現(xiàn)， 對兩塊FRP橋面板的外部進行纖維纏繞后， 其變形能力提高有3.2 倍， 但實際重量只增加到原來的120%。由此可見， 結(jié)構(gòu)形式設(shè)計是決定整個FRP橋面板性能的關(guān)鍵所在， 并且在后期附加支持結(jié)構(gòu)的輔助下，整個FRP橋面板的性能也有著極大的提升， 對于提高橋梁結(jié)構(gòu)強度和使用壽命有著重要的作用。

3 利用FRP材料加固危橋?qū)嵗?/h2>

3.1 工程概況

某地雨棚建設(shè)主要采用三角形桁架結(jié)構(gòu)， 其中所有構(gòu)件均為FRP材質(zhì)。 雨棚頂部結(jié)構(gòu)三角形桁架高度0.6m， 桁架邊緣懸出0.5m， 桁架每邊固定4根用于加固的檁條。

材料： 桁架結(jié)構(gòu)中的上弦桿、 下弦桿、 腹桿均為FRP方管， 方管壁厚為3mm， 長*寬=33mm*40mm。 GFRP型材力學(xué)性能同上， 見表1。

3.2 載荷取值

本工程在重力載荷計算過程中， 主要計算桁架自重和管道均布力， 其中衍架自重以GFRP型材重力密度γ=20kN/m3為基準； 管道均不力的計算包含有管道、 介質(zhì)、 保溫層、 外部裝飾等重量， 最終得出均不力為4.2kN/m。

3.3 計算模型

雨棚三角桁架結(jié)構(gòu)采用midas-civil2011 進行分析計算， 其中上弦桿為梁單元， 下弦桿以及腹桿應(yīng)用桁架單元。 計算模型建立如圖1 所示。

圖1 三角形桁架雨棚計算模型

3.4 計算結(jié)果

經(jīng)過對雨棚桁架計算模型的力學(xué)性能分析， 發(fā)現(xiàn)上弦桿兩單元最大拉應(yīng)力為19.6MPa， 最大壓應(yīng)力為37.4MPa； 而由下弦桿以及腹桿所構(gòu)成的桁架單元最大拉應(yīng)力為15.3MPa， 最大壓應(yīng)力為0.7MPa。 由此可知設(shè)計值遠大于構(gòu)件所產(chǎn)生的實際應(yīng)力。 在FRP雨棚建立過程中， FRP材料是桁架結(jié)構(gòu)件設(shè)的關(guān)鍵，因此需要針對FRP型材力學(xué)性能進行計算， 在模型當中可以得出最大節(jié)點力為6.2kN。

根據(jù)計算模型得出該桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計， 為了確保承載力能夠達到預(yù)期要求水平， 因此在內(nèi)外板粘接過程中采用玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料進行膠栓連接。 其中彈性模量Ei=E0 =30GPa， 式試樣寬度Wi=W0 =40mm， ti=6mm， t0 =10mm。 膠粘劑為某地生產(chǎn)的工程復(fù)合材料， 經(jīng)過檢驗發(fā)現(xiàn)其等效理想彈性-塑性模型為γe=0.092， γp =0.041， 剪切力τp=20.23MPa。 其中所采用的螺栓為FRP螺栓， 其直徑為16mm， 緊固力矩為15N×m， 螺栓孔直徑為18mm， 其彈性模量Eb =30GPa， 螺栓與搭板間的摩擦因素為μ=0.3， 膠栓混合接頭膠層厚度η為0.5mm。

因此可以計算出加載力度為。

因此最大承載力P=Pashesive=36.3kN大于6.2kN， 符合在三角桁架建設(shè)安全要求。

4 結(jié)語

綜上所述， 橋梁是當前社會經(jīng)濟發(fā)展的重要交通設(shè)施， 良好的橋梁建設(shè)對推動我國社會的可持續(xù)發(fā)展有著重要的作用。 隨著新材料技術(shù)的研發(fā)， FRP材料也被應(yīng)用在橋梁建設(shè)過程中， 經(jīng)過當前各專家學(xué)者對FRP材料力學(xué)性能的研究， 也逐步將該類材料應(yīng)用在各種橋型結(jié)構(gòu)方面， 這不僅能夠有效的加快橋梁工程的施工進度， 對提高橋梁結(jié)構(gòu)強度和使用壽命也有著重要的作用。 但從實際情況， 應(yīng)用FRP材料進行橋梁設(shè)計需要耗費更大的成本， 因此相關(guān)研究人員還需要加大對該方面的研究， 將該種材料廣泛的應(yīng)用于我國基建設(shè)置， 這對于推動我國經(jīng)濟增長也有著重要的作用。