FRP橋梁人行道欄桿工程應用效果研究

崔學常，張錫祥，巫祖烈

(1.云南省保山市重點公路建設管理處，云南 保山 678000；2.重慶交通大學，重慶 400074)

FRP橋梁人行道欄桿工程應用效果研究

崔學常1，張錫祥2，巫祖烈2

(1.云南省保山市重點公路建設管理處，云南 保山 678000；2.重慶交通大學，重慶 400074)

結合實橋欄桿結構形式設計、結構受力計算、結構模型試驗和工程應用檢驗，介紹新型纖維增強復合材料(FRP)橋梁人行道欄桿工程應用效果的全新研究結果。這種新型欄桿的結構形式為FRP拉擠型材標準構件采用榫鉚連接工藝制成的FRP柵欄型欄桿，具有結構形式簡單、結構自重較輕、超載安全性較好、溫變伸縮自由且不露痕跡、結構造型美觀、耐蝕性和保潔性優、工業化施工程度高、質量和工期可控性強、工程造價合理、使用期維修養護節省等優點。對于腐蝕介質環境橋梁及后期維修養護較難或成本較高的橋梁，這種新型欄桿具有明顯的技術、經濟優勢。

橋梁工程；纖維增強復合材料；橋梁人行道欄桿；工程應用效果

0 引 言

橋梁人行道欄桿的最優設計目標為：①結構安全且自重較輕和溫變伸縮自由；②造型美觀且耐蝕性和保潔性優；③工業化施工程度高且質量和工期可控性強；④工程造價合理且后期維修和養護節省[1-3]。

目前，鋼、混凝土材質的橋梁人行道欄桿是當今橋梁工程應用最多也最成熟的欄桿類型，能滿足結構安全、造型美觀、溫變伸縮自由、工程造價經濟的主要設計目標。橋梁工程師試圖通過設計優化和施工技術改進等努力使這兩類欄桿的最優設計目標全部達標，但因欄桿材料的先天缺陷制約而未能實現，于是嘗試采用新型纖維增強復合材料(fiber reinforced polymer，FRP)設計、制造橋梁人行道欄桿，期望借助FRP材料輕質高強、完全彈性、耐腐蝕、耐疲勞的材料優勢及“可設計性強”、“可加工性強”的技術優勢，使這種新型欄桿達到最優設計目標，并勝任未來橋梁發展對橋梁構件提出的“結構減重”、“耐久性提高”及“實現工業化施工”的更高技術要求[3-6]。

我國FRP橋梁人行道欄桿的早期研發試用始于20世紀80年代，于1986年建成的東北嫩江公路大橋GFRP人行道欄桿是首項應用工程。該工程的目的是更換原橋破損混凝土欄桿實現橋梁結構減重。通過工廠手糊成型欄桿構件和現場膠粘連接加鉚釘連接，組裝成整體欄桿完成施工，靜力試驗和工程竣工驗收檢驗滿足設計和規范要求〔4〕。FRP橋梁人行道欄桿較系統、全面地研發應用始于本世紀初，重慶交通大學先后研發出GFRP寶瓶式柵欄型欄桿〔圖1(a)〕和GFRP板條式柵欄型欄桿〔圖1(b)〕并應用于16座實橋工程(表1)，將欄桿的應用效果從最初的“主要注重結構安全和造型美觀”上升到今天的“同時注重結構安全、造型美觀和工業化施工技術”的新高度。通過對GFRP板條式柵欄型欄桿的工程應用情況回訪調查和總結分析認為，經近10余年更全面的工程應用檢驗證明，FRP橋梁人行道欄桿滿足橋梁人行道欄桿的最優設計目標，具備未來橋梁構件要求具備的“結構減重”、“耐久性提高”及“實現工業化施工”的技術能力[3]。筆者介紹了FRP橋梁人行道欄桿工程應用效果，即總結了FRP橋梁人行道欄桿工程理論研究結果，研究成果可供橋梁人行道欄桿設計比選參考。

圖1 FRP寶瓶式及板條式柵欄型橋梁人行道欄桿形式Fig.1 Shape of the bottle and batten fence-type FRP bridge sidewalk railing

序號橋名欄桿類型欄桿長度l/m制造工藝建成時間工程應用效果1重慶內環快速路金渝立交橋GFRP寶瓶式柵欄型欄桿196.0手糊成型2002.12結構完好,從未維修養護2重慶渝北區金山大道319跨線橋GFRP寶瓶式柵欄型欄桿136.4手糊成型2003.04結構完好,從未維修養護3重慶渝北區經開大道李家院子立交橋GFRP寶瓶式柵欄型欄桿190.0手糊成型2003.10結構完好,從未維修養護4重慶高新區高廟村高架橋GFRP寶瓶式柵欄型欄桿328.0手糊成型2004.05結構完好,從未維修養護5重慶長壽區迎賓大道騎鞍橋GFRP寶瓶式柵欄型欄桿76.0手糊成型2005.01結構完好,從未維修養護6重慶江北區玉帶山支路橋GFRP寶瓶式柵欄型欄桿40.0手糊成型2005.02結構完好,從未維修養護7重慶渝北區金山大道邱堡跨線橋GFRP寶瓶式柵欄型欄桿99.4手糊成型2005.08結構完好,從未維修養護8成都龍泉區飛龍橋等三座橋梁GFRP寶瓶式柵欄型欄桿210.0手糊成型2006.12結構完好,從未維修養護9重慶沙濱路-嘉陵路連接段橋梁GFRP寶瓶式柵欄型欄桿83.2手糊成型2007.10結構完好,從未維修養護10云南龍陵縣香柏河大橋GFRP板條式柵欄型欄桿1036.0機械成型2012.04結構完好,從未維修養護11重慶涪陵區李子灣大橋GFRP板條式柵欄型欄桿390.0機械成型2012.06結構完好,從未維修養護12云南龍陵縣龍川江大橋GFRP板條式柵欄型欄桿1243.0機械成型2012.10結構完好,從未維修養護13斯里蘭卡中水大橋GFRP板條式柵欄型欄桿580.0機械成型2013.08結構完好,從未維修養護14重慶長壽區化南路東延橋GFRP寶瓶式柵欄型欄桿140.0手糊成型2014.06結構完好,從未維修養護

1 FRP欄桿結構形式設計研究

FRP材料種類較多，力學性能差別較大(表2)[3]，從欄桿材料費效比最優考慮，FRP橋梁人行道

欄桿材料宜選用力學性能相對較優且工程造價相對較低的玻璃纖維增強復合材料(GFRP)。

表2 橋梁工程常用FRP材料的力學性能比較

注：表中FRP材料的纖維體積含量Vf=60%， FRP材料的力學性能均為室溫性能。

GFRP結構材料強度較高(與結構鋼材相當)、彈性模量較低(約為結構鋼材的1/10)且材料單價較高(高出結構鋼材單價約10倍)，從欄桿構件費效比最優考慮，欄桿構件形式宜設計成材料用量最省且彎扭剛度最大的箱型薄壁桿件。

FRP構件采用陰模機械成型，結構性能和外觀效果最好，構件間榫鉚連接比膠粘、螺栓連接更牢、更美并更易工業化施工。從欄桿施工費效比最優考慮，FRP橋梁人行道欄桿施工，宜采用先拉擠成型標準構件再榫鉚連接組裝成整體欄桿的工業化施工技術。

基于上述分析，結合橋梁人行道欄桿“最優設計目標”和未來橋梁構件“結構減重”、“耐久性提高”及“實現工業化施工”要求綜合考慮，筆者設計出由GFRP欄桿排架與GFRP欄桿望柱通過榫鉚連接組成的FRP板條式柵欄型欄桿(圖2)，作為這種新型欄桿的代表結構形式。在此，GFRP欄桿排架，為GFRP欄桿扶手、上下橫欄、中間豎欄密配合榫鉚連接構成的兩端帶懸臂的FRP排架結構；GFRP欄桿望柱，為底端錨固在橋面系人行道外縱梁中的FRP懸臂梁構件。并且，FRP欄桿扶手、上下橫欄、中間豎欄及望柱，均為拉擠成型的GFRP箱型截面薄壁桿件類板條式標準構件。

圖2 FRP板條式柵欄型橋梁人行道欄桿標準節段形式Fig.2 Shape of the standardized element for the batten fence-type FRP sidewalk railing in the bridge

FRP橋梁人行道欄桿的設計荷載，為人群作用于欄桿上的水平力與豎向力，JTG D 60—2004《公路橋涵設計通用規范》、CJJ 11—2011《城市橋梁設計規范》及CJJ 69—95《城市人行天橋與人行地道技術規范》對其設計取值規定各異〔5〕，在此統一地取3規范的最大值作為設計值，其荷載集度分別為2.5和1.2 kN/m。欄桿設計的最不利荷載工況，為水平力作用荷載工況。欄桿設計荷載下的側向水平位移限值，因3規范均未明確規定，故參照文獻[5]取為欄桿望柱高度的1/100。欄桿的設計使用年限，參照我國FRP構件的實際使用時間，確定其不需養護的設計使用年限不小于50年〔7〕。

2 FRP欄桿工程應用效果研究

2.1 FRP欄桿工程應用的結構效果研究

2.1.1 欄桿結構安全效果研究

采用結構受力計算和結構模型試驗方法，研究了圖2結構形式的FRP橋梁人行道欄桿設計荷載下的結構安全性及超載作用下的結構安全儲備。

欄桿結構計算及結構試驗，分別選取實橋欄桿的1個和3個標準節段(L=4 m)作為計算模型和試驗模型。

結構計算采用MIDAS軟件，其有限元模型如圖3。結構試驗采用等效集中力加載方式對欄桿扶手和望柱控制截面進行加載。欄桿望柱試驗的加載截面為望柱與扶手頂面交界位置截面，其加載方式如圖4。兩類模型的欄桿構件截面形式及尺寸如圖5，構件的材料性能參數如表3。欄桿水平荷載工況的計算與試驗結果如表4。表4中欄桿扶手跨中截面(J1截面)、距跨中0.7 m處截面(J2截面)和望柱根部截面(J3截面)的應力試驗值根據這3個截面的應變實測值計算得到，其截面應變片布置如圖6。

圖3 FRP橋梁人行道欄桿的有限元計算模型Fig.3 Finite element model of FRP bridge sidewalk railing

圖4 欄桿望柱水平力靜載試驗加載方式Fig.4 Static loading test of the baluster of rail under horizontal forces

圖5 FRP橋梁人行道欄桿的構件截面形式及尺寸Fig.5 Sectional shape and scale of FRP bridge sidewalk railing components

容重γ/(kN·m-3)拉伸強度ft/MPa壓縮強度fc/MPa彈性模量E/GPa縱橫向泊松比υ軸向線膨脹系數α18.0≥200.0≥100.0≥10.00.1531×10-5

圖6 FRP欄桿扶手和望柱控制截面應變片布置示意Fig.6 Layout of strain gauge of the critical sections both in FRP railing hand and baluster

欄桿構件控制截面最大彎曲應力/MPaσb0σb1最大水平位移/mmu0u1實測殘余位移Δu0絕對值/mm相對值/%計算值試驗值計算值試驗值計算值試驗值計算值試驗值欄桿扶手跨中截面2.561.564.032.282.552.314.014.230.208.0欄桿扶手距跨中0.7m截面7.112.5610.943.363.553.015.225.450.3410.2欄桿望柱根部截面10.537.3015.1910.48——————欄桿望柱頂部截面————9.988.8414.9613.780.171.8

注：σb0，σb1分別為設計荷載下及超載50%下的最大彎曲應力；u0，u1分別為設計荷載下及超載50%下的最大水平位移；Δu0為設計荷載下的實測殘余位移。

由表4可知，欄桿扶手和望柱分別受2.5 kN/m的設計荷載(標載)和超出設計荷載50%的超載作用下，各控制截面的最大彎曲應力未超過16 MPa，遠小于材料的彎曲強度200 MPa，表明欄桿強度較富裕；扶手跨中截面和望柱頂部截面的實測最大水平位移分別為2.31(標載)、 4.23(超載)和8.84(標載)、13.78 mm(超載)，相對位移分別為L/1 732(標載)、L/945(超載)和H/149(標載)、H/96(超載)；扶手和望柱設計荷載撤除后的實測最大相對殘余位移約10 %，小于規范限值20 %；表明欄桿剛度滿足設計要求。圖7為欄桿扶手和望柱控制截面的實測荷載-位移曲線。由圖7可知，二者曲線在標載和超載下具有較好的線性關系，表明欄桿全程在接近線彈性的彈性狀態下工作。據此判定：欄桿設計荷載下的結構安全較富裕，超載50 %的結構安全有保證；荷載撤除后變形基本能恢復，超載使用的安全性比鋼、混凝土欄桿高。

圖7 欄桿扶手和望柱控制截面水平力作用下的荷載-位移曲線Fig.7 Load-displacement curves of the critical sections in the railing hand and baluster under the action of horizontal forces

表4中應力計算值與實測值差別較大的原因是欄桿排架各構件間的榫鉚連接及排架與望柱間的榫鉚連接準確模擬計算較難，在此偏危險地采用了鉸接約束進行模擬計算，使扶手和望柱接近單個桿件受力而將其應力算大了。但此工況的構件應力仍遠小于其強度，表明欄桿按此保守計算仍然安全且強度較富裕。

2.1.2 欄桿結構減重效果研究

圖2結構形式的FRP橋梁人行道欄桿，單側每延米自重約0.35 kN，約為鋼欄桿自重的1/4和混凝土欄桿自重的1/8。這種結構減重作用可有效地減輕橋面系恒載，使其在“橋梁向更大跨徑發展”的技術進步中有所作為和貢獻。

2.1.3 欄桿結構溫變位移效果研究

圖2結構形式的FRP橋梁人行道欄桿，因欄桿排架與望柱之間及欄桿排架內部各構件之間均采用密配合式榫鉚連接，各構件的軸向位移自由但其它方向位移受到約束，故欄桿能在保證其結構穩定的同時自由溫變伸縮位移；又因欄桿排架的扶手和橫欄兩端榫頭鉚入望柱對應榫槽中留有榫頭縱向伸縮裕量(每端2 cm)，故欄桿的最大縱向(順橋向)溫變伸縮位移可在望柱榫槽中自由實現且不露痕跡，并使其溫變伸縮位移不對橋梁上部結構產生附加位移約束。

2.2 FRP欄桿工程應用的功能效果研究

2.2.1 欄桿美觀功能效果研究

圖2結構形式的FRP橋梁人行道欄桿，結構形式簡單，結構線性流暢，具有美觀、大氣的外觀效果，特別適用于大、中跨徑公路橋梁和城市橋梁的人行道欄桿。

2.2.2 欄桿耐蝕功能效果研究

因FRP橋梁人行道欄桿的材料為玻璃纖維(GF)增強不飽和聚酯樹脂(UP)復合材料(GFRP)，自耐酸堿鹽介質腐蝕〔8〕，野外自然環境下的老化壽命大于50 a〔7〕，故欄桿使用期無銹蝕、老化破壞隱患，比鋼、混凝土欄桿更適用于腐蝕介質環境的橋梁。

2.2.3 欄桿保潔功能效果研究

圖2結構形式的FRP橋梁人行道欄桿，采用拉擠成型工藝工廠機械化成型欄桿構件，不僅構件的材料致密性好，而且構件表面光潔度高。欄桿這種材料致密和高光潔度效果，可降低欄桿構件表面的塵垢附著并使所附塵垢易被雨水沖洗干凈，表明FRP橋梁人行道欄桿的自身保潔性較優。

2.3 FRP欄桿工程應用的施工效果研究

2.3.1 欄桿工業化施工效果研究

圖2結構形式的FRP橋梁人行道欄桿施工，先工廠機械拉擠成型欄桿標準構件和數控機床機械成孔榫槽組裝成欄桿排架，再現場將欄桿排架與望柱通過榫鉚連接組裝成整體欄桿。因欄桿施工的大部份作業在工廠機械化完成，現場組裝在標準夾具定位下對位組裝，故欄桿的工業化施工程度高。

2.3.2 欄桿施工質量、工期控制效果研究

因FRP橋梁人行道欄桿施工的構件成型和排架組裝都在工廠機械化制造完成，不僅構件結構性能、尺寸精度和表面效果好，而且材料質量離散性、構件尺寸隨機性低和加工進度快，故欄桿工廠施工環節的質量、工期可控性強。又因欄桿現場組裝除跨中1個欄桿節段為非標準節段外，其余欄桿排架均為標準節段，可在標準夾具定位下快速、精確地裝入欄桿望柱對應榫槽內，再通過望柱預埋鋼板與人行道外縱梁內的預埋鋼板焊接連接，即可構成與外縱梁連成結構整體的標準化欄桿；并且，欄桿自由溫變伸縮位移可在每個欄桿節段內獨立完成的結構構造，使得欄桿的現場組裝可從橋梁兩端向中間同步安裝，最后1個非標節段的欄桿排架也可現場由標準排架切割成所需尺寸實現快速、精確安裝，故欄桿現場施工環節的質量、工期可控性也很強。

2.4 FRP欄桿工程應用的經濟效果研究

2.4.1 欄桿工程造價經濟效果研究

馮鵬等[5]研究認為FRP橋梁人行道欄桿的一期工程造價，高于混凝土欄桿，低于不銹鋼欄桿和鋁合金欄桿。2012年建成的圖2形式的云南龍陵縣香柏河大橋和龍川江大橋FRP橋梁人行道欄桿，一期工程造價為1 350元/m；同期建成的圖8形式的重慶東水門長江大橋鋼人行道欄桿，一期工程造價為1 260元/m。由此可見，FRP橋梁人行道欄桿的一期工程造價與鋼欄桿接近，但無鋼欄桿的后期防銹涂裝養護費用，故是一種工程造價較合理的欄桿形式。結合未來橋梁建設對欄桿提出的結構減重要求分析，混凝土欄桿在大跨徑和特大跨徑橋梁中的應用將受到嚴格限制，FRP橋梁人行道欄桿的工程造價經濟效果將更明顯。

圖8 重慶東水門長江大橋鋼人行道欄桿形式Fig.8 Shape of steel sidewalk railing in Chongqing Dongshuimen Yangtze River Bridge

2.4.2 欄桿后期維修養護經濟效果研究

FRP橋梁人行道欄桿自帶色彩成型，表面光潔度高，耐蝕性和保潔性優，野外自然環境下的老化壽命大于50 a〔7〕，故其使用期內既無鋼欄桿類似的日常涂裝養護，也無混凝土欄桿類似的破損、露筋維修。FRP橋梁人行道欄桿除人為破壞和不可抗力破壞的維修養護外，50 a設計使用年限內不需維修養護，故比鋼、混凝土欄桿維修養護大大節省。筆者設計建成的第1座FRP橋梁人行道欄桿(表1序號1欄桿)，至今13 a未做過維修養護，欄桿的外觀色彩效果幾乎沒有褪色改變。FRP橋梁人行道欄桿后期維修養護節省的經濟效果，對于腐蝕介質環境橋梁及后期維修養護較難實施且費用較高的公路橋梁和城市橋梁優勢更加明顯。

3 結 論

1)根據橋梁人行道欄桿“最優設計目標”和未來橋梁構件“結構減重”、“耐久性提高”及“實現工業化施工”技術要求，按照欄桿材料、構件形式、施工方式費效比最優原則進行比選設計。由GFRP欄桿排架與GFRP欄桿望柱通過榫鉚連接組成的FRP板條式柵欄型新型欄桿能滿足要求。

2)FRP橋梁人行道欄桿，經結構計算、結構試驗及工程應用檢驗證明，具有結構形式簡單、結構自重輕、超載安全性強、溫變伸縮自由且不露痕跡的結構效果；具有結構造型美觀，耐蝕性、保潔性優的功能效果；還有工業化施工程度高和質量、工期可控性強的施工效果及工程造價合理和使用期維修養護節省的經濟效果。

3)FRP橋梁人行道欄桿比鋼、混凝土欄桿技術、經濟綜合性能更優。對于腐蝕介質環境橋梁及后期維修養護較難或成本較高的橋梁，這種技術、經濟優勢更加明顯。

[1] 鄭繼光,孫福申,吳欽輝. 橋梁欄桿的設計與發展[J]. 吉林交通科技,1997(3):32-38. ZHENG Jiguang, SUN Fushen, WU Qinhui. Disign and development of the bridge railing[J].JilinScience&TechnologyofCommunications,1997(3):32-38.

[2] 姚陽,張煒. 橋梁欄桿造型設計剖析[J]. 重慶交通學院學報,2005,24(2):22-25. YAO Yang, ZHANG Wei. A dissection of bridge balustrades shape design [J].JournalofChongqingJiaotongUniversity,2005,24(2):22-25.

[3] 張錫祥,巫祖烈,楊忠,等. 高耐久性FRP橋梁結構、構件的研究與實踐 [J]. 重慶交通大學學報(自然科學版),2011,30(增刊2):1224 - 1231. ZHANG Xixiang, WU Zulie, YANG Zhong, et al. Research and practice in the high durable FRP bridge structure and member[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience),2011,30(Sup2):1224-1231.

[4] 李志仁. 嫩江公路鋼橋玻璃鋼欄桿[J]. 重慶交通學院學報,1990,9(2):79-82. LI Zhiren. GFRP railing of Nen river highway steel bridge[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity,1990,9(2):79-82.

[5] 馮鵬, 齊玉軍,葉列平,等. GFRP欄桿的受力性能及其結構安全研究[J]. 玻璃鋼/復合材料,2010(6):48-54. FENG Peng, QI Yujun, YE Lieping, et al. Mechanical performance and safety analysis of GFRP railing system [J].FiberReinforcedPlastics/Composites,2010(6):48-54.

[6] 巫祖烈,桂濤峰,張錫祥. 新型復合材料橋梁人行道欄桿結構性能研究[J]. 山東交通學院學報,2012,20(4):62 - 66. WU Zulie, GUI Taofeng, ZHANG Xixiang. Study on the structural performance of the bridge sidewalk balustrades of new composite materials[J].JournalofShandongJiaotongUniversity,2012,20(4):62 - 66.

[7] 鐘云. 玻璃鋼管道的應用[J]. 玻璃鋼/復合材料,1997(1):31-35. ZHONG Yun. The application of GFRP pipes[J].FiberReinforcedPlastics/Composites,1997(1):31-35.

[8] 化學工業部化工機械研究院. 腐蝕與防護手冊:耐蝕非金屬材料及防腐施工[M]. 北京:化學工業出版社,1991:307-311. Chemical Mechanism Institute of the Chemical Industry Department.TheHandbookofCorrosionandProtection:CorrosionResistanceNon-metalMaterialsandCorrosionProtectionWork[M]. Beijing : Chemical Industry Press,1991:307-311.

Engineering Application Effect of FRP Sidewalk Railing in the Bridge

CUI Xuechang1, ZHANG Xixiang2, WU Zulie2

(1. Yunnan Baoshan Management Department of Major Highway Construction, Baoshan 678000, Yunan,P.R.China;2. Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074,P.R.China)

The novel study results of engineering application effect for a new type of fiber reinforced polymer (FRP) sidewalk railings in the bridge were introduced, which was based on the structure form design, structure stressing calculation, structure model experiment and engineering application test of the real railing in the bridge. The structure form of this new type of FRP railing was a fenced one made of FRP pultrusion standard components within a tenon riveting joint process. The proposed railing had advantageous structure effect, such as simple structure form, the reduced self-weight, the improved security in the case of overloading, as well as the free and unmarked deformation under temperature variation. It had advantageous function effect of beautiful appearance, excellent corrosion resistance and cleaning performance. It also had advantageous construction effect of highly industrialized process and strong controllability of quality and duration; meanwhile, it had advantageous economic effect of reasonable engineering cost and economized maintenance and conservation cost in the service time. This new type of railing is of both significant technological and economic advantages, especially for those bridges in corrosive medium environment and with difficulties or higher costs in the post maintenance and conservation.

bridge engineering; fiber reinforced polymer; sidewalk railing in the bridge; engineering application effect

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.03.05

2015-03-26；

2015-05-29

重慶交通大學山區橋梁結構與材料教育部工程研究中心開放基金項目(QLZX-2012-4)

崔學常(1964—),男，云南保山人，高級工程師，主要從事路橋新技術、工程設計和施工管理方面的研究。E-mail:1033371284@qq.com。

張錫祥(1954—),男，四川大竹人，教授級高級工程師，主要從事復合材料橋梁結構方面的研究。E-mail:cqjdzxx@163.com。

U433.33

A

1674-0696(2016)03-022-05