淺談橋梁FRP夾芯板埋件系統驗證和優化設計

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、可塑性強的優點，已經在國內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，將充分發揮其強度高、可塑性強的優點，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橋梁工程中首次大量使用，埋件系統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，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內面層組成。裝飾塊體通過埋件系統、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 夾芯板埋件系統概述

每塊夾芯板內根據受力計算設計3～5個預埋連接件，預埋系統節點設計是整個方案里最重要的環節，預埋系統沒有可以借鑒的施工經驗及方法，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，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 夾芯板埋件系統示意圖

2 拉壓試驗樣件制作

由于該預埋系統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，對預埋節點做等比實體模型，根據ansys計算結果，受力最大的埋件系統拉壓應力為100 kN，以此設計試驗荷載。

2.1 試驗樣件尺寸確定

設計、施工等各方根據試驗指標和計算模擬分析，確定了埋件系統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

預埋件糊制由專業廠家嚴格按照設計文件和規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、預埋系統安裝、內面層糊制、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。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拉壓試驗裝置，通過液壓讀數千斤頂進行加載，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次循環拉壓試驗，最大加載力為200 kN。為了后期檢驗塊體內部細節破損情況，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、壓試驗現場照片如圖6所示。

圖6 拉、壓試驗現場圖

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 試驗數據分析

FRP夾芯板預埋系統抗拉試驗數據見表1。

表1 FRP夾芯板預埋系統抗拉試驗數據記錄表

由此可見，FRP夾芯板預埋系統四次抗拉試驗累計形變分別為27 mm、24 mm、25 mm和24 mm。FRP夾芯板預埋系統四次抗壓試驗累計形變分別為30 mm、23 mm、25 mm和24 mm，數據表格不再羅列。

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，又根據設計要求進行了50次拉壓循環試驗，形變與前四次基本一致。最終數據反饋給設計，滿足了設計強度和撓度要求。

根據現場實驗結果，該預埋系統在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。樣件本身的變形處于設計允許范圍內，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，需要通過分析其內部變化情況優化鋪層方案。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內外面層協同受力的情況，通過觀察夾心泡沫與FRP內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內部的情況，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圖

從井字肋斷面處可以看出內部的夾心泡沫出現分層現象，出現該情況的主要原因是連接FRP內外面層與井字肋的纖維鋪層出現過大的集中形變，夾心泡沫上下表面是與內外面層粘合在一起的，面層的形變導致泡沫分層。通過拉壓循環試驗可以推斷泡沫在預埋系統受力中起的作用不是很大，通過加強內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，樣件經拉壓試驗后，其外觀整體及耳板連接處未見有破壞現象，FRP內外面層本身均無破壞現象。內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，井字肋范圍內出現部分泡沫橫向裂紋和分層破壞，需要在鋪層方案上進行優化。

5.4 鋪層方案優化

糊制在外面層內側的鋼板通過纖維鋪層與外面層形成整體。預埋系統在受拉時，外面層受拉向內側出現位移，外面層的拉力通過井字肋傳遞至內面層，主要體現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面層受拉。預埋系統在受壓時，內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分層說明此處變形已經超過夾心泡沫本身的極限。為此要加強預埋系統井字肋范圍內的鋪層厚度及方式，盡量減少受力時內外面層的集中形變。

為解決預埋系統根部變形，從以下三點優化原鋪層方案：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小；井字肋四周由原來的豎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面層同時糊制，下端與下墊板連接，形成側向U型。

優化后的預埋系統將更有利于內外面層協同受力，減小預埋件位置的變形，從而更加保證預埋系統受力性能。埋件系統鋪層工藝優化方案如圖11、圖12所示。

圖11 鋪層工藝優化方案分解示意圖

圖12 預埋系統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受力性能展開試驗分析研究，通過自主研發的試驗裝置進行了埋件系統的拉拔性能試驗及2倍最大荷載的50次循環試驗，驗證了埋件系統的受力性能。通過對試驗后的塊體進行了切割研究，優化了埋件系統根部鋪層設計方案，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。