FRP-混凝土組合梁在中小跨徑公路橋梁中的設(shè)計(jì)方法

周 丹

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 沈陽(yáng)市 110166)

1 工程背景及問(wèn)題的提出

FRP材料是一種高性能復(fù)合材料，是以樹(shù)脂做基本材料，以非金屬纖維作增強(qiáng)材料。FRP材料具有輕質(zhì)高強(qiáng)、高耐腐蝕等特點(diǎn)。近些年來(lái)FRP型材與一些材料(鋼材、混凝土)等形成組合結(jié)構(gòu)，用在橋梁工程上以人行橋居多。FRP材料沒(méi)有在橋梁領(lǐng)域大面積應(yīng)用，主要是因?yàn)镕RP型材在公路橋梁領(lǐng)域應(yīng)用缺乏相應(yīng)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，更沒(méi)有可靠的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。另一方面是因?yàn)镕RP材料價(jià)格偏高，即使后期養(yǎng)護(hù)成本遠(yuǎn)低于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)且安裝快捷方便，更多的工程師還是會(huì)因?yàn)槠湓缙谳^高的價(jià)格有所顧慮[1]。FRP材料目前作為混凝土、鋼材等傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料的重要補(bǔ)充[2]。

為了推進(jìn)新材料在遼寧省的應(yīng)用和研究，依托中小跨徑公路橋梁進(jìn)行FRP試驗(yàn)橋工程設(shè)計(jì)，以期對(duì)FRP-混凝土組合梁的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究，得到可以推廣應(yīng)用的適用于中小跨徑的FRP-混凝土組合梁的設(shè)計(jì)方法。

1.1 工程背景

試驗(yàn)橋(姜屯橋)位于遼寧省新民市北西線。試驗(yàn)橋上部結(jié)構(gòu)為FRP-混凝土組合簡(jiǎn)支梁橋，跨徑為10.0m，橋?qū)挒?m?；炷翗蛎姘搴?5cm，F(xiàn)RP工字梁高60cm。如圖1(a)所示。

6m寬FRP工字梁是由24片25cm寬度的單片工字梁組成，相鄰單片工字梁的上下緣交界咬合處通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂連接。橫向布置不銹鋼通絲螺栓。通絲螺栓穿過(guò)工字梁腹板，并與腹板螺栓連接。通絲螺栓縱橋向每1.5m間距范圍上下布置一道?；炷翗蛎姘迮cFRP工字梁采用預(yù)埋連接鋼筋(螺栓)連接。如圖1(b)、圖1(c)所示。下部結(jié)構(gòu)采用混凝土輕型橋臺(tái)及淺基礎(chǔ)基礎(chǔ)。

1.2 問(wèn)題提出

(1)FRP型材材料性能

FRP材料作為一種各向異性材料，其材料性能與采用的基材種類(lèi)、生產(chǎn)條件、生產(chǎn)工藝等多方面因素相關(guān)。所以獲得試驗(yàn)橋FRP材料的性能指標(biāo)是得到該實(shí)驗(yàn)橋模型準(zhǔn)確受力性能的基礎(chǔ)。

(2)連接性能研究

連接節(jié)點(diǎn)是 FRP橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一個(gè)難點(diǎn)[1]，本設(shè)計(jì)連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)為FRP型材之間的橫向連接。FRP型材之間的橫向連接采用混合連接方法，工字梁之間采用卡槽環(huán)氧樹(shù)脂連接和不銹鋼通絲螺栓機(jī)械連接的組合連接方式，由于單片工字梁之間環(huán)氧樹(shù)脂膠結(jié)的連接性能受環(huán)境影響較大，其連接性能不好預(yù)測(cè)，整體橫向連接性能將受到影響。

2 計(jì)算工況及計(jì)算模型

為了解決以上問(wèn)題，從以下幾個(gè)方面開(kāi)展FRP-混凝土組合梁的受力性能分析。

2.1 材料性能獲取

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定FRP材料參數(shù)性質(zhì)。對(duì)試驗(yàn)橋預(yù)使用的FRP型材材料取樣，進(jìn)行拉伸、壓縮、彎曲、縱橫剪切及泊松比測(cè)定試驗(yàn)，得到材料平均的彈性模量和強(qiáng)度，為FRP-混凝土組合梁橋受力性能研究提供可靠的依據(jù)。

根據(jù)纖維增強(qiáng)材料試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，取得試驗(yàn)型材。試驗(yàn)試件及模型梁如圖2所示。

圖2 FRP試驗(yàn)及模型梁

得到試驗(yàn)橋梁FRP型材材料的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的材料性能指標(biāo)，均符合《纖維增強(qiáng)復(fù)合材料拉擠型材結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(征求意見(jiàn)稿)中M23級(jí)FRP力學(xué)性能要求。

2.2 計(jì)算工況及模型建立

為了解FRP-混凝土組合梁的受力性能，解決設(shè)計(jì)過(guò)程中的問(wèn)題，建立以下三個(gè)工況進(jìn)行分析。計(jì)算有限元模型采用MADIS進(jìn)行建模計(jì)算。混凝土橋面板采用實(shí)體單元，F(xiàn)RP采用板單元，單元之間的連接情況根據(jù)工況不同采用不同方法。約束采用支點(diǎn)位置節(jié)點(diǎn)一般支撐模擬橡膠板支座。設(shè)計(jì)荷載的采用：根據(jù)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)橋所在道路等級(jí)，設(shè)計(jì)荷載采用公路-Ⅱ級(jí)。

工況一：對(duì)整體FRP工字梁總體受力狀況進(jìn)行分析。通過(guò)此工況了解未組合混凝土橋面板的FRP工字梁的各向應(yīng)力狀態(tài)、撓度等受力性能?；炷翗蛎姘灏凑諏?shí)際重量以荷載形式施加于FRP梁上。模型見(jiàn)圖3。

圖3 FRP工字型梁模型

工況二：對(duì)FRP-混凝土組合梁總體受力狀況進(jìn)行分析。通過(guò)此工況可以得到FRP-混凝土組合梁各向應(yīng)力狀態(tài)、撓度等受力性能。此工況為試驗(yàn)橋總體設(shè)計(jì)提供依據(jù)。模型見(jiàn)圖4。

圖4 FRP-混凝土組合梁模型

工況三：對(duì)FRP-混凝土組合梁在FRP單片縱梁之間連接減弱情況下橫向通絲螺栓受力性能進(jìn)行分析。此工況為橫向連接局部設(shè)計(jì)提供依據(jù)。單片縱梁之間的減弱用節(jié)點(diǎn)斷開(kāi)模擬。連接減弱范圍取跨中縱橋向3.5m，橫橋向2.5m范圍。

3 計(jì)算模型結(jié)果分析

計(jì)算荷載組合采用《纖維增強(qiáng)復(fù)合材料拉擠型材結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(征求意見(jiàn)稿)中承載能力極限狀態(tài)基本組合方法進(jìn)行荷載組合。

3.1 工況一模型結(jié)果

順橋向拉應(yīng)力18.5MPa，壓應(yīng)力41.6MPa。順橋向拉應(yīng)力出現(xiàn)在底板跨中位置，壓應(yīng)力出現(xiàn)在頂板跨中位置。橫橋向拉應(yīng)力43.8MPa，壓應(yīng)力56.7MPa 。由于FRP型材剛度較小，車(chē)輪荷載對(duì)FRP翼緣板的局部受力成為主要控制應(yīng)力，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在車(chē)輪跡線附近翼緣板懸臂位置。最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在輪跡線附近腹板上方。最大剪應(yīng)力78.4MPa。最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在支點(diǎn)附件翼緣輪跡線位置。恒載作用下，跨中撓度為6mm。移動(dòng)荷載作用下，跨中撓度為22mm。

3.2 工況二模型結(jié)果

順橋向拉應(yīng)力17.3MPa，壓應(yīng)力19.2MPa。均出現(xiàn)在跨中頂?shù)装逦恢锰?。橫橋向拉應(yīng)力9.2MPa，壓應(yīng)力10.3MPa，最大拉壓應(yīng)力出現(xiàn)在輪跡線附近位置。最大剪應(yīng)力8.4MPa。最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在支點(diǎn)附近FRP梁腹板上部位置。恒載作用下?lián)隙?.3mm；移動(dòng)荷載作用下?lián)隙?.6mm。

從工況1和工況2的結(jié)果對(duì)比表(表2)可以看出，F(xiàn)RP-混凝土組合梁較FRP工字梁在正應(yīng)力、剪應(yīng)力及撓度方面結(jié)構(gòu)的受力狀況均有較大改善。

表2 第一、二工況基本組合應(yīng)力結(jié)果對(duì)比表(MPa)

3.3 橫向通絲螺栓應(yīng)力

橫向通絲螺栓在FRP單片工字梁翼緣連接完好及橋面板處于彈性工作狀態(tài)的情況下，通絲螺栓可以看作是以FRP梁腹板為支點(diǎn)的連續(xù)梁結(jié)構(gòu)。如果FRP各個(gè)單片梁之間連接部分失效，橫向通絲螺栓的應(yīng)力狀態(tài)必然會(huì)受到影響，為了確保通絲螺栓的受力處于可控狀態(tài)?，F(xiàn)對(duì)FRP單片梁翼緣之間不同連接狀況下的通絲螺栓的受力狀態(tài)進(jìn)行分析驗(yàn)算，共分為四種連接狀態(tài)，四種連接狀況均認(rèn)為混凝土橋面板處于彈性工作階段。

3.3.1連接狀態(tài)①： FRP頂板底板翼緣連接均有效

在橋面板及FRP梁橫向連接牢固的情況下，橫向通絲螺栓位于跨中的通絲螺栓應(yīng)力最大，以下連接狀態(tài)均以跨中部位通絲螺栓作為分析對(duì)比對(duì)象。在頂?shù)装逡砭夁B接有效的情況下，此通絲螺栓應(yīng)力情況如圖5。

圖5 連接狀態(tài)① 跨中通絲螺栓基本組合應(yīng)力圖

連接狀態(tài)①基本組合作用下上層通絲螺栓最大拉應(yīng)力為33.5MPa，最大壓應(yīng)力為28.4MPa；下層通絲螺栓最大拉應(yīng)力為22.7MPa，最大壓應(yīng)力為30.5MPa。通絲螺栓下對(duì)應(yīng)位置底板最大拉應(yīng)力為2.6MPa。

3.3.2連接狀態(tài)②： FRP梁之間頂板翼緣連接失效，底板翼緣有效連接

連接狀態(tài)②基本組合作用下通絲螺栓的最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在縱橋向的跨中部分，上層通絲螺栓最大拉應(yīng)力為56.8MPa，最大壓應(yīng)力為43.5MPa；下層通絲螺栓最大拉應(yīng)力為41.7MPa，最大壓應(yīng)力為-45.9MPa。如圖6所示。通絲螺栓下對(duì)應(yīng)位置底板最大拉應(yīng)力為2.8MPa。

圖6 連接狀態(tài)② 跨中通絲螺栓基本組合應(yīng)力圖

3.3.3連接狀況③： FRP頂板翼緣連接牢固，底板翼緣連接失效

連接狀態(tài)③基本組合作用下通絲螺栓的最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在縱橋向的跨中部分，上層通絲螺栓最大拉應(yīng)力為56.1MPa，最大壓應(yīng)力為40.6MPa；下層通絲螺栓最大拉應(yīng)力為31.5MPa，最大壓應(yīng)力為35.0MPa。如圖7所示。通絲螺栓下對(duì)應(yīng)位置底板最大拉應(yīng)力為0MPa，相鄰未斷開(kāi)底板應(yīng)力為4.7MPa拉應(yīng)力。

圖7 連接狀態(tài)③ 跨中通絲螺栓基本組合應(yīng)力圖

3.3.4連接狀況④：FRP頂?shù)装逡砭夁B接均失效

連接狀態(tài)④基本組合作用下通絲螺栓的最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在縱橋向的跨中部分，上層通絲螺栓最大拉應(yīng)力為56.6MPa，最大壓應(yīng)力為40.8MPa；下層通絲螺栓最大拉應(yīng)力為31.8MPa，最大壓應(yīng)力為35.4MPa。如圖8所示。通絲螺栓下對(duì)應(yīng)位置底板最大拉應(yīng)力為0MPa，相鄰未斷開(kāi)底板應(yīng)力為4.7MPa拉應(yīng)力。

圖8 連接狀態(tài)④ 跨中通絲螺栓基本組合應(yīng)力圖

從表3中可以看出，上緣通絲螺栓的最大拉(壓)應(yīng)力頂?shù)装逡砭夁B接部分失效后，應(yīng)力增大1.5～1.6倍。下緣通絲螺栓的最大拉(壓)應(yīng)力頂?shù)装逡砭夁B接部分失效后，應(yīng)力增大1.4～1.8倍。連接狀態(tài)③④中，底板局部斷開(kāi)，下緣通絲螺栓拉壓應(yīng)力比連接狀態(tài)②有所減小。查看三種狀況的底板應(yīng)力狀態(tài)云圖，可以看出，由于底板部分?jǐn)嚅_(kāi)，大部分的橫向應(yīng)力由斷開(kāi)處底板以外的橫向其他底板承擔(dān)，斷開(kāi)部分下緣通絲螺栓反倒因?yàn)榈装鍛?yīng)力的轉(zhuǎn)移，而應(yīng)力有所減小。

表3 第一、二工況FRP工字梁基本組合通絲螺栓應(yīng)力結(jié)果對(duì)比表(MPa)

4 結(jié)論與展望

(1)基于FRP這種新型材料特性及FRP-混凝土組合梁橋新型組合結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，以新民試驗(yàn)橋作為依托對(duì)象，對(duì)FRP-混凝土組合梁橋設(shè)計(jì)過(guò)程的關(guān)鍵設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算及結(jié)果對(duì)比分析。整個(gè)設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果均在規(guī)范允許范圍內(nèi)，試驗(yàn)橋?qū)嵤┛尚小?/p>

(2)通過(guò)對(duì)整體FRP工字梁模型計(jì)算與FRP-混凝土組合梁的對(duì)比分析，組合結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀況更好，剛度明顯增大，彌補(bǔ)了FRP材料剛度較小的材料特性。

(3)FRP-混凝土組合梁橫向連接主要靠FRP各個(gè)單片工字梁之間翼緣的咬合膠結(jié)連接和橫向通絲螺栓。通過(guò)對(duì)四種連接狀態(tài)的模擬，得到局部的FRP頂?shù)装逡砭壷g的連接失效后橫向通絲螺栓的應(yīng)力狀態(tài)。連接局部失效后，通絲螺栓應(yīng)力在允許應(yīng)力范圍內(nèi)。

(4)FRP-混凝土組合梁的受力特性比較復(fù)雜，除了橫向通絲螺栓與FRP腹板的連接之外，混凝土板和FRP之間的連接也是一個(gè)難點(diǎn)，此部分的應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，后續(xù)除了進(jìn)行有限元模型模擬分析之外，還將在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行足尺模型試驗(yàn)，為理論計(jì)算和設(shè)計(jì)提供依據(jù)。