大跨GFRP桁架管道橋設計探索

李孟然，孟 江

(黃河勘測規(guī)劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003)

1 概述

我國市政管線過河方式一般采用下穿或上跨，上跨方式可以依附交通橋敷設或單獨架設管道橋。管道橋常用的材料有混凝土和鋼材，如果采用輕質高強的GFRP[1]材料，既可以縮短工期又可以節(jié)省投資。與初期的GFRP橋梁不同，近年建成的GFRP橋梁是指采用拉擠、真空輔助灌注等工業(yè)化成型工藝，由高性能增強復合材料型材構成的具有穩(wěn)定力學性能和使用性能的橋梁或橋梁部件，具有工業(yè)化、標準化的特點，能滿足工程建設大用量的需求。

GFRP質量密度僅為鋼材的1/4，桁架自重更輕，運輸和架設難度更??；GFRP型材具有高于鋼材的抗腐蝕性能，能夠保證長期使用的可靠性和提高結構的安全性，降低維護運營成本；GFRP型材可以根據(jù)需要生產出不同顏色，保證耐久性同時增強了橋梁的景觀效果。

目前，針對新建GFRP材料結構的研究，國內尚處于起步階段，積累的實驗數(shù)據(jù)、工程經驗很少，加之國內規(guī)范、標準的頒布實施還遠不能滿足行業(yè)發(fā)展的需要[2-4]，目前國內GFRP桁架橋跨徑普遍小于40 m。

2 總體設計

GFRP桁架管道橋結構設計需要確定合理的結構體系、截面型式和尺寸，關鍵是合理的連接構造。與鋼結構橋梁一樣，主受力桿件也需要進行強度、剛度和穩(wěn)定性驗算。

某給水管道橋，給水管道管徑為φ430 mm×10 mm，設計工作壓力為1.6 MPa，試驗壓力為2.1 MPa，給水管道支撐于GFRP桁架管道橋上，橋長260 m，跨徑組成為(2×45+2×50+2×35)m，桁架高1.95 m，支撐于主橋各墩臺的蓋梁上。管道橋建成后實景圖如圖1所示。

3 材料性能參數(shù)

GFRP材料結構設計除了具有包含材料設計內容的特點外，就結構設計本身而言，無論在設計原則、工藝性要求、容許值與安全系數(shù)確定、設計方法等方面都有其自身的特點，不能完全沿用金屬結構的設計方法。GFRP材料的形成工藝采用具有穩(wěn)定質量保證的拉擠技術，拉擠成型工藝具有高度自動化生產的特點，產品質量穩(wěn)定可控，但受設備能力限制，制品截面一般較小，已經在國內外廣泛應用于各種FRP型材的生產。設計中采用的GFRP材料性能參數(shù)見表1。

表1 GFRP材料性能參數(shù)表

GFRP材料與鋼材相比，具有以下顯著特點：

1)抗拉強度較鋼材更高，但材質各向異性，抗剪和抗多軸向力強度較鋼材低；2)彈性模量較鋼材低；3)疲勞性能較鋼材更好；4)重量較鋼材輕，為鋼材的1/4；5)抗腐蝕性能較鋼材更好；6)熱膨脹系數(shù)較鋼材低；7)應力-應變曲線呈線性分布；8)非磁性材料。

4 結構計算與分析

4.1 計算模型

桁架橋結構分析采用空間桿系通用有限元軟件Midas/Civil進行計算，全橋共離散為2 819個空間桿系單元，1 431個節(jié)點，計算模型如圖3所示。

計算中重點考慮以下兩個難點：

1)桁架與管道間支座高度計算。模型計算時采用先加載管道荷載后得到桁架橋的撓度，根據(jù)計算得到的撓度確定支座的高度，進一步得到支座重量，再將支座重量加載到桁架橋計算模型中，迭代得到再計入支座自重后的桁架橋撓度，并以此迭代直至收斂。

2)抗拉模量與抗壓模量不一致。將GFRP材料定義為兩種材料，模量分別采用抗拉模量和抗壓模量，并對原始模型賦予一種材料，并將計算結果分離出受拉單元和受壓單元，并據(jù)此賦予不同的材料，通過多次迭代直至單元的受力狀態(tài)穩(wěn)定。

4.2 桁架桿件計算結果

桁架桿件內力計算結果見表2，應力驗算結果見表3。

表2 桿件軸力表 kN

由表3可以看出，桁架桿件最大拉應力61.3 MPa，小于允許拉應力300 MPa；最大壓應力60.6 MPa，小于允許壓應力240 MPa。拉壓應力均滿足要求。

表3 桁架應力驗算結果 MPa

4.3 節(jié)點連接強度驗算

桁架節(jié)點采用膠栓連接(螺栓連接和膠接并用)方式。施工采用的膠粘劑，必須具有由建設部建筑物鑒定與加固規(guī)范管理委員會評定的A級膠認證報告；膠粘劑的毒性檢驗，要求固化后膠粘劑應達到實際無毒的衛(wèi)生等級。膠粘施工及驗收標準應滿足GB 50550—2010建筑結構加固工程施工質量驗收規(guī)范及相關規(guī)范要求。桁架橋中螺栓均采用M20鋼螺栓。橫向連接桿采用鋼制M24鋼螺栓。

根據(jù)膠栓連接破壞模式可知，膠栓連接中膠接先破壞后，螺栓連接破壞，但是膠栓連接承載力大于螺栓連接。為安全起見，此處僅計算螺栓連接強度。

由于螺栓最大間距L=7 cm<15d0=15×2=30 cm，故可認為每個螺栓平均分擔剪力。螺栓連接強度驗算結果見表4。

表4 連接強度驗算 kN

4.4 桁架穩(wěn)定驗算

桁架桿件穩(wěn)定計算參照《鋼結構設計規(guī)范》，構件長細比λ按照下列規(guī)定確定：

λx=l0x/ix,λy=l0y/iy。

其中，l0x,l0y分別為構件對主軸x,y的計算長度；ix,iy分別為構件截面對主軸x,y的回轉半徑。

桁架桿件長細比計算結果見表5。

表5 桁架各桿件長細比計算表

5 結語

GFRP桁架管道橋將新材料特性與結構受力特點完美結合，證明了GFRP材料應用于橋梁工程的可行性。雖然國內的新型GFRP橋梁應用剛開始起步，但是隨著生產規(guī)模增大，制造工藝改進，GFRP橋梁的成本必將下降[5-6]。目前該橋已經建成運營，為同類型工程設計積累了寶貴的經驗。