橋梁結構設計中FRP力學性能的運用

王東波

（中鐵十二局集團有限公司勘測設計分公司， 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施， 其結構強度和服務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)鋼筋混凝土結構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生了巨大的影響。 因此， 如何解決傳統(tǒng)結構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合材料（FRP） 的出現(xiàn)， 也給橋梁結構設計提出了一種新的方案， 該種材料的應用在一定程度上也有效的提高了橋梁結構強度[2]。

1 FRP在橋梁工程當中的應用優(yōu)勢

傳統(tǒng)混凝土橋梁由于其受力條件相對復雜， 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構的設計和研究也成為基建行業(yè)發(fā)展的必然方向[3]。 近年來， 隨著科學技術的不斷發(fā)展， 各種新材料也被應用在建筑工程行業(yè)當中， 其中在橋梁工程當中FRP便有著良好的應用， 該種材料在橋梁結構設計當中的應用具有如下幾種優(yōu)勢： 1） 能夠有效加快橋梁架設施工速度。 相比較傳統(tǒng)鋼筋混凝土橋梁建設而言， FRP材料的應用能夠有效的提高施工速度， 在架設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， 在橋梁設計當中的應用相比較傳統(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 橋梁結構設計中FRP力學性能的運用

2.1 輕質FRP橋梁

2.1.1 結構形式

輕質FRP橋梁主要作為人行天橋來使用， 其中所應用的主要建材為FRP材料， 該種材料的應用能夠有效的降低橋梁的自重。 目前， 在我國各地所應用的FRP輕質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件為拉擠型材質， 在實際連接過程中以螺栓或黏結為主； 2） 梁式橋。 梁式橋是目前我國橋梁建設應用最廣泛的一種橋梁結構形式， 主要利用斷面較大的拉擠型材或RTM型材為主梁結構； 3） 斜拉橋。 此種橋梁形式在建設過程中將FRP材料應用在主梁和橋塔等部位， 以此來提高橋梁的結構強度和耐久性； 4） 吊橋。 顧名思義， 該種橋梁結構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FRP吊橋橋梁建設過程中， 主梁采用FRP材料， 如此能夠提高橋梁的強度。

2.1.2 力學性能分析

經(jīng)過對輕質FRP橋梁結構的力學情況進行分析時發(fā)現(xiàn)， 該種類型橋梁雖然剛度較小， 但實際承載能力較強， 因此在設計過程中應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， 此時根據(jù)對橋梁受力情況分析發(fā)現(xiàn)，橋梁結構材料利用率低于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構強度和穩(wěn)定性的關注， 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橋梁結構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)結構破壞之前， 整個橋梁的結構變形較為明顯。 在試驗當中，F(xiàn)RP架構在變形達到1/40 跨長時， 構件并沒有出現(xiàn)破壞， 在持續(xù)提高橋梁承載力后， 結構才發(fā)生破壞，經(jīng)過多次試驗， 結構破壞時載荷并不固定， 因此需要根據(jù)FRP橋梁結構變形程度來進一步判斷其承載力的極限。

2.1.3 設計計算

在試驗當中， 針對FRP橋梁結構設計進行力學載荷計算時， 需要將FRP材料的線彈性考慮在內，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橋梁的結構強度。 從整個結構強度方面來看， 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用FRP材料， 應當針對FRP材料的剪切變形進行科學的計算， 在計算過程中應當通過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用需求。

2.2 快速架設應急FRP橋

2.2.1 結構形式

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

2.2.2 關鍵設計問題

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

2.3 FRP橋面板

2.3.1 結構形式

FRP橋面板是當前橋梁結構設計當中應用最廣泛的構件之一， 通常情況下， FRP橋面板結構形式以夾芯板、 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， 該種板材結構性能良好， 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用過程中具有零號的適應性， 能夠通過建設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 力學性能分析

在FRP橋面板的實際應用過程中， 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生一定的扭矩， 再加上FRP材料的各項性能， 這也導致整個FRP橋面板內力分析更為復雜。 除此之外， FRP材料具有較強的設計性， 在應用過程中能夠使用多種設計工藝， 因此FRP橋面板也能夠根據(jù)實際需求來進行設計加工， 進而提高整個橋面板的適用性和性能。 與此同時， 在確定橋梁結構形式的基礎上， 還可通過科學的手段來進一步優(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， 結構形式設計是決定整個FRP橋面板性能的關鍵所在， 并且在后期附加支持結構的輔助下，整個FRP橋面板的性能也有著極大的提升， 對于提高橋梁結構強度和使用壽命有著重要的作用。

3 利用FRP材料加固危橋實例

3.1 工程概況

某地雨棚建設主要采用三角形桁架結構， 其中所有構件均為FRP材質。 雨棚頂部結構三角形桁架高度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： 桁架結構中的上弦桿、 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、 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

雨棚三角桁架結構采用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 計算結果

經(jīng)過對雨棚桁架計算模型的力學性能分析， 發(fā)現(xiàn)上弦桿兩單元最大拉應力為19.6MPa， 最大壓應力為37.4MPa； 而由下弦桿以及腹桿所構成的桁架單元最大拉應力為15.3MPa， 最大壓應力為0.7MPa。 由此可知設計值遠大于構件所產生的實際應力。 在FRP雨棚建立過程中， FRP材料是桁架結構件設的關鍵，因此需要針對FRP型材力學性能進行計算， 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構設計， 為了確保承載力能夠達到預期要求水平， 因此在內外板粘接過程中采用玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復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。 膠粘劑為某地生產的工程復合材料， 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安全要求。

4 結語

綜上所述， 橋梁是當前社會經(jīng)濟發(fā)展的重要交通設施， 良好的橋梁建設對推動我國社會的可持續(xù)發(fā)展有著重要的作用。 隨著新材料技術的研發(fā)， FRP材料也被應用在橋梁建設過程中， 經(jīng)過當前各專家學者對FRP材料力學性能的研究， 也逐步將該類材料應用在各種橋型結構方面， 這不僅能夠有效的加快橋梁工程的施工進度， 對提高橋梁結構強度和使用壽命也有著重要的作用。 但從實際情況， 應用FRP材料進行橋梁設計需要耗費更大的成本， 因此相關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用于我國基建設置， 這對于推動我國經(jīng)濟增長也有著重要的作用。