一种基于FRP的便携式整体预制圬工拱桥结构

邓 拓 郑 愚 林容辉 曾宪彬 彭晋轩

一种基于FRP的便携式整体预制圬工拱桥结构

邓 拓 郑 愚 林容辉 曾宪彬 彭晋轩

（东莞理工学院 建筑工程系，广东东莞 523808）

采用柔性纤维材料作为结构增强构件建立了一种基于FRP的新型预制圬工拱桥结构来增强结构可持续性。该结构体系不需要进行现场浇筑和使用钢筋作为配筋材料，施工中仅需要将扁平封装好的预制拱圈在现场吊装成圬工拱体即可。采用结构试验的方法对该圬工拱桥结构进行分析，分析结果表明该结构体系的承载能力和变形情况均满足现行规范的要求。

FRP；圬工拱桥；施工工艺；结构试验

随着经济的飞速发展，国内外对拱桥发展有关新材料、新工艺等方面都进行了探索和创新，而传统的圬工拱桥由于施工繁琐等问题慢慢被取代。但是在交通不方便的山区，圬工拱桥有就地取材、结构安全适用、技术成熟、工程费用低等特点，并且从美学的角度来看，结构造型、线条优美，与环境协调性好。传统圬工拱桥的施工方法主要是支架法施工，即在主拱正下方搭设木脚架或钢脚架，然后在脚架上修建主拱圈，该施工方法对桥下地形、地基等条件要求较高，通常在拱肋离地面不高、桥下无水等情况下采用［1］。

在本次试验中所研究的新型拱桥体系，采取整体的预制和现场吊装，从而解决了拱桥施工难度大、繁琐的问题。采用纤维增强材料（FRP）格栅布作为拱圈顶部的连接构件，不仅提高了拱桥的整体稳定性，而且FRP材料良好的抗酸化性能有效地避免了钢筋腐蚀而引起的结构耐久性问题［2，3］。同时，FRP材料的弹性模量较低，允许的变形量较大，因此该预制拱桥有着较高的灵活性，不必在预制过程中提前成拱而可以在施工现场吊装成拱，便于预制构件运输。相对于传统的圬工拱桥结构，该便携式整体预制圬工拱桥结构有以下特点：1）采用FRP格栅布通过高强树脂粘结在主拱圈顶部，并用螺栓固结在其表面；2）通过FRP格栅布将所有拱块连接成一个整体；3）通过固定在拱块顶部的吊环吊装，一次成拱，施工方便，节省时间。

1 预制构件简介

本次研究建立了一种便携式整体预制圬工拱桥结构，包括拱圈、桥面与桥体，拱圈包括由多个预制拱块依次排列组成的主体，以及固定贴覆于主体上表面的纤维增强复合材料连接层，每相邻两个预制拱块的侧面相互贴合，所有预制拱块的下表面组成拱圈下表面，纤维增强复合材料连接层与每一预制拱块上表面固接，拱圈两端分别卡嵌于设置有卡槽的基座内；本结构可先预制预制拱块，并通过纤维增强复合材料连接层将所有预制拱块连接成一整体；施工时通过吊环吊起成拱，主体两端卡嵌入基座而固定后，在各预制拱块的相互挤压作用下，主体保持成拱的拱形；本实用新型施工效率高，承载能力强，且桥体可由建筑圬工材料填充而成，材料成本低［4］。

结构中主拱圈的制作过程大致如下：

1）将预制的拱块按顺序排好，用高强环氧树脂胶将FRP格栅布紧密粘在拱块上并用螺栓固定，见图1。

图1 黏贴FRP格栅布

2）FRP格栅布和拱块完全黏合后，在其上浇筑一层约40 mm厚的砂浆。待砂浆达到规定强度后通过吊环将预制的主拱圈慢慢吊起，主拱圈在重力的作用及FRP格栅布的约束下成拱，如图2所示。

图2 吊装成拱

传统的圬工拱桥结构施工一般采用支架法，流程大致如图3所示［5-6］。可以看出其施工过程大部分是在现场现浇、安装完成，且混凝土需要养护达到一定强度后才能进行下一步工序，工期时间长。本次研制的新型拱桥的工业化程度较高（拱圈，挡板等均为预制混凝土产品），不需要吊车浇筑，同时养护方便，材料强度得以保证。这样的制造过程有效地节省对材料和能源的使用，缩短施工工期，且结构产品可以批量工业化生产，节省了建造成本。采用FRP材料不仅加强了拱块之间的联系，也提高了结构的耐久防腐性能，降低了维护成本。

图3 传统圬工拱桥施工流程

预制拱桥技术并非本次试验首创，但过往的预制拱桥（如美国Kinster混凝土公司生产的预制拱桥，见图4）是将整体拱圈预制成拱后再运往施工现场。这种预制构件由于拱圈已经成形及拱结构本身特殊的受力性能在运输过程中很容易导致预制构件结构受损，尤其是在跨中处拱圈底部。本次试验研究的预制拱桥具有较好的灵活性，通过FRP格栅布将预制拱块连接在一起，整体拱圈并未成拱，到施工现场后再吊装成拱，能有效避免在运输途中发生结构损坏，也体现出该结构具有良好便携性［7］。

图4 美国Kinster混凝土公司的预制拱桥

2 试验简介

本试验制作了1：6的试验模型，为使该模型能尽可能准确地模拟真实的圬工拱桥，对实验模型的尺寸、加载方式等进行了设计，研究了该便携式整体预制圬工拱桥的承载能力。拱桥结构模型如图5和6所示：

图5 结构试验模型

图6 试验模型加载图

圬工拱桥模型的计算跨径为1.90 m，矢高为0.81 m，拱圈的厚度为0.06 m，拱圈的宽度为0.41 m。拱圈混凝土抗压强度为40 Mpa。在此次试验中，在拱圈底部架设了多个机械百分表和振弦式应变传感器（如图5所示），用于记录试验中各测点的位移和应变。一个模拟轮胎的面荷载（60×410mm）施加在离跨中285 mm靠右处（由于试验加载装置的限制）。

2.1 材料的选用

本次试验根据相似性的理论对圬工拱桥进行模拟，采用二维尺寸几何相似和边界约束条件相似来进行设计。由于真实的拱桥与模拟的拱桥在材料和组合上不可能完全相同，所以采取选用的材料的属性跟真实的拱桥材料相同的措施。

2.1.1 FRP格栅布

FRP格栅布具有抗拉强度高的特点，纵横交错使其由单向抗拉强度高向双向抗拉强度高转化，充分发挥其材料性能。

图4 FRP土工栅格布

2.1.2 混凝土材料

该试验中，主拱圈的组成拱块由混凝土强度等级为C40的自配混凝土预制，回填混凝土由混凝土强度等级为C30的自配混凝土现场搅拌［8］，现场浇筑。

回填混凝土配合比设计见表1（单位：kg）

表1 回填混凝土配合比设计

2.2 试验加载方式

此次试验加载装置采用的是5000 kN的万能液压加载试验机。加载采用分级加载，从初始开始按每级5kN的加荷速度加载至10 kN，然后按每级2 kN的加荷速度加至正常使用极限。在加载的过程中，逐级记录与施加荷载对应的各测点位移、振弦式应变采集仪的读数，并在拱桥的表面描出裂缝的发展趋势。

2.3 试验测量的内容以及方法

●测量各级荷载作用下各测点的位移变化

●测量各级荷载作用下各测点的混凝土应变和FRP格栅布的应变

●测量圬工拱桥的正常使用承载能力

2.3.1 应变测量

试验中采用振弦式应变计测量混凝土的应变，采用电阻应变片测量FRP格栅布的应变，格栅布应变片布置情况如图8所示。

图8 FRP格栅布应变片的布置（单位：mm）

2.3.2 拱挠度测量

试验中采用机械百分表分别测量拱脚，四分之一跨和跨中的挠度变化。根据圬工拱桥的坐标建立初始拱轴线，通过机械百分表在不同荷载步下的读数变化可以确定各测点沿X方向和Y方向的变化，然后将变化后的坐标确定出的点连成一条光滑的曲线，即圬工拱桥在不同荷载步下的拱轴线。

3 试验分析

此次试验是在拱桥模型距离跨中285mm位置的410mm×60mm矩形区域进行静力加载，直至结构达到正常工作极限状态，通过对采集的数据进行分析，得出结构模型的承载能力。

图9 荷载位移曲线

3.1 竖向位移

从上表可知，在加载的前期，结构各测点位移相对较小且呈线性变化。拱脚在两端的横向约束下，位移比其他测点小很多，在施加的荷载到达25 kN时，各测点的位移都发生了突变，突变的原因可能是由于主拱圈相邻拱块之间发生了滑移。左边的拱脚相对于右边拱脚距离加载区较远，发生的突变较小，而右边拱脚位移突变的比较明显。随后在逐步增加的荷载作用下，位移与荷载呈线性变化。试验结束后，跨中处位移在各测点的位移中最大，左边拱脚的相对位移最小。

不同荷载下拱轴线的变化如图10所示：

图10 不同荷载下的拱轴线

由上图可知，当施加的荷载达到31 kN时，加载区域拱轴线往左下方移动的幅度变大，对称位置的拱轴线往左上方向凸起幅度也变大，左端拱脚无明显位移，右端拱脚位移明显向外侧变化；当施加的荷载到达41 kN时，加载区域拱轴线往左下方移动的幅度进一步增大，对称位置的拱轴线往左上方向凸起幅度也进一步增大，且左端拱脚出现了较小位移，右端拱脚位移也较之前明显；荷载为51 kN时变形均进一步扩展；当施加的荷载达到67 kN时，圬工拱桥结构被破坏，在拱轴线之间形成了四个塑性铰，得到最大荷载下拱轴线。从图10的变形形态可以看出，加载后期（施加荷载超过40 kN）拱桥圈内形成4个明显的塑性区域。

3.2 应变分析

3.2.1 FRP格栅布应变分析

该试验中FRP格栅布的弹性模量为35 000 MPa，极限抗拉强度为1 200 MPa。试验测得格栅布上所贴应变片中最大拉应变为1 271με，且未达到极限抗拉强度。由此可知，该结构在荷载作用下主拱圈承受压力的同时，FRP格栅布协助主拱圈共同受力。这样能发挥其抗拉强度高的特点，提高该结构的极限承载能力。

3.2.2 拱底混凝土应变分析

从图中可以看出，在施加的荷载小于25 kN前，混凝土的应变较小，荷载应变呈线性发展，当荷载达到25 KN时，近加载区侧三分之一跨处混凝土应变出现突变，与位移发生突变时荷载大小吻合，而混凝土发生应变突变现象可能是由于主拱圈的拱块发生滑移引起的。

图11 荷载应变图

图12 荷载应变图

3.3 结构破坏形态及承载力

拱桥的最终破坏是由于加载区主拱圈的相邻拱块之间发生滑移，在荷载持续增加的情况下，拱块滑移处连同拱上填料发生开裂，直至被完全破坏。该试验模型的破坏荷载67 KN，具有较大的承载能力，由于该结构为1∶6比例缩小模型，其原尺寸模型的极限承载力超过了300 KN，满足现行设计规范要求［9］。

4 结语

本次课题所建立的新型预制圬工拱桥在保持原有圬工拱桥优点的基础上应用了FRP材料和预制混凝土技术，提高了结构的耐久性并解决传统圬工拱桥施工困难较大的缺点。通过非线性数值模拟，对此类拱的结构性能进行了分析，证明了其不仅符合国家各项设计规范而且拥有较高的承载能力。这一新型桥梁体系具有以下优点：

1）通过与传统拱桥施工工艺的对比可以看出本次研制的拱桥体系的预制化（无需支模板）和工业化程度较高，从而降低了建造拱桥的施工难度，且缩短工期有效减少了建造成本；

2）本次课题所研制的预制拱桥本身带有较好的灵活性，预制后只是使用增强纤维材料—FRP对拱块进行连接，整体拱圈并未成拱，而是到了施工现场再进行吊装成拱，这样避免在运输途中由碰撞而产生的结构损坏，充分体现了本次课题预制构件具有良好便携性；

3）结构试验结果表明，由于合理使用FRP材料和拱结构的受力特点，所建立的拱桥结构的变形能力和承载性能均满足现行规范的要求；

4）试验结果分析中发现，拱顶FRP格栅未达到极限强度，结构破坏主要为加载去混凝土压碎印发的拱圈滑移所导致的。

［1］ Heyman J.The Masonry Arch［M］.Chichester：Ellis Horwood Ltd，1982.

［2］ 吕志涛.高性能材料FRP应用与结构工程创新［J］.建筑科学与工程学报，2005，22（1）：1-5.

［3］ 陈肇元.土建结构工程的安全性与耐久性［M］.北京：中国建筑工业出版社，2002.

［4］ 郑愚.一种便携式整体预制圬工拱桥结构.中国，201020249022.9［P］：2011-01.

［5］ 范立础.桥梁工程［M］.北京：人民交通出版社，2001.

［6］ Hughes TG，Blackler M J.A review of the UK masonry arch assessment methods［J］.Proc Inst，Civ Engrs，1997，122：305-315.

［7］ Taylor SE，Gupta A，Kirkpatrick J，etal.Deveolping of a novel flexible concrete arch system［C］.11th International Conference on Structural Faults and Repairs，Edinburgh，2006.

［8］ 建设部.普通混凝土力学性能试验方法标准（GB/T 500881-2002）［S］.北京：中国建筑工业出版社，2002

［9］ 交通部.公路圬工桥涵设计规范（JTG D61-2005）［S］.北京：人民交通出版社，2005.

A Pre-casted Integrated Flexible Masonry ArchBridge Structure Based on FRP

DENG Tuo ZHENG Yu LIN Rong-hu i ZENG Xian-b in PENG Jin-xuan

（Department of Civil Engineering，Dongguan University of Technology，Dongguan 523808，China）

Many bridges built of modern materials，such as steel-reinforced concrete，have reruired extensive repair after being in service for a relatively short period of their design life.A novel precast masonry arch bridges reinforced with polymer reinforcement were developed to improve the structural sustainability.This flexible masonry concrete arch system reruires no in-situ casting in the construction phase or steel reinforcement in the long-term service.The archis constructed from a‘flat pack’system by use of a polymer reinforcement for supporting the dead load but behaves as a masonry arch once in place.This paper revealed an experimental study of this flexible masonry arch bridge.It was found that loading-carrying capacity and deformation behaviour of this arch bridge could satisfy the reruirement of current design code.

FRP；masonry arch bridge；construction method；experimental study

U445.72

A

1009-0312（2014）03-0090-07

2014-03-24

广东省交通厅科技计划（2011-02-040）；2012年广东省大学生创新创业训练计划。

邓拓（1988—），男，湖南湘阴人，硕士，主要从事结构耐久性，结构数值模拟分析研究。