FRP桥梁人行道栏杆工程应用效果研究

崔学常，张锡祥，巫祖烈

(1.云南省保山市重点公路建设管理处，云南 保山 678000；2.重庆交通大学，重庆 400074)

FRP桥梁人行道栏杆工程应用效果研究

崔学常1，张锡祥2，巫祖烈2

(1.云南省保山市重点公路建设管理处，云南 保山 678000；2.重庆交通大学，重庆 400074)

结合实桥栏杆结构形式设计、结构受力计算、结构模型试验和工程应用检验，介绍新型纤维增强复合材料(FRP)桥梁人行道栏杆工程应用效果的全新研究结果。这种新型栏杆的结构形式为FRP拉挤型材标准构件采用榫铆连接工艺制成的FRP栅栏型栏杆，具有结构形式简单、结构自重较轻、超载安全性较好、温变伸缩自由且不露痕迹、结构造型美观、耐蚀性和保洁性优、工业化施工程度高、质量和工期可控性强、工程造价合理、使用期维修养护节省等优点。对于腐蚀介质环境桥梁及后期维修养护较难或成本较高的桥梁，这种新型栏杆具有明显的技术、经济优势。

桥梁工程；纤维增强复合材料；桥梁人行道栏杆；工程应用效果

0 引 言

桥梁人行道栏杆的最优设计目标为：①结构安全且自重较轻和温变伸缩自由；②造型美观且耐蚀性和保洁性优；③工业化施工程度高且质量和工期可控性强；④工程造价合理且后期维修和养护节省[1-3]。

目前，钢、混凝土材质的桥梁人行道栏杆是当今桥梁工程应用最多也最成熟的栏杆类型，能满足结构安全、造型美观、温变伸缩自由、工程造价经济的主要设计目标。桥梁工程师试图通过设计优化和施工技术改进等努力使这两类栏杆的最优设计目标全部达标，但因栏杆材料的先天缺陷制约而未能实现，于是尝试采用新型纤维增强复合材料(fiber reinforced polymer，FRP)设计、制造桥梁人行道栏杆，期望借助FRP材料轻质高强、完全弹性、耐腐蚀、耐疲劳的材料优势及“可设计性强”、“可加工性强”的技术优势，使这种新型栏杆达到最优设计目标，并胜任未来桥梁发展对桥梁构件提出的“结构减重”、“耐久性提高”及“实现工业化施工”的更高技术要求[3-6]。

我国FRP桥梁人行道栏杆的早期研发试用始于20世纪80年代，于1986年建成的东北嫩江公路大桥GFRP人行道栏杆是首项应用工程。该工程的目的是更换原桥破损混凝土栏杆实现桥梁结构减重。通过工厂手糊成型栏杆构件和现场胶粘连接加铆钉连接，组装成整体栏杆完成施工，静力试验和工程竣工验收检验满足设计和规范要求〔4〕。FRP桥梁人行道栏杆较系统、全面地研发应用始于本世纪初，重庆交通大学先后研发出GFRP宝瓶式栅栏型栏杆〔图1(a)〕和GFRP板条式栅栏型栏杆〔图1(b)〕并应用于16座实桥工程(表1)，将栏杆的应用效果从最初的“主要注重结构安全和造型美观”上升到今天的“同时注重结构安全、造型美观和工业化施工技术”的新高度。通过对GFRP板条式栅栏型栏杆的工程应用情况回访调查和总结分析认为，经近10余年更全面的工程应用检验证明，FRP桥梁人行道栏杆满足桥梁人行道栏杆的最优设计目标，具备未来桥梁构件要求具备的“结构减重”、“耐久性提高”及“实现工业化施工”的技术能力[3]。笔者介绍了FRP桥梁人行道栏杆工程应用效果，即总结了FRP桥梁人行道栏杆工程理论研究结果，研究成果可供桥梁人行道栏杆设计比选参考。

图1 FRP宝瓶式及板条式栅栏型桥梁人行道栏杆形式Fig.1 Shape of the bottle and batten fence-type FRP bridge sidewalk railing

序号桥名栏杆类型栏杆长度l/m制造工艺建成时间工程应用效果1重庆内环快速路金渝立交桥GFRP宝瓶式栅栏型栏杆196.0手糊成型2002.12结构完好,从未维修养护2重庆渝北区金山大道319跨线桥GFRP宝瓶式栅栏型栏杆136.4手糊成型2003.04结构完好,从未维修养护3重庆渝北区经开大道李家院子立交桥GFRP宝瓶式栅栏型栏杆190.0手糊成型2003.10结构完好,从未维修养护4重庆高新区高庙村高架桥GFRP宝瓶式栅栏型栏杆328.0手糊成型2004.05结构完好,从未维修养护5重庆长寿区迎宾大道骑鞍桥GFRP宝瓶式栅栏型栏杆76.0手糊成型2005.01结构完好,从未维修养护6重庆江北区玉带山支路桥GFRP宝瓶式栅栏型栏杆40.0手糊成型2005.02结构完好,从未维修养护7重庆渝北区金山大道邱堡跨线桥GFRP宝瓶式栅栏型栏杆99.4手糊成型2005.08结构完好,从未维修养护8成都龙泉区飞龙桥等三座桥梁GFRP宝瓶式栅栏型栏杆210.0手糊成型2006.12结构完好,从未维修养护9重庆沙滨路-嘉陵路连接段桥梁GFRP宝瓶式栅栏型栏杆83.2手糊成型2007.10结构完好,从未维修养护10云南龙陵县香柏河大桥GFRP板条式栅栏型栏杆1036.0机械成型2012.04结构完好,从未维修养护11重庆涪陵区李子湾大桥GFRP板条式栅栏型栏杆390.0机械成型2012.06结构完好,从未维修养护12云南龙陵县龙川江大桥GFRP板条式栅栏型栏杆1243.0机械成型2012.10结构完好,从未维修养护13斯里兰卡中水大桥GFRP板条式栅栏型栏杆580.0机械成型2013.08结构完好,从未维修养护14重庆长寿区化南路东延桥GFRP宝瓶式栅栏型栏杆140.0手糊成型2014.06结构完好,从未维修养护

1 FRP栏杆结构形式设计研究

FRP材料种类较多，力学性能差别较大(表2)[3]，从栏杆材料费效比最优考虑，FRP桥梁人行道

栏杆材料宜选用力学性能相对较优且工程造价相对较低的玻璃纤维增强复合材料(GFRP)。

表2 桥梁工程常用FRP材料的力学性能比较

注：表中FRP材料的纤维体积含量Vf=60%， FRP材料的力学性能均为室温性能。

GFRP结构材料强度较高(与结构钢材相当)、弹性模量较低(约为结构钢材的1/10)且材料单价较高(高出结构钢材单价约10倍)，从栏杆构件费效比最优考虑，栏杆构件形式宜设计成材料用量最省且弯扭刚度最大的箱型薄壁杆件。

FRP构件采用阴模机械成型，结构性能和外观效果最好，构件间榫铆连接比胶粘、螺栓连接更牢、更美并更易工业化施工。从栏杆施工费效比最优考虑，FRP桥梁人行道栏杆施工，宜采用先拉挤成型标准构件再榫铆连接组装成整体栏杆的工业化施工技术。

基于上述分析，结合桥梁人行道栏杆“最优设计目标”和未来桥梁构件“结构减重”、“耐久性提高”及“实现工业化施工”要求综合考虑，笔者设计出由GFRP栏杆排架与GFRP栏杆望柱通过榫铆连接组成的FRP板条式栅栏型栏杆(图2)，作为这种新型栏杆的代表结构形式。在此，GFRP栏杆排架，为GFRP栏杆扶手、上下横栏、中间竖栏密配合榫铆连接构成的两端带悬臂的FRP排架结构；GFRP栏杆望柱，为底端锚固在桥面系人行道外纵梁中的FRP悬臂梁构件。并且，FRP栏杆扶手、上下横栏、中间竖栏及望柱，均为拉挤成型的GFRP箱型截面薄壁杆件类板条式标准构件。

图2 FRP板条式栅栏型桥梁人行道栏杆标准节段形式Fig.2 Shape of the standardized element for the batten fence-type FRP sidewalk railing in the bridge

FRP桥梁人行道栏杆的设计荷载，为人群作用于栏杆上的水平力与竖向力，JTG D 60—2004《公路桥涵设计通用规范》、CJJ 11—2011《城市桥梁设计规范》及CJJ 69—95《城市人行天桥与人行地道技术规范》对其设计取值规定各异〔5〕，在此统一地取3规范的最大值作为设计值，其荷载集度分别为2.5和1.2 kN/m。栏杆设计的最不利荷载工况，为水平力作用荷载工况。栏杆设计荷载下的侧向水平位移限值，因3规范均未明确规定，故参照文献[5]取为栏杆望柱高度的1/100。栏杆的设计使用年限，参照我国FRP构件的实际使用时间，确定其不需养护的设计使用年限不小于50年〔7〕。

2 FRP栏杆工程应用效果研究

2.1 FRP栏杆工程应用的结构效果研究

2.1.1 栏杆结构安全效果研究

采用结构受力计算和结构模型试验方法，研究了图2结构形式的FRP桥梁人行道栏杆设计荷载下的结构安全性及超载作用下的结构安全储备。

栏杆结构计算及结构试验，分别选取实桥栏杆的1个和3个标准节段(L=4 m)作为计算模型和试验模型。

结构计算采用MIDAS软件，其有限元模型如图3。结构试验采用等效集中力加载方式对栏杆扶手和望柱控制截面进行加载。栏杆望柱试验的加载截面为望柱与扶手顶面交界位置截面，其加载方式如图4。两类模型的栏杆构件截面形式及尺寸如图5，构件的材料性能参数如表3。栏杆水平荷载工况的计算与试验结果如表4。表4中栏杆扶手跨中截面(J1截面)、距跨中0.7 m处截面(J2截面)和望柱根部截面(J3截面)的应力试验值根据这3个截面的应变实测值计算得到，其截面应变片布置如图6。

图3 FRP桥梁人行道栏杆的有限元计算模型Fig.3 Finite element model of FRP bridge sidewalk railing

图4 栏杆望柱水平力静载试验加载方式Fig.4 Static loading test of the baluster of rail under horizontal forces

图5 FRP桥梁人行道栏杆的构件截面形式及尺寸Fig.5 Sectional shape and scale of FRP bridge sidewalk railing components

容重γ/(kN·m-3)拉伸强度ft/MPa压缩强度fc/MPa弹性模量E/GPa纵横向泊松比υ轴向线膨胀系数α18.0≥200.0≥100.0≥10.00.1531×10-5

图6 FRP栏杆扶手和望柱控制截面应变片布置示意Fig.6 Layout of strain gauge of the critical sections both in FRP railing hand and baluster

栏杆构件控制截面最大弯曲应力/MPaσb0σb1最大水平位移/mmu0u1实测残余位移Δu0绝对值/mm相对值/%计算值试验值计算值试验值计算值试验值计算值试验值栏杆扶手跨中截面2.561.564.032.282.552.314.014.230.208.0栏杆扶手距跨中0.7m截面7.112.5610.943.363.553.015.225.450.3410.2栏杆望柱根部截面10.537.3015.1910.48——————栏杆望柱顶部截面————9.988.8414.9613.780.171.8

注：σb0，σb1分别为设计荷载下及超载50%下的最大弯曲应力；u0，u1分别为设计荷载下及超载50%下的最大水平位移；Δu0为设计荷载下的实测残余位移。

由表4可知，栏杆扶手和望柱分别受2.5 kN/m的设计荷载(标载)和超出设计荷载50%的超载作用下，各控制截面的最大弯曲应力未超过16 MPa，远小于材料的弯曲强度200 MPa，表明栏杆强度较富裕；扶手跨中截面和望柱顶部截面的实测最大水平位移分别为2.31(标载)、 4.23(超载)和8.84(标载)、13.78 mm(超载)，相对位移分别为L/1 732(标载)、L/945(超载)和H/149(标载)、H/96(超载)；扶手和望柱设计荷载撤除后的实测最大相对残余位移约10 %，小于规范限值20 %；表明栏杆刚度满足设计要求。图7为栏杆扶手和望柱控制截面的实测荷载-位移曲线。由图7可知，二者曲线在标载和超载下具有较好的线性关系，表明栏杆全程在接近线弹性的弹性状态下工作。据此判定：栏杆设计荷载下的结构安全较富裕，超载50 %的结构安全有保证；荷载撤除后变形基本能恢复，超载使用的安全性比钢、混凝土栏杆高。

图7 栏杆扶手和望柱控制截面水平力作用下的荷载-位移曲线Fig.7 Load-displacement curves of the critical sections in the railing hand and baluster under the action of horizontal forces

表4中应力计算值与实测值差别较大的原因是栏杆排架各构件间的榫铆连接及排架与望柱间的榫铆连接准确模拟计算较难，在此偏危险地采用了铰接约束进行模拟计算，使扶手和望柱接近单个杆件受力而将其应力算大了。但此工况的构件应力仍远小于其强度，表明栏杆按此保守计算仍然安全且强度较富裕。

2.1.2 栏杆结构减重效果研究

图2结构形式的FRP桥梁人行道栏杆，单侧每延米自重约0.35 kN，约为钢栏杆自重的1/4和混凝土栏杆自重的1/8。这种结构减重作用可有效地减轻桥面系恒载，使其在“桥梁向更大跨径发展”的技术进步中有所作为和贡献。

2.1.3 栏杆结构温变位移效果研究

图2结构形式的FRP桥梁人行道栏杆，因栏杆排架与望柱之间及栏杆排架内部各构件之间均采用密配合式榫铆连接，各构件的轴向位移自由但其它方向位移受到约束，故栏杆能在保证其结构稳定的同时自由温变伸缩位移；又因栏杆排架的扶手和横栏两端榫头铆入望柱对应榫槽中留有榫头纵向伸缩裕量(每端2 cm)，故栏杆的最大纵向(顺桥向)温变伸缩位移可在望柱榫槽中自由实现且不露痕迹，并使其温变伸缩位移不对桥梁上部结构产生附加位移约束。

2.2 FRP栏杆工程应用的功能效果研究

2.2.1 栏杆美观功能效果研究

图2结构形式的FRP桥梁人行道栏杆，结构形式简单，结构线性流畅，具有美观、大气的外观效果，特别适用于大、中跨径公路桥梁和城市桥梁的人行道栏杆。

2.2.2 栏杆耐蚀功能效果研究

因FRP桥梁人行道栏杆的材料为玻璃纤维(GF)增强不饱和聚酯树脂(UP)复合材料(GFRP)，自耐酸碱盐介质腐蚀〔8〕，野外自然环境下的老化寿命大于50 a〔7〕，故栏杆使用期无锈蚀、老化破坏隐患，比钢、混凝土栏杆更适用于腐蚀介质环境的桥梁。

2.2.3 栏杆保洁功能效果研究

图2结构形式的FRP桥梁人行道栏杆，采用拉挤成型工艺工厂机械化成型栏杆构件，不仅构件的材料致密性好，而且构件表面光洁度高。栏杆这种材料致密和高光洁度效果，可降低栏杆构件表面的尘垢附着并使所附尘垢易被雨水冲洗干净，表明FRP桥梁人行道栏杆的自身保洁性较优。

2.3 FRP栏杆工程应用的施工效果研究

2.3.1 栏杆工业化施工效果研究

图2结构形式的FRP桥梁人行道栏杆施工，先工厂机械拉挤成型栏杆标准构件和数控机床机械成孔榫槽组装成栏杆排架，再现场将栏杆排架与望柱通过榫铆连接组装成整体栏杆。因栏杆施工的大部份作业在工厂机械化完成，现场组装在标准夹具定位下对位组装，故栏杆的工业化施工程度高。

2.3.2 栏杆施工质量、工期控制效果研究

因FRP桥梁人行道栏杆施工的构件成型和排架组装都在工厂机械化制造完成，不仅构件结构性能、尺寸精度和表面效果好，而且材料质量离散性、构件尺寸随机性低和加工进度快，故栏杆工厂施工环节的质量、工期可控性强。又因栏杆现场组装除跨中1个栏杆节段为非标准节段外，其余栏杆排架均为标准节段，可在标准夹具定位下快速、精确地装入栏杆望柱对应榫槽内，再通过望柱预埋钢板与人行道外纵梁内的预埋钢板焊接连接，即可构成与外纵梁连成结构整体的标准化栏杆；并且，栏杆自由温变伸缩位移可在每个栏杆节段内独立完成的结构构造，使得栏杆的现场组装可从桥梁两端向中间同步安装，最后1个非标节段的栏杆排架也可现场由标准排架切割成所需尺寸实现快速、精确安装，故栏杆现场施工环节的质量、工期可控性也很强。

2.4 FRP栏杆工程应用的经济效果研究

2.4.1 栏杆工程造价经济效果研究

冯鹏等[5]研究认为FRP桥梁人行道栏杆的一期工程造价，高于混凝土栏杆，低于不锈钢栏杆和铝合金栏杆。2012年建成的图2形式的云南龙陵县香柏河大桥和龙川江大桥FRP桥梁人行道栏杆，一期工程造价为1 350元/m；同期建成的图8形式的重庆东水门长江大桥钢人行道栏杆，一期工程造价为1 260元/m。由此可见，FRP桥梁人行道栏杆的一期工程造价与钢栏杆接近，但无钢栏杆的后期防锈涂装养护费用，故是一种工程造价较合理的栏杆形式。结合未来桥梁建设对栏杆提出的结构减重要求分析，混凝土栏杆在大跨径和特大跨径桥梁中的应用将受到严格限制，FRP桥梁人行道栏杆的工程造价经济效果将更明显。

图8 重庆东水门长江大桥钢人行道栏杆形式Fig.8 Shape of steel sidewalk railing in Chongqing Dongshuimen Yangtze River Bridge

2.4.2 栏杆后期维修养护经济效果研究

FRP桥梁人行道栏杆自带色彩成型，表面光洁度高，耐蚀性和保洁性优，野外自然环境下的老化寿命大于50 a〔7〕，故其使用期内既无钢栏杆类似的日常涂装养护，也无混凝土栏杆类似的破损、露筋维修。FRP桥梁人行道栏杆除人为破坏和不可抗力破坏的维修养护外，50 a设计使用年限内不需维修养护，故比钢、混凝土栏杆维修养护大大节省。笔者设计建成的第1座FRP桥梁人行道栏杆(表1序号1栏杆)，至今13 a未做过维修养护，栏杆的外观色彩效果几乎没有褪色改变。FRP桥梁人行道栏杆后期维修养护节省的经济效果，对于腐蚀介质环境桥梁及后期维修养护较难实施且费用较高的公路桥梁和城市桥梁优势更加明显。

3 结 论

1)根据桥梁人行道栏杆“最优设计目标”和未来桥梁构件“结构减重”、“耐久性提高”及“实现工业化施工”技术要求，按照栏杆材料、构件形式、施工方式费效比最优原则进行比选设计。由GFRP栏杆排架与GFRP栏杆望柱通过榫铆连接组成的FRP板条式栅栏型新型栏杆能满足要求。

2)FRP桥梁人行道栏杆，经结构计算、结构试验及工程应用检验证明，具有结构形式简单、结构自重轻、超载安全性强、温变伸缩自由且不露痕迹的结构效果；具有结构造型美观，耐蚀性、保洁性优的功能效果；还有工业化施工程度高和质量、工期可控性强的施工效果及工程造价合理和使用期维修养护节省的经济效果。

3)FRP桥梁人行道栏杆比钢、混凝土栏杆技术、经济综合性能更优。对于腐蚀介质环境桥梁及后期维修养护较难或成本较高的桥梁，这种技术、经济优势更加明显。

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Engineering Application Effect of FRP Sidewalk Railing in the Bridge

CUI Xuechang1, ZHANG Xixiang2, WU Zulie2

(1. Yunnan Baoshan Management Department of Major Highway Construction, Baoshan 678000, Yunan,P.R.China;2. Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074,P.R.China)

The novel study results of engineering application effect for a new type of fiber reinforced polymer (FRP) sidewalk railings in the bridge were introduced, which was based on the structure form design, structure stressing calculation, structure model experiment and engineering application test of the real railing in the bridge. The structure form of this new type of FRP railing was a fenced one made of FRP pultrusion standard components within a tenon riveting joint process. The proposed railing had advantageous structure effect, such as simple structure form, the reduced self-weight, the improved security in the case of overloading, as well as the free and unmarked deformation under temperature variation. It had advantageous function effect of beautiful appearance, excellent corrosion resistance and cleaning performance. It also had advantageous construction effect of highly industrialized process and strong controllability of quality and duration; meanwhile, it had advantageous economic effect of reasonable engineering cost and economized maintenance and conservation cost in the service time. This new type of railing is of both significant technological and economic advantages, especially for those bridges in corrosive medium environment and with difficulties or higher costs in the post maintenance and conservation.

bridge engineering; fiber reinforced polymer; sidewalk railing in the bridge; engineering application effect

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.03.05

2015-03-26；

2015-05-29

重庆交通大学山区桥梁结构与材料教育部工程研究中心开放基金项目(QLZX-2012-4)

崔学常(1964—),男，云南保山人，高级工程师，主要从事路桥新技术、工程设计和施工管理方面的研究。E-mail:1033371284@qq.com。

张锡祥(1954—),男，四川大竹人，教授级高级工程师，主要从事复合材料桥梁结构方面的研究。E-mail:cqjdzxx@163.com。

U433.33

A

1674-0696(2016)03-022-05