FRP复合材料在异型跨河景观桥的应用

吴立波

（天津城建集团有限公司，天津市 230040）

0 引言

当前北京正举全市之力建设通州北京城市副中心，北京城市副中心与雄安新区同为千年大计的国家战略，古老的京杭运河蜿蜒贯穿通州全境。运河上的跨河桥梁建设自然成为城市副中心的重中之重，而北关大道跨北运河大桥作为京杭运河源头第一桥更是以“千荷泻露”的独特构思而著称。当设计师将惊艳的效果图完成后，如何实现达到该效果成为了难题。此造型“前不见古人，后不见来者”，用何种材料可实现此造型的同时还要能承受风荷载及河道汛期强大的水压荷载。围绕难题我们积极考察调研，组织专家论证会确定了采用FRP复合材料进行桥梁装饰，成功解决了难题，达到了预期效果[1,2]。

1 工程概况

北关大道跨北运河大桥的桥型方案为“千荷泻露”的梁拱组合桥；其设计灵感来源于西海子公园葫芦湖清晨从荷叶上滴下的露珠时的意境。主桥桥长约210 m，为30 m+40 m+70 m+40 m+30 m上承式钢结构连拱桥。桥梁横断面形式复杂，主桥桥梁宽42.6～68 m。人行道宽度及流水平台沿着桥梁纵向不断变化，在步道及流水平台变宽的过程中，各层步道高程逐渐分开，形成三层不同高度的步道。桥梁效果见图1。

图1 桥梁效果图

2 桥梁装饰材料的比选

桥梁造型优美，整体呈空间双曲面流线型布局，流水景观平台分层布置，观景台还设置休闲座椅，见图2；桥梁平、立面见图3。

图2 流水景观平台效果图

图3 桥梁结构平、立面图（单位：cm）

桥梁装饰板设计荷载条件：最大水压：5.5 m，最大风压：2 kN/m2；基本雪压 0.4 kN/m2。为了选择既能满足线性要求，又能满足受力要求的材料，我们分别调研了铝单板、GRC玻璃纤维增强混凝土、FRP复合材料三类材料。铝单板工艺性好，采用先加工后喷漆工艺，铝板可加工成平面、弧型和球面等各种复杂几何形状；但承受荷载能力不行，易变形，表面易产生坑洼现象。GRC玻璃纤维增强混凝土重量大，可塑性差，外观很难满足要求且后期易开裂。结合桥梁的实际情况，综合考虑材料的耐久性、轻质高强、荷载情况、桥梁气动性能、可设计性好、工艺性能优良、优雅美观造型的可塑性等诸方面，我们最终选用了FRP曲面夹芯板作为桥梁装饰材料，具体结构形式为：FRP曲面夹芯板+管桁架悬挂支撑体系。整体效果见图4，细部构造见图5。

图4 FRP曲面夹芯板装饰效果

图5 FRP曲面夹芯板装饰细部构造图

管桁架悬挂支撑体系由主桁架、次桁架及叉耳组成，主桁架与桥梁主体钢结构焊接固结，主次桁架亦通过焊接连接。FRP曲面夹芯板通过叉耳与钢桁架栓接固结。

3 FRP装饰的施工应用

3.1 FRP装饰板的加工制作

全桥FRP装饰板分为45列封护板，每列宽3.5～5.5 m，968块曲面夹心板共有46个分块断面（见图6）。块体的加工制作在专业生产厂家进行。首先进行设计图纸深化：根据设计提供的FRP产品三维图用Rhino设计软件进行深化设计，将FRP产品曲线进行数字建模，根据生产需要将建好的数字模型进行拆分分块，将分块好的模型数据导入数控中心专用软件进行刀轨编程并进行模拟验证。

装饰板基本建造工艺流程为：施工平台制作—模具制作—涂脱模蜡—喷涂胶衣—准备树脂纤维等材料—下面成型—预埋件及泡沫材料糊制—上面成型—局部预留连接部位修整—脱模切边—连接试组装—外观修整—检验—包装、运输。下面简述几个关键环节。

（1）喷涂胶衣：配置胶衣树脂时，加入固化剂时要充分混合搅拌均匀，避免应固化不均而产生的表面褶皱、裂纹等瑕疵；胶衣可以用毛刷或专用喷枪来喷涂，若胶衣粘度太高，可添加适量苯乙烯调节粘度以及填补操作过程中挥发损失的苯乙烯，但要根据工艺要求控制苯乙烯的加入量；胶衣层的厚度控制在0.3～0.5 mm之间，不宜过厚或过薄，通常以单位面积所用胶衣量来控制。

（2）面板制作：本工程面板制作采用真空导入工艺和手糊工艺，根据设计图纸要求，不同部位采用相应的施工工艺，严格执行设计文件要求。

手糊工艺施工要注意不得将两层或多层增强材料同时铺放，每层剪开的部位错开，织物纤维的铺层方向以及铺层方式应该按照工艺要求进行。

真空导入工艺分为准备模具、施工胶衣面、增强材料铺设、真空袋材料铺设、抽真空、配树脂、导入树脂、脱模、内侧板面制作、内侧板面固化后脱模修整、后期处理、预组装等环节。

因结构及材料的特殊性，用FRP复合材料进行桥梁装饰无任何先例可循。FRP曲面夹芯板在正式批量生产前需要先做样件，然后结合工程的具体设计指标对样件的强度、刚度、耐久性、耐火性以及钢桁架与FRP夹芯板连接可靠性进行试验验证。

图6 FRP装饰板制作分块示意图

3.2 FRP装饰板的安装

FRP曲面夹芯板在厂家生产完成后运抵施工现场进行安装，块件通过钢桁架与主桥结构连接，具体安装采用吊车、驳船等配合协调进行，见图7。

图7 FRP曲面夹芯板安装现场图

（1）梯道、坡道、流水平台区域安装

构件到达现场后，吊车配合卸车，卸车过程中做好成品保护工作，避免构件出现磕碰现象，因为本工程桥梁护板构件全部为双曲面结构，而且梯道、坡道大部分构件在桥梁结构下面，构件为不规则块体，吊点选择非常重要，为保证安装及定位方便快捷，采用CAD软件辅助计算结构块体的重心，设计吊点，通过重心的吊点可以保证块体的空间位置，吊装时构件深入桥梁结构下方的部分随吊装过程自然就位，避免因为吊点问题出现块体无法就位的问题。

（2）腹部封护系统安装

河道区域内的腹部封护系统块体及钢桁架安装采用挖掘机配合构件的提升，驳船做为水中施工平台的形式，驳船长度为18 m，宽度为4.5 m，高度为1.4 m，吃水深度0.7 m。在水中构件的运输采用现场临时制作的小船进行。河道内安装时，驳船装载挖掘机在安装位置等候，构件到达现场后通过小船运至安装位置，通过挖掘机将构件抬升至施工临时平台之上，在主桥钢结构或者钢桁架上设置电葫芦进行短距离吊装，通过电葫芦的起吊调整构件位置，测量定位。

3.3 FRP复合材料在本工程应用的意义

（1）据查阅相关资料，将FRP复合材料如此大规模（全桥约1万m2）用于桥梁装饰结构，在当前国内乃至世界尚属首次（见图8）。这是个零的突破，是个积极的探索与实践。

图8 FRP曲面夹芯板装饰完工实景图

（2）FRP复合材料轻质高强、工艺性优良、良好的可设计性与高美学欣赏性，成功解决了本工程装饰结构对于奇特艺术造型与荷载受力的诸多要求。

（3）在军工及航空航天广泛应用的FRP纤维复合材料在本项目的成功应用，突出体现了军民融合的重要意义。

4 结论

结合北京通州北关大道跨北运河大桥独特的设计造型，采用FRP复合材料来实现桥梁的装饰，成功解决了复杂空间双曲面板制作、承受风载水压、满足受众感官需求等难题，为古老的京杭运河上又增添了一道靓丽的风景线，同时为今后FRP复合材料在桥梁等复杂结构上的应用进行了超前有益的探索。