FRP-混凝土组合梁在中小跨径公路桥梁中的设计方法

2021-03-31周丹

北方交通 2021年3期

周丹

(辽宁省交通规划设计院有限责任公司沈阳市 110166)

1 工程背景及问题的提出

FRP材料是一种高性能复合材料，是以树脂做基本材料，以非金属纤维作增强材料。FRP材料具有轻质高强、高耐腐蚀等特点。近些年来FRP型材与一些材料(钢材、混凝土)等形成组合结构，用在桥梁工程上以人行桥居多。FRP材料没有在桥梁领域大面积应用，主要是因为FRP型材在公路桥梁领域应用缺乏相应的设计经验，更没有可靠的设计标准。另一方面是因为FRP材料价格偏高，即使后期养护成本远低于钢筋混凝土结构且安装快捷方便，更多的工程师还是会因为其早期较高的价格有所顾虑[1]。FRP材料目前作为混凝土、钢材等传统结构材料的重要补充[2]。

为了推进新材料在辽宁省的应用和研究，依托中小跨径公路桥梁进行FRP试验桥工程设计，以期对FRP-混凝土组合梁的设计方法进行研究，得到可以推广应用的适用于中小跨径的FRP-混凝土组合梁的设计方法。

1.1 工程背景

试验桥(姜屯桥)位于辽宁省新民市北西线。试验桥上部结构为FRP-混凝土组合简支梁桥，跨径为10.0m，桥宽为6m。混凝土桥面板厚15cm，FRP工字梁高60cm。如图1(a)所示。

6m宽FRP工字梁是由24片25cm宽度的单片工字梁组成，相邻单片工字梁的上下缘交界咬合处通过环氧树脂连接。横向布置不锈钢通丝螺栓。通丝螺栓穿过工字梁腹板，并与腹板螺栓连接。通丝螺栓纵桥向每1.5m间距范围上下布置一道。混凝土桥面板与FRP工字梁采用预埋连接钢筋(螺栓)连接。如图1(b)、图1(c)所示。下部结构采用混凝土轻型桥台及浅基础基础。

1.2 问题提出

(1)FRP型材材料性能

FRP材料作为一种各向异性材料，其材料性能与采用的基材种类、生产条件、生产工艺等多方面因素相关。所以获得试验桥FRP材料的性能指标是得到该实验桥模型准确受力性能的基础。

(2)连接性能研究

连接节点是 FRP桥梁结构设计中的一个难点[1]，本设计连接节点设计为FRP型材之间的横向连接。FRP型材之间的横向连接采用混合连接方法，工字梁之间采用卡槽环氧树脂连接和不锈钢通丝螺栓机械连接的组合连接方式，由于单片工字梁之间环氧树脂胶结的连接性能受环境影响较大，其连接性能不好预测，整体横向连接性能将受到影响。

2 计算工况及计算模型

为了解决以上问题，从以下几个方面开展FRP-混凝土组合梁的受力性能分析。

2.1 材料性能获取

根据实验数据确定FRP材料参数性质。对试验桥预使用的FRP型材材料取样，进行拉伸、压缩、弯曲、纵横剪切及泊松比测定试验，得到材料平均的弹性模量和强度，为FRP-混凝土组合梁桥受力性能研究提供可靠的依据。

根据纤维增强材料试验标准，取得试验型材。试验试件及模型梁如图2所示。

图2 FRP试验及模型梁

得到试验桥梁FRP型材材料的试验数据如表1所示。

从试验数据得到的材料性能指标，均符合《纤维增强复合材料拉挤型材结构技术规程》(征求意见稿)中M23级FRP力学性能要求。

2.2 计算工况及模型建立

为了解FRP-混凝土组合梁的受力性能，解决设计过程中的问题，建立以下三个工况进行分析。计算有限元模型采用MADIS进行建模计算。混凝土桥面板采用实体单元，FRP采用板单元，单元之间的连接情况根据工况不同采用不同方法。约束采用支点位置节点一般支撑模拟橡胶板支座。设计荷载的采用：根据设计实验桥所在道路等级，设计荷载采用公路-Ⅱ级。

工况一：对整体FRP工字梁总体受力状况进行分析。通过此工况了解未组合混凝土桥面板的FRP工字梁的各向应力状态、挠度等受力性能。混凝土桥面板按照实际重量以荷载形式施加于FRP梁上。模型见图3。

图3 FRP工字型梁模型

工况二：对FRP-混凝土组合梁总体受力状况进行分析。通过此工况可以得到FRP-混凝土组合梁各向应力状态、挠度等受力性能。此工况为试验桥总体设计提供依据。模型见图4。

图4 FRP-混凝土组合梁模型

工况三：对FRP-混凝土组合梁在FRP单片纵梁之间连接减弱情况下横向通丝螺栓受力性能进行分析。此工况为横向连接局部设计提供依据。单片纵梁之间的减弱用节点断开模拟。连接减弱范围取跨中纵桥向3.5m，横桥向2.5m范围。

3 计算模型结果分析

计算荷载组合采用《纤维增强复合材料拉挤型材结构技术规程》(征求意见稿)中承载能力极限状态基本组合方法进行荷载组合。

3.1 工况一模型结果

顺桥向拉应力18.5MPa，压应力41.6MPa。顺桥向拉应力出现在底板跨中位置，压应力出现在顶板跨中位置。横桥向拉应力43.8MPa，压应力56.7MPa 。由于FRP型材刚度较小，车轮荷载对FRP翼缘板的局部受力成为主要控制应力，最大压应力出现在车轮迹线附近翼缘板悬臂位置。最大拉应力出现在轮迹线附近腹板上方。最大剪应力78.4MPa。最大剪应力出现在支点附件翼缘轮迹线位置。恒载作用下，跨中挠度为6mm。移动荷载作用下，跨中挠度为22mm。

3.2 工况二模型结果

顺桥向拉应力17.3MPa，压应力19.2MPa。均出现在跨中顶底板位置处。横桥向拉应力9.2MPa，压应力10.3MPa，最大拉压应力出现在轮迹线附近位置。最大剪应力8.4MPa。最大剪应力出现在支点附近FRP梁腹板上部位置。恒载作用下挠度1.3mm；移动荷载作用下挠度5.6mm。

从工况1和工况2的结果对比表(表2)可以看出，FRP-混凝土组合梁较FRP工字梁在正应力、剪应力及挠度方面结构的受力状况均有较大改善。

表2 第一、二工况基本组合应力结果对比表(MPa)

3.3 横向通丝螺栓应力

横向通丝螺栓在FRP单片工字梁翼缘连接完好及桥面板处于弹性工作状态的情况下，通丝螺栓可以看作是以FRP梁腹板为支点的连续梁结构。如果FRP各个单片梁之间连接部分失效，横向通丝螺栓的应力状态必然会受到影响，为了确保通丝螺栓的受力处于可控状态。现对FRP单片梁翼缘之间不同连接状况下的通丝螺栓的受力状态进行分析验算，共分为四种连接状态，四种连接状况均认为混凝土桥面板处于弹性工作阶段。

3.3.1连接状态①： FRP顶板底板翼缘连接均有效

在桥面板及FRP梁横向连接牢固的情况下，横向通丝螺栓位于跨中的通丝螺栓应力最大，以下连接状态均以跨中部位通丝螺栓作为分析对比对象。在顶底板翼缘连接有效的情况下，此通丝螺栓应力情况如图5。

图5 连接状态① 跨中通丝螺栓基本组合应力图

连接状态①基本组合作用下上层通丝螺栓最大拉应力为33.5MPa，最大压应力为28.4MPa；下层通丝螺栓最大拉应力为22.7MPa，最大压应力为30.5MPa。通丝螺栓下对应位置底板最大拉应力为2.6MPa。

3.3.2连接状态②： FRP梁之间顶板翼缘连接失效，底板翼缘有效连接

连接状态②基本组合作用下通丝螺栓的最大拉应力出现在纵桥向的跨中部分，上层通丝螺栓最大拉应力为56.8MPa，最大压应力为43.5MPa；下层通丝螺栓最大拉应力为41.7MPa，最大压应力为-45.9MPa。如图6所示。通丝螺栓下对应位置底板最大拉应力为2.8MPa。

图6 连接状态② 跨中通丝螺栓基本组合应力图

3.3.3连接状况③： FRP顶板翼缘连接牢固，底板翼缘连接失效

连接状态③基本组合作用下通丝螺栓的最大拉应力出现在纵桥向的跨中部分，上层通丝螺栓最大拉应力为56.1MPa，最大压应力为40.6MPa；下层通丝螺栓最大拉应力为31.5MPa，最大压应力为35.0MPa。如图7所示。通丝螺栓下对应位置底板最大拉应力为0MPa，相邻未断开底板应力为4.7MPa拉应力。

图7 连接状态③ 跨中通丝螺栓基本组合应力图

3.3.4连接状况④：FRP顶底板翼缘连接均失效

连接状态④基本组合作用下通丝螺栓的最大拉应力出现在纵桥向的跨中部分，上层通丝螺栓最大拉应力为56.6MPa，最大压应力为40.8MPa；下层通丝螺栓最大拉应力为31.8MPa，最大压应力为35.4MPa。如图8所示。通丝螺栓下对应位置底板最大拉应力为0MPa，相邻未断开底板应力为4.7MPa拉应力。

图8 连接状态④ 跨中通丝螺栓基本组合应力图

从表3中可以看出，上缘通丝螺栓的最大拉(压)应力顶底板翼缘连接部分失效后，应力增大1.5～1.6倍。下缘通丝螺栓的最大拉(压)应力顶底板翼缘连接部分失效后，应力增大1.4～1.8倍。连接状态③④中，底板局部断开，下缘通丝螺栓拉压应力比连接状态②有所减小。查看三种状况的底板应力状态云图，可以看出，由于底板部分断开，大部分的横向应力由断开处底板以外的横向其他底板承担，断开部分下缘通丝螺栓反倒因为底板应力的转移，而应力有所减小。