大跨GFRP桁架管道桥设计探索

2021-11-23李孟然

山西建筑 2021年23期

李孟然，孟江

(黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南郑州 450003)

1 概述

我国市政管线过河方式一般采用下穿或上跨，上跨方式可以依附交通桥敷设或单独架设管道桥。管道桥常用的材料有混凝土和钢材，如果采用轻质高强的GFRP[1]材料，既可以缩短工期又可以节省投资。与初期的GFRP桥梁不同，近年建成的GFRP桥梁是指采用拉挤、真空辅助灌注等工业化成型工艺，由高性能增强复合材料型材构成的具有稳定力学性能和使用性能的桥梁或桥梁部件，具有工业化、标准化的特点，能满足工程建设大用量的需求。

GFRP质量密度仅为钢材的1/4，桁架自重更轻，运输和架设难度更小；GFRP型材具有高于钢材的抗腐蚀性能，能够保证长期使用的可靠性和提高结构的安全性，降低维护运营成本；GFRP型材可以根据需要生产出不同颜色，保证耐久性同时增强了桥梁的景观效果。

目前，针对新建GFRP材料结构的研究，国内尚处于起步阶段，积累的实验数据、工程经验很少，加之国内规范、标准的颁布实施还远不能满足行业发展的需要[2-4]，目前国内GFRP桁架桥跨径普遍小于40 m。

2 总体设计

GFRP桁架管道桥结构设计需要确定合理的结构体系、截面型式和尺寸，关键是合理的连接构造。与钢结构桥梁一样，主受力杆件也需要进行强度、刚度和稳定性验算。

某给水管道桥，给水管道管径为φ430 mm×10 mm，设计工作压力为1.6 MPa，试验压力为2.1 MPa，给水管道支撑于GFRP桁架管道桥上，桥长260 m，跨径组成为(2×45+2×50+2×35)m，桁架高1.95 m，支撑于主桥各墩台的盖梁上。管道桥建成后实景图如图1所示。

3 材料性能参数

GFRP材料结构设计除了具有包含材料设计内容的特点外，就结构设计本身而言，无论在设计原则、工艺性要求、容许值与安全系数确定、设计方法等方面都有其自身的特点，不能完全沿用金属结构的设计方法。GFRP材料的形成工艺采用具有稳定质量保证的拉挤技术，拉挤成型工艺具有高度自动化生产的特点，产品质量稳定可控，但受设备能力限制，制品截面一般较小，已经在国内外广泛应用于各种FRP型材的生产。设计中采用的GFRP材料性能参数见表1。

表1 GFRP材料性能参数表

GFRP材料与钢材相比，具有以下显著特点：

1)抗拉强度较钢材更高，但材质各向异性，抗剪和抗多轴向力强度较钢材低；2)弹性模量较钢材低；3)疲劳性能较钢材更好；4)重量较钢材轻，为钢材的1/4；5)抗腐蚀性能较钢材更好；6)热膨胀系数较钢材低；7)应力-应变曲线呈线性分布；8)非磁性材料。

4 结构计算与分析

4.1 计算模型

桁架桥结构分析采用空间杆系通用有限元软件Midas/Civil进行计算，全桥共离散为2 819个空间杆系单元，1 431个节点，计算模型如图3所示。

计算中重点考虑以下两个难点：

1)桁架与管道间支座高度计算。模型计算时采用先加载管道荷载后得到桁架桥的挠度，根据计算得到的挠度确定支座的高度，进一步得到支座重量，再将支座重量加载到桁架桥计算模型中，迭代得到再计入支座自重后的桁架桥挠度，并以此迭代直至收敛。

2)抗拉模量与抗压模量不一致。将GFRP材料定义为两种材料，模量分别采用抗拉模量和抗压模量，并对原始模型赋予一种材料，并将计算结果分离出受拉单元和受压单元，并据此赋予不同的材料，通过多次迭代直至单元的受力状态稳定。

4.2 桁架杆件计算结果

桁架杆件内力计算结果见表2，应力验算结果见表3。

表2 杆件轴力表 kN

由表3可以看出，桁架杆件最大拉应力61.3 MPa，小于允许拉应力300 MPa；最大压应力60.6 MPa，小于允许压应力240 MPa。拉压应力均满足要求。

表3 桁架应力验算结果 MPa

4.3 节点连接强度验算

桁架节点采用胶栓连接(螺栓连接和胶接并用)方式。施工采用的胶粘剂，必须具有由建设部建筑物鉴定与加固规范管理委员会评定的A级胶认证报告；胶粘剂的毒性检验，要求固化后胶粘剂应达到实际无毒的卫生等级。胶粘施工及验收标准应满足GB 50550—2010建筑结构加固工程施工质量验收规范及相关规范要求。桁架桥中螺栓均采用M20钢螺栓。横向连接杆采用钢制M24钢螺栓。

根据胶栓连接破坏模式可知，胶栓连接中胶接先破坏后，螺栓连接破坏，但是胶栓连接承载力大于螺栓连接。为安全起见，此处仅计算螺栓连接强度。

由于螺栓最大间距L=7 cm<15d0=15×2=30 cm，故可认为每个螺栓平均分担剪力。螺栓连接强度验算结果见表4。