桥梁结构设计中FRP力学性能的运用

王东波

（中铁十二局集团有限公司勘测设计分公司， 山西 太原 030024）

现阶段， 我国人民的生活水平有了进一步的提升， 这也导致国民在交通出行方面有更高的要求。桥梁作为交通出行当中最重要的一项设施， 其结构强度和服务寿命与国民的生活有着巨大的联系[1]。从目前来看， 我国传统钢筋混凝土结构桥梁在实际的使用过程中往往由于钢筋锈蚀、 混凝土开裂等问题严重的影响了桥梁的功能， 这也对国民的通行安全产生了巨大的影响。 因此， 如何解决传统结构桥梁当中所存在的问题也成为每一个建筑工程企业都需要思考的问题。 随着新型纤维增强复合材料（FRP） 的出现， 也给桥梁结构设计提出了一种新的方案， 该种材料的应用在一定程度上也有效的提高了桥梁结构强度[2]。

1 FRP在桥梁工程当中的应用优势

传统混凝土桥梁由于其受力条件相对复杂， 在长时间的使用过程中受到的限制因素更多， 这也使其容易出现各种病害， 如果没有加强对桥梁后期的维护保养， 很有可能出现安全事故。 因此加强对新型桥梁结构的设计和研究也成为基建行业发展的必然方向[3]。 近年来， 随着科学技术的不断发展， 各种新材料也被应用在建筑工程行业当中， 其中在桥梁工程当中FRP便有着良好的应用， 该种材料在桥梁结构设计当中的应用具有如下几种优势： 1） 能够有效加快桥梁架设施工速度。 相比较传统钢筋混凝土桥梁建设而言， FRP材料的应用能够有效的提高施工速度， 在架设过程中操作更为便捷， 目前在城市快速通行桥梁、 跨线桥梁的建设过程中具有更高的适用性； 2） 具有更强的抗腐蚀能力。 FRP材料在实际的应用过程中具有更加优异的抗腐蚀能力，FRP材料基体和纤维为抗腐蚀材料， 在桥梁设计当中的应用相比较传统钢筋混凝土具有更强的抗腐蚀性， 这对于提高桥梁使用安全性和寿命也有着重要的作用[4]。

2 桥梁结构设计中FRP力学性能的运用

2.1 轻质FRP桥梁

2.1.1 结构形式

轻质FRP桥梁主要作为人行天桥来使用， 其中所应用的主要建材为FRP材料， 该种材料的应用能够有效的降低桥梁的自重。 目前， 在我国各地所应用的FRP轻质桥梁形式主要有以下几种： 1） 桁架桥。 该种桥梁形式选用的构件为拉挤型材质， 在实际连接过程中以螺栓或黏结为主； 2） 梁式桥。 梁式桥是目前我国桥梁建设应用最广泛的一种桥梁结构形式， 主要利用断面较大的拉挤型材或RTM型材为主梁结构； 3） 斜拉桥。 此种桥梁形式在建设过程中将FRP材料应用在主梁和桥塔等部位， 以此来提高桥梁的结构强度和耐久性； 4） 吊桥。 顾名思义， 该种桥梁结构形式主要是利用吊索悬挂桥梁主材的一种桥梁形式， 在轻质FRP吊桥桥梁建设过程中， 主梁采用FRP材料， 如此能够提高桥梁的强度。

2.1.2 力学性能分析

经过对轻质FRP桥梁结构的力学情况进行分析时发现， 该种类型桥梁虽然刚度较小， 但实际承载能力较强， 因此在设计过程中应当加强对变形的控制。 目前， 我国在桥梁建筑标准当中规定拱桥或桁架桥形式的人行桥荷载变形为1/800， 梁板式人行桥荷载变形为1/600， 这些数据主要是针对钢筋混凝土材料桥梁所做出的规范。 针对FRP桥梁而言， 由于该种材料具有较强的弹性形变量， 因此载荷变形要求应当适当的加大， 以此来提高强度利用率。 例如，针对FRP箱梁而言， 可以将跨度变形极限控制在1/40 跨长以内， 此时根据对桥梁受力情况分析发现，桥梁结构材料利用率低于10%， 这也表明在确定FRP桥梁荷载变形量时不仅需要加强对桥梁结构强度和稳定性的关注， 同时还需要适当放宽对材料的变形要求。 譬如将FRP人行桥梁变形量控制在跨长的1/400。 在试验过程中， FRP桥梁结构在实际的受力过程中表现出良好的线性弹性， 并且随着载荷的不断增大， 线性变形也在增加， 在出现结构破坏之前， 整个桥梁的结构变形较为明显。 在试验当中，FRP架构在变形达到1/40 跨长时， 构件并没有出现破坏， 在持续提高桥梁承载力后， 结构才发生破坏，经过多次试验， 结构破坏时载荷并不固定， 因此需要根据FRP桥梁结构变形程度来进一步判断其承载力的极限。

2.1.3 设计计算

在试验当中， 针对FRP桥梁结构设计进行力学载荷计算时， 需要将FRP材料的线弹性考虑在内，并且在实际的计算过程中还需要根据FRP材料的情况来进行建模分析， 以此来计算FRP桥梁的结构强度。 从整个结构强度方面来看， FRP桥梁剪切方向和垂直纤维防线的强度较低， 在出现较大载荷的情况下容易出现剪切破坏。 除此之外， FRP材料剪切模量相对较小， 在承受较大载荷时， 桥梁变形主要以剪切变形为主， 此类变形能够占据总变形量的20%。 因此， 为了在桥梁工程当中有效的应用FRP材料， 应当针对FRP材料的剪切变形进行科学的计算， 在计算过程中应当通过G=T/Y来求取弹性模量， 以此来确保材料性能能够满足工程的应用需求。

2.2 快速架设应急FRP桥

2.2.1 结构形式

快速架设应急FRP桥是我国目前灾害现场中最常见的一种通行方式， 为了提高救灾的高效性和可靠性， 快速架设应急FRP桥不仅需要较强的机动性和适应性， 还需要具备快速架设要求， 而FRP材料的性能符合上述需求。 就目前桥梁建设实际情况来看， 各国在火灾、 爆炸、 地震等灾害面前， 所应用的快速架设应急FRP桥主要以拼装桁架式、 板梁式、 可展桁架式结构为主， 在实际的应用当中需要根据应用区域环境和实际情况来选择合理的桥梁结构形式， 如此才能确保应急FRP桥梁的应用价值。

2.2.2 关键设计问题

为了保障FRP材料在快速架设应急桥的设计方面有所应用， 相关设计人员首先需要加强对应急桥结构体系的研究。 在快速架设应急桥的建设过程中所采用的材料以金属为主， 在计算过程中应当以金属结构特点为主， 但如果应用的是FRP材料， 不应当将金属计算方式应用在FRP桥梁结构当中， 以此来表现架设方案和后续检验不合格的问题。 对于快速架设应急FRP桥梁而言， 为了更好的为灾害现场服务， 需要具有良好的连接性， 确保相关构件能够在现场完成拼接， 只有在保障完好连接情况的基础上， 才能够提高整个桥梁结构的承载能力和稳定性。因此， 在快速架设应急FRP桥的设计过程中， 相关设计人员需要加强对各构件连接性能的关注和计算，并且将后期承载载荷考虑在内， 以此为基础来进行承载力的计算， 进而选择合理的连接方式， 以此来提高施工质量。

2.3 FRP桥面板

2.3.1 结构形式

FRP桥面板是当前桥梁结构设计当中应用最广泛的构件之一， 通常情况下， FRP桥面板结构形式以夹芯板、 拉挤型材空心板、 面板与型材芯组合板等为主。 其中夹芯板最为常见， 该种板材结构性能良好， 在实际的制造过程中主要以RTM制造工艺为主， 该类桥梁在实际的应用过程中在跨长1/600 变形情况下承受较大的载荷力， 并且可以将整个板材的振动频率控制在3Hz左右， 进而确保行人通行的舒适度。 而拉挤型空心板在实际的应用过程中具有零号的适应性， 能够通过建设需求被加工成不同形状的板材， 但需要注意的是断面尺寸不可过大。 相比较传统混凝土桥面板而言， FRP桥面板的造价更高， 最高会达到传统桥板成本的三倍以上， 虽然FRP桥面板前期投入较大， 但其使用寿命和使用安全性更高， 后期维护也更加简单。

2.3.2 力学性能分析

在FRP桥面板的实际应用过程中， 整体桥板受力主要以剪切力为主， 并且在整个桥板上部分地方还受到挤压或冲切的用力， 如果在桥板上施加非对称的载荷力， 整个桥板受力截面还会产生一定的扭矩， 再加上FRP材料的各项性能， 这也导致整个FRP桥面板内力分析更为复杂。 除此之外， FRP材料具有较强的设计性， 在应用过程中能够使用多种设计工艺， 因此FRP桥面板也能够根据实际需求来进行设计加工， 进而提高整个桥面板的适用性和性能。 与此同时， 在确定桥梁结构形式的基础上， 还可通过科学的手段来进一步优化处理FRP桥面板的尺寸和形状， 以此来提高FRP桥面板的使用性能，并且在此过程中也可以利用外缠纤维的方式来提高FRP桥面板的变形能力。 经过实验研究发现， 对两块FRP桥面板的外部进行纤维缠绕后， 其变形能力提高有3.2 倍， 但实际重量只增加到原来的120%。由此可见， 结构形式设计是决定整个FRP桥面板性能的关键所在， 并且在后期附加支持结构的辅助下，整个FRP桥面板的性能也有着极大的提升， 对于提高桥梁结构强度和使用寿命有着重要的作用。

3 利用FRP材料加固危桥实例

3.1 工程概况

某地雨棚建设主要采用三角形桁架结构， 其中所有构件均为FRP材质。 雨棚顶部结构三角形桁架高度0.6m， 桁架边缘悬出0.5m， 桁架每边固定4根用于加固的檩条。

材料： 桁架结构中的上弦杆、 下弦杆、 腹杆均为FRP方管， 方管壁厚为3mm， 长*宽=33mm*40mm。 GFRP型材力学性能同上， 见表1。

3.2 载荷取值

本工程在重力载荷计算过程中， 主要计算桁架自重和管道均布力， 其中衍架自重以GFRP型材重力密度γ=20kN/m3为基准； 管道均不力的计算包含有管道、 介质、 保温层、 外部装饰等重量， 最终得出均不力为4.2kN/m。

3.3 计算模型

雨棚三角桁架结构采用midas-civil2011 进行分析计算， 其中上弦杆为梁单元， 下弦杆以及腹杆应用桁架单元。 计算模型建立如图1 所示。

图1 三角形桁架雨棚计算模型

3.4 计算结果

经过对雨棚桁架计算模型的力学性能分析， 发现上弦杆两单元最大拉应力为19.6MPa， 最大压应力为37.4MPa； 而由下弦杆以及腹杆所构成的桁架单元最大拉应力为15.3MPa， 最大压应力为0.7MPa。 由此可知设计值远大于构件所产生的实际应力。 在FRP雨棚建立过程中， FRP材料是桁架结构件设的关键，因此需要针对FRP型材力学性能进行计算， 在模型当中可以得出最大节点力为6.2kN。

根据计算模型得出该桁架结构设计， 为了确保承载力能够达到预期要求水平， 因此在内外板粘接过程中采用玻璃纤维/环氧树脂复合材料进行胶栓连接。 其中弹性模量Ei=E0 =30GPa， 式试样宽度Wi=W0 =40mm， ti=6mm， t0 =10mm。 胶粘剂为某地生产的工程复合材料， 经过检验发现其等效理想弹性-塑性模型为γe=0.092， γp =0.041， 剪切力τp=20.23MPa。 其中所采用的螺栓为FRP螺栓， 其直径为16mm， 紧固力矩为15N×m， 螺栓孔直径为18mm， 其弹性模量Eb =30GPa， 螺栓与搭板间的摩擦因素为μ=0.3， 胶栓混合接头胶层厚度η为0.5mm。

因此可以计算出加载力度为。

因此最大承载力P=Pashesive=36.3kN大于6.2kN， 符合在三角桁架建设安全要求。

4 结语

综上所述， 桥梁是当前社会经济发展的重要交通设施， 良好的桥梁建设对推动我国社会的可持续发展有着重要的作用。 随着新材料技术的研发， FRP材料也被应用在桥梁建设过程中， 经过当前各专家学者对FRP材料力学性能的研究， 也逐步将该类材料应用在各种桥型结构方面， 这不仅能够有效的加快桥梁工程的施工进度， 对提高桥梁结构强度和使用寿命也有着重要的作用。 但从实际情况， 应用FRP材料进行桥梁设计需要耗费更大的成本， 因此相关研究人员还需要加大对该方面的研究， 将该种材料广泛的应用于我国基建设置， 这对于推动我国经济增长也有着重要的作用。