何 琦

(新疆維吾爾自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830006)

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GFRP橋梁組合結(jié)構(gòu)形式的探討

何 琦

(新疆維吾爾自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830006)

玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(GFRP)擁有質(zhì)輕、比強(qiáng)度高、耐腐蝕以及材料的可設(shè)計(jì)性好等突出優(yōu)點(diǎn)，在土木工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，但由于其具有各向異性、層間強(qiáng)度低、剛度較低、抗剪性能差等缺點(diǎn)，在橋梁領(lǐng)域的應(yīng)用相對(duì)較少，其作為橋梁主要受力構(gòu)件的研究與應(yīng)用是當(dāng)前的熱門課題。文章采用實(shí)驗(yàn)、理論分析與有限元相結(jié)合的方法，提出較優(yōu)的GFRP橋梁組合結(jié)構(gòu)類型及形式，并評(píng)析了該結(jié)構(gòu)形式的力學(xué)性能和經(jīng)濟(jì)性能。

GFRP；有限元；橋梁；組合結(jié)構(gòu)；力學(xué)性能；經(jīng)濟(jì)性能

0 引言

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有很強(qiáng)的可塑性和結(jié)構(gòu)適應(yīng)性，與鋼材以及合金等金屬材料相比，復(fù)合材料能夠同時(shí)擁有質(zhì)輕、比強(qiáng)度和比剛度高、耐腐蝕以及材料的可設(shè)計(jì)性等突出優(yōu)點(diǎn)。近年來隨著GFRP(玻璃纖維)產(chǎn)量和性能的提高以及成型工藝的日益成熟，GFRP在土木工程中的應(yīng)用得到迅速推廣，但要作為橋梁工程的主要受力構(gòu)件，還有大量的問題亟待解決。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的是為了確定合理的結(jié)構(gòu)體系、截面形式、各部分的大小、連接構(gòu)造等，要對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性的檢查。GFRP復(fù)合材料擁有各向異性、層間強(qiáng)度低、剛度較低、抗剪

特性差的特點(diǎn)，所以在該類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最重要的是要充分發(fā)揮GFRP材料的優(yōu)點(diǎn)，盡量避免其缺點(diǎn)。因此，探討出較優(yōu)的GFRP組合橋梁結(jié)構(gòu)類型和組合結(jié)構(gòu)形式很重要。

1 材料實(shí)驗(yàn)

GFRP的材料性能與其生產(chǎn)工藝密切相關(guān)，GFRP組合橋梁結(jié)構(gòu)多采用拉擠成型的GFRP材料。為了能準(zhǔn)確掌握GFRP材料的性能，為GFRP組合橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供材料參數(shù)和研究依據(jù)，根據(jù)GFRP構(gòu)件在結(jié)構(gòu)中所起到的作用和受力狀態(tài)，本文對(duì)目前使用較廣泛的拉擠成型工藝生成的、纖維含量70%的E玻璃纖維/環(huán)氧樹脂型GFRP材料進(jìn)行拉伸、軸壓試驗(yàn)。

1.1 拉伸實(shí)驗(yàn)

沿試件軸向施加勻速靜態(tài)拉力，直到試件達(dá)到預(yù)定伸長(zhǎng)量或發(fā)生斷裂為止。在試驗(yàn)過程中，試件上的載荷和伸長(zhǎng)量都需要測(cè)量，然后計(jì)算拉伸應(yīng)力或強(qiáng)度、彈性模量、斷裂伸長(zhǎng)率以及繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線。該拉伸試驗(yàn)參照的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)是纖維增強(qiáng)塑料性能試驗(yàn)方法總則(GB/T1446-2005)和玻璃纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法(GB/T1447-05)。試驗(yàn)儀器：液壓萬能試驗(yàn)機(jī)。

1.2 壓縮實(shí)驗(yàn)

受篇幅限制，在此不再復(fù)述。

1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

通過上述實(shí)驗(yàn)和查閱相關(guān)文獻(xiàn)得出該類GFRP材料的力學(xué)屬性，見表1。

表1 材料參數(shù)表

2 GFRP組合梁式橋梁結(jié)構(gòu)類型

2.1 主體承重結(jié)構(gòu)

在橋梁工程中，將GFRP結(jié)構(gòu)或GFRP組合結(jié)構(gòu)作為橋梁主要承重結(jié)構(gòu)的應(yīng)用并不多。對(duì)于GFRP做主要承重結(jié)構(gòu)的中小跨徑橋梁，多采用的結(jié)構(gòu)形式大致分為兩種：GFRP梁板結(jié)構(gòu)和GFRP桁架結(jié)構(gòu)。

由于GFRP構(gòu)件性能受其生產(chǎn)工藝的影響極大，因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)時(shí)，必須著重考慮其相應(yīng)的生產(chǎn)工藝。目前GFRP的生產(chǎn)工藝中，拉擠成型工藝是使用最廣泛、制品質(zhì)量最優(yōu)、生產(chǎn)效率最高、制品質(zhì)量離散率最小的工藝，也是未來GFRP生產(chǎn)工藝的主流趨勢(shì)，但是拉擠成型FRP制品的纖維走向單一，多為沿拉擠方向，所以可看作正交異性材料。從構(gòu)件的生產(chǎn)和質(zhì)量的角度考慮，GFRP橋梁結(jié)構(gòu)宜盡量采用拉擠成型的GFRP材料。

GFRP桁架結(jié)構(gòu)多采用拉擠成型的GFRP構(gòu)件，具備以下優(yōu)點(diǎn)：(1)結(jié)構(gòu)形式輕盈、造型美觀；(2)施工快捷、技術(shù)成熟；(3)主要承受軸力，與拉擠成型GFRP材料性能可較好地吻合；(4)便于檢查、拆卸、養(yǎng)護(hù)?；谝陨咸攸c(diǎn)，GFRP桁架結(jié)構(gòu)具備良好的經(jīng)濟(jì)性與適用性，在未來的復(fù)合材料橋梁中將占據(jù)不可或缺的地位，甚至是主導(dǎo)地位，因此本文將對(duì)GFRP桁架組合結(jié)構(gòu)展開探討。

2.2 橋面板結(jié)構(gòu)

從拉擠成型GFRP材料試驗(yàn)可知，GFRP的抗拉性能較好但抗壓性能較弱，因此在GFRP桁架橋中，不宜全采用純GFRP構(gòu)件作為抗壓構(gòu)件，而應(yīng)該有針對(duì)性地，在壓力較大的地方進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，避免GFRP承受較大壓力荷載。近年來GFRP橋面板在橋梁工程中的應(yīng)用越來越廣泛，但在本文探討的GFRP桁架組合結(jié)構(gòu)中，為避免桁架受壓區(qū)構(gòu)件承受較大壓力荷載，宜采用鋼筋混凝土橋面板，且桁架結(jié)構(gòu)宜為上承式結(jié)構(gòu)。在該結(jié)構(gòu)中，GFRP構(gòu)件和混凝土橋面板之間采用剪力連接件進(jìn)行連接，形成GFRP-混凝土板的組合結(jié)構(gòu)。其受壓構(gòu)件不采用鋼材是因?yàn)殇摬牡姆栏g性、耐久性和抗疲勞性等性能都相對(duì)較差。

3 GFRP組合梁式橋梁結(jié)構(gòu)形式及力學(xué)性能分析

3.1 結(jié)構(gòu)形式

由以上內(nèi)容中可知，適合GFRP組合橋梁的結(jié)構(gòu)類型為GFRP桁架式組合橋梁及GFRP-混凝土橋面板結(jié)構(gòu)。本文在參考并借鑒鋼桁架結(jié)構(gòu)形式的基礎(chǔ)上，結(jié)合GFRP材料力學(xué)特性，給出合理的GFRP桁架式組合橋梁結(jié)構(gòu)形式，見圖1。

為準(zhǔn)確分析該結(jié)構(gòu)形式的力學(xué)性能與經(jīng)濟(jì)性能，本文以單跨40 m，4車道的簡(jiǎn)支梁橋?yàn)槔?，具體給出了各類桁架構(gòu)件的截面形式與構(gòu)件尺寸。截面形式為工字型，尺寸見表2(H為截面高，B1、B2為頂和底的翼緣板寬度，tf1、tf2為頂和底的翼緣板厚度，tw為腹板厚度，r1、r2為轉(zhuǎn)角半徑)。

圖1 GFRP組合結(jié)構(gòu)形式示意圖

表2 截面尺寸表

3.2 力學(xué)性能分析

基于上述結(jié)構(gòu)形式和構(gòu)件尺寸，本文借助MIDAS有限元軟件分析其在公路Ⅰ級(jí)荷載及其自重作用下的力學(xué)性能，見圖2～4。

圖2 GFRP橋梁組合結(jié)構(gòu)模型圖

圖3 GFRP橋面板及車道布置圖

圖4 縱向桁架軸力圖(N)

3.2.1 強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果見圖5、表3。

圖5 整體應(yīng)力圖

表3 強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果表

3.2.2 剛度計(jì)算結(jié)果(圖6)

圖6 豎向位移分布圖

3.2.3 穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

本文采用的是歐拉公式：

(1)

其中：Fcr——臨界力；

EI——抗壓剛度；

L——構(gòu)件長(zhǎng)度。

當(dāng)構(gòu)件受到的壓力F

計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 穩(wěn)定性計(jì)算表

3.2.4 結(jié)果分析

上述計(jì)算結(jié)果表明：(1)本文給出的構(gòu)件尺寸較為合理，強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性指標(biāo)都能滿足規(guī)范要求，且不浪費(fèi)，具備工程實(shí)用性。(2)該類GFRP橋梁組合結(jié)構(gòu)能充分發(fā)揮GFRP材料的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)能有效避免GFRP材料的劣勢(shì)，且橋梁組合結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高、穩(wěn)定性較好、但剛度稍弱。(3)剛度和穩(wěn)定性是該類橋梁設(shè)計(jì)時(shí)的重要控制指標(biāo)。

4 經(jīng)濟(jì)性能

本文設(shè)計(jì)并研究的GFRP復(fù)合材料組合結(jié)構(gòu)橋梁其上部結(jié)構(gòu)中，GFRP的用量為10.5t。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，本文采用的拉擠成型纖維含量70%的E玻璃纖維型GFRP復(fù)合材料工字鋼的市場(chǎng)價(jià)格在4萬/t左右。由于市場(chǎng)上現(xiàn)有的GFRP拉擠成型工字鋼的截面尺寸不能滿足本文設(shè)計(jì)的40m跨徑的GFRP組合結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)支梁橋的要求，故本文需要重新設(shè)計(jì)構(gòu)件截面尺寸?？紤]到GFRP拉擠型材的生產(chǎn)受模具尺寸的限制，改變GFRP型材尺寸會(huì)產(chǎn)生額外的模具費(fèi)用，故本文將選用的GFRP型材價(jià)格擴(kuò)大一倍，變?yōu)?萬/t，總的造價(jià)為84萬元。公路一級(jí)荷載下40m跨徑的4車道簡(jiǎn)支預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋的上部結(jié)構(gòu)的造價(jià)大約在100萬左右。由此可見本文設(shè)計(jì)并研究的GFRP組合結(jié)構(gòu)橋梁具備良好的經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)本文設(shè)計(jì)的這種GFRP組合結(jié)構(gòu)橋梁得到推廣后，本文使用的GFRP拉擠成型工字鋼將占據(jù)一定的市場(chǎng)份額，此時(shí)本文采用的GFRP型材價(jià)格將會(huì)不考慮新建模具的費(fèi)用，為4萬/t左右，則GFRP復(fù)合材料組合結(jié)構(gòu)橋梁將越來越顯著地發(fā)揮其經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。此外GFRP材料由于其耐疲勞性、耐腐蝕性和耐久性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過鋼筋混凝土材料和鋼材，因此GFRP橋梁的使用壽命和后期維修費(fèi)用等都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于鋼筋混凝土橋和鋼橋。

5 結(jié)語

(1)GFRP組合橋梁具有良好的發(fā)展與應(yīng)用前景，其組合結(jié)構(gòu)形式以及合理的構(gòu)件尺寸需要高度重視。

(2)本文通過實(shí)驗(yàn)給出了GFRP材料的真實(shí)材料屬性。

(3)針對(duì)GFRP的特性，提出了合理的GFRP橋梁組合結(jié)構(gòu)類型及結(jié)構(gòu)形式，該類橋梁組合結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮了GFRP橋梁的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)較好地規(guī)避了其劣勢(shì)。

(4)給出了可用于工程實(shí)際的具體構(gòu)件詳細(xì)尺寸信息，并進(jìn)行了強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性分析，結(jié)果表明其性能良好。

(5)從市場(chǎng)出發(fā)評(píng)價(jià)了該類GFRP組合橋梁的經(jīng)濟(jì)性能，結(jié)果表明其具有良好的經(jīng)濟(jì)適用性。

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Discussions on Composite Structure Form of GFRP Bridges

HE Qi

(Xinjiang Transportation Planning Surveying and Design Institute，Urumqi，Xinjiang，830006)

Glass fiber reinforced composite(GFRP)has the advantages of light weight，high strength，corrosion-resistant and good material design，which has been widely used in civil engineering fields，but because of its anisotropy，low-intensity between layers，low stiffness，poor poor performance and other defects，it has few applications in the bridges，and its study and application as the main force compo-nent if bridges are the current hot topics.This article used the method combining the experimental，theo-retical analysis and finite element method，proposed the better GFRP bridge composite structure types and forms，and evaluated the mechanical properties and economic performance of this structure form.

GFRP；FEM；Bridge；Composite structure；Mechanical properties；Economic performance

何 琦(1989—)，男，工學(xué)碩士，主要從事橋梁設(shè)計(jì)工作。

U

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.01.011

1673-4874(2015)01-0047-05

2014-12-01