張海龍，佟兆杰，黃僑

(1.深圳市市政設(shè)計研究院有限公司，廣東 深圳 518029; 2.東南大學(xué) 交通學(xué)院)

1 引言

隨著交通運(yùn)輸行業(yè)的發(fā)展，2018年中國公路橋梁總數(shù)已達(dá)85.1萬座。但是由于設(shè)計、施工、養(yǎng)護(hù)、管理等方面的問題，越來越多的橋梁無法達(dá)到設(shè)計壽命。而為了解決這一問題，新技術(shù)、新材料、新工藝不斷應(yīng)用于橋梁創(chuàng)新中。近年來纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)由于其優(yōu)越的力學(xué)性能在橋梁工程中得到了一定應(yīng)用，如：預(yù)應(yīng)力碳纖維板、FRP橋面板、FRP斜拉索等。

鋼-混組合梁橋的橋面板在荷載及環(huán)境侵蝕的耦合作用下，成為了組合梁橋的易損構(gòu)件之一。為了提高橋面板的耐久性，將FRP材料加入到橋面板的設(shè)計中成為了改善原有混凝土橋面板耐久性的方向之一。混凝土位于橋面板頂部，F(xiàn)RP板位于橋面板底部，兩者組合形成FRP-混凝土組合板。FRP板可以參與橫橋向受力代替部分底層鋼筋，并且可以阻擋來自于橋面板底部的環(huán)境侵蝕。鋼梁與FRP-混凝土組合板通過抗剪連接件連接，兩者組合即：FRP-混凝土-鋼組合梁。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對FRP-混凝土-鋼組合梁橋計算理論開展了一些研究，如：組合板、組合梁、FRP-混凝土界面的力學(xué)機(jī)理研究等，但是關(guān)于FRP-混凝土-鋼組合梁橋的工程應(yīng)用還較少。合肥市郎溪路工程高架橋E匝道第二聯(lián)為預(yù)應(yīng)力GFRP-混凝土-鋼組合連續(xù)梁橋，該文結(jié)合該工程項目，對該種橋型的設(shè)計、建造進(jìn)行介紹。

2 項目概況

合肥市郎溪路工程高架橋E匝道第二聯(lián)為GFRP-混凝土-鋼組合連續(xù)梁橋，其跨徑為(25+35+25) m，2018年竣工，如圖1所示。該橋的橋面板為GFRP-混凝土組合橋面板，該橋的組合梁為GFRP-混凝土-鋼組合梁。橋梁總長85 m，橋?qū)?.5 m，橋梁的截面形式為GFRP+混凝土+鋼梁。橋梁總體布置圖如圖2所示。

圖1 GFRP-混凝土-鋼組合梁橋

圖2 橋梁總體布置圖(單位：cm)

3 GFRP-混凝土-鋼組合梁橋的設(shè)計

圖3為GFRP-混凝土-鋼箱梁斷面圖，位于混凝土底面的GFRP板與混凝土組合形成GFRP-混凝土組合橋面板，組合板與鋼梁通過栓釘進(jìn)行連接。GFRP板在栓釘處斷開，由于GFRP板不連續(xù)通過鋼腹板，可以避免栓釘處GFRP板與栓釘相交的復(fù)雜處理。

圖3 GFRP-混凝土-鋼箱梁斷面圖(單位：mm)

在受力方面，在橫橋向正彎矩區(qū)，GFRP板位于橋面板底部承擔(dān)拉力，可以降低橫橋向鋼筋的配置。在耐久性方面，GFRP板阻擋了來自橋面板底部的氯離子、二氧化碳的侵蝕，有效降低了鋼筋銹蝕、混凝土碳化及荷載耦合作用的危害，提高了橋面板的長期性能，并進(jìn)一步提高了組合梁橋的使用壽命。此外，GFRP-混凝土板與鋼梁通過伸入到橋面板中的栓釘連接，縱橋向受力主要由GFRP-混凝土-鋼組合梁承擔(dān)，橫橋向受力主要由GFRP-混凝土板承擔(dān)，整個結(jié)構(gòu)受力明確。

圖4為GFRP板橫斷面圖，GFRP板由底板、肋板、定位板組成。每個GFRP板單元的寬度為450 mm，其中GFRP板寬449 mm，膠層厚度1 mm。GFRP板與GFRP板通過涂抹在肋板上的環(huán)氧樹脂形成一體，為了提高板與板間的拼接精度，在肋板相交的位置設(shè)置定位板。此外，為了方便縱橋向鋼筋的架設(shè)，在GFRP肋板頂部開槽，如圖5所示。

圖4 帶定位板的GFRP板橫斷面圖(單位：mm)

圖5 GFRP板實景圖

GFRP板與混凝土通過GFRP底板表面的界面連接在一起。GFRP板與混凝土的界面形式有無黏結(jié)界面、礫石界面、粗砂界面和濕膠界面，如圖6所示。不同界面形式的簡支板靜力試驗結(jié)果表明：濕膠界面和50%覆蓋率的礫石界面提供的組合作用最好。這里考慮到在膠體凝固前完成混凝土澆筑的濕膠界面不適合于實際工程環(huán)境，采用50%覆蓋率的礫石界面作為工程中的GFRP-混凝土界面形式。圖7為不同界面形式的GFRP-混凝土組合板靜力加載圖。

4 GFRP-混凝土板工程實例分析

采用單向板的理論公式對實橋中的GFRP-混凝土組合板進(jìn)行剛度、抗彎承載力、應(yīng)力計算，并通過與原設(shè)計方案的比較說明GFRP板對原結(jié)構(gòu)受力性能的影響。

圖6 不同GFRP-混凝土界面形式

圖7 不同界面形式的GFRP-混凝土簡支板試驗

4.1 開裂剛度計算

參考文獻(xiàn)[12]的換算截面法進(jìn)行GFRP-混凝土組合板開裂截面彎曲剛度計算，計算模型如圖8所示。由于GFRP肋板設(shè)置了槽口，在彎曲計算中偏于安全地忽略肋板的貢獻(xiàn)。取橫橋向單位板寬GFRP-混凝土板進(jìn)行計算，如圖9所示。

圖8 開裂截面換算截面計算圖式

圖9 橫橋向單位板寬圖(單位：mm)

首先依據(jù)換算截面受拉區(qū)和受壓區(qū)對中和軸的凈距相等求解受壓區(qū)高度x。

(1)

式中：b為橋面板的寬度；tf1為GFRP底板的厚度；As為上層鋼筋面積；q為混凝土頂面到受壓鋼筋中心線的距離；x為混凝土受壓區(qū)的高度；As2為下層鋼筋面積；h0為混凝土頂面到GFRP底板中心線的距離；h01為混凝土頂面到受拉鋼筋中心線的距離；αES為鋼筋彈性模量與混凝土彈性模量的比值;αEG為GFRP在橋縱向的彈性模量與混凝土彈性模量的比值。

由方程(1)得到x，將其代入式(2)可得組合板開裂截面換算截面慣性矩：

(2)

受拉鋼筋應(yīng)力σs2可通過式(3)計算：

(3)

當(dāng)tf1=0時，由方程(1)求解得原設(shè)計橋面板的受壓區(qū)高度x′。之后通過式(4)得原設(shè)計橋面板開裂截面換算截面慣性矩I′cr，通過式(5)得受拉鋼筋應(yīng)力σ′s2。

(4)

(5)

表1為加入GFRP板后鋼筋應(yīng)力及開裂截面換算截面慣性矩的變化。表1中I′cr的計算值為5.68×108mm4，Icr的計算值為8.44×108mm4，加入GFRP板后，組合板的慣性矩提高了約49%。將計算慣性矩代入式(3)、(5)中并進(jìn)行比較，得到加入GFRP板后組合板的鋼筋應(yīng)力降低了約30%。由于GFRP板的貢獻(xiàn)，鋼筋應(yīng)力降低了，疲勞荷載下橋面板的受力性能得到了改善。此外，考慮到GFRP板對混凝土的保護(hù)以及對裂縫寬度的限制，組合板的耐久性將會進(jìn)一步提升。整體來說，在原鋼筋混凝土板基礎(chǔ)上加入GFRP板，將改善橋面板在疲勞、銹蝕下的受力。

4.2 抗彎承載力計算

參考文獻(xiàn)[13]的截面分析法進(jìn)行抗彎承載力計算，計算圖式如圖10所示。其中：εas1為上層鋼筋應(yīng)變；εas2為下層鋼筋應(yīng)變；εcu為混凝土極限壓應(yīng)變，這里取0.003 3；εf1為GFRP板中心線應(yīng)變；Nc為受壓區(qū)混凝土合力；Nas為上層鋼筋合力；Tf為GFRP板合力；Tas為下層鋼筋合力。

表1 鋼筋應(yīng)力及開裂截面慣性矩對比

圖10 抗彎承載力計算圖式

當(dāng)計算原鋼筋混凝土板抗彎承載力時，令Tf=0進(jìn)行求解?；谄浇孛婕俣ㄍ茖?dǎo)截面應(yīng)變的相互關(guān)系，之后通過內(nèi)力平衡方程計算出極限抗彎承載力。

基于截面分析法的鋼筋混凝土板抗彎承載力為199 kN·m，GFRP-混凝土組合板抗彎承載力為560 kN·m，抗彎承載力提高了181%。

5 結(jié)語

GFRP-混凝土-鋼組合梁橋利用GFRP板在橫橋向受力的貢獻(xiàn)，降低了活載作用下橋面板中的鋼筋應(yīng)力，增強(qiáng)了橋面板的抗疲勞性能，并且通過GFRP優(yōu)良的耐久性能提高了混凝土橋面板的抗環(huán)境侵蝕能力。GFRP-混凝土組合橋面板改善了原橋面板的受力，提高了橋面板的長期性能，并進(jìn)一步提高組合梁橋的使用壽命。此外，由于GFRP板在抗彎承載力中的貢獻(xiàn)，原鋼筋混凝土橋面板承載力得以提高。

GFRP-混凝土-鋼組合梁橋作為一種新型組合梁橋，為中小跨徑橋梁設(shè)計提供了一種新的選擇。隨著對該種組合梁橋設(shè)計理論及工程實踐的積累，越來越多的GFRP-混凝土-鋼組合梁橋?qū)⒃诠こ讨械玫綉?yīng)用。