王東波

（中鐵十二局集團(tuán)有限公司勘測(cè)設(shè)計(jì)分公司， 山西 太原 030024）

現(xiàn)階段， 我國(guó)人民的生活水平有了進(jìn)一步的提升， 這也導(dǎo)致國(guó)民在交通出行方面有更高的要求。橋梁作為交通出行當(dāng)中最重要的一項(xiàng)設(shè)施， 其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和服務(wù)壽命與國(guó)民的生活有著巨大的聯(lián)系[1]。從目前來(lái)看， 我國(guó)傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)橋梁在實(shí)際的使用過(guò)程中往往由于鋼筋銹蝕、 混凝土開裂等問(wèn)題嚴(yán)重的影響了橋梁的功能， 這也對(duì)國(guó)民的通行安全產(chǎn)生了巨大的影響。 因此， 如何解決傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)橋梁當(dāng)中所存在的問(wèn)題也成為每一個(gè)建筑工程企業(yè)都需要思考的問(wèn)題。 隨著新型纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP） 的出現(xiàn)， 也給橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了一種新的方案， 該種材料的應(yīng)用在一定程度上也有效的提高了橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[2]。

1 FRP在橋梁工程當(dāng)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)混凝土橋梁由于其受力條件相對(duì)復(fù)雜， 在長(zhǎng)時(shí)間的使用過(guò)程中受到的限制因素更多， 這也使其容易出現(xiàn)各種病害， 如果沒(méi)有加強(qiáng)對(duì)橋梁后期的維護(hù)保養(yǎng)， 很有可能出現(xiàn)安全事故。 因此加強(qiáng)對(duì)新型橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和研究也成為基建行業(yè)發(fā)展的必然方向[3]。 近年來(lái)， 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展， 各種新材料也被應(yīng)用在建筑工程行業(yè)當(dāng)中， 其中在橋梁工程當(dāng)中FRP便有著良好的應(yīng)用， 該種材料在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中的應(yīng)用具有如下幾種優(yōu)勢(shì)： 1） 能夠有效加快橋梁架設(shè)施工速度。 相比較傳統(tǒng)鋼筋混凝土橋梁建設(shè)而言， FRP材料的應(yīng)用能夠有效的提高施工速度， 在架設(shè)過(guò)程中操作更為便捷， 目前在城市快速通行橋梁、 跨線橋梁的建設(shè)過(guò)程中具有更高的適用性； 2） 具有更強(qiáng)的抗腐蝕能力。 FRP材料在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中具有更加優(yōu)異的抗腐蝕能力，F(xiàn)RP材料基體和纖維為抗腐蝕材料， 在橋梁設(shè)計(jì)當(dāng)中的應(yīng)用相比較傳統(tǒng)鋼筋混凝土具有更強(qiáng)的抗腐蝕性， 這對(duì)于提高橋梁使用安全性和壽命也有著重要的作用[4]。

2 橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中FRP力學(xué)性能的運(yùn)用

2.1 輕質(zhì)FRP橋梁

2.1.1 結(jié)構(gòu)形式

輕質(zhì)FRP橋梁主要作為人行天橋來(lái)使用， 其中所應(yīng)用的主要建材為FRP材料， 該種材料的應(yīng)用能夠有效的降低橋梁的自重。 目前， 在我國(guó)各地所應(yīng)用的FRP輕質(zhì)橋梁形式主要有以下幾種： 1） 桁架橋。 該種橋梁形式選用的構(gòu)件為拉擠型材質(zhì)， 在實(shí)際連接過(guò)程中以螺栓或黏結(jié)為主； 2） 梁式橋。 梁式橋是目前我國(guó)橋梁建設(shè)應(yīng)用最廣泛的一種橋梁結(jié)構(gòu)形式， 主要利用斷面較大的拉擠型材或RTM型材為主梁結(jié)構(gòu)； 3） 斜拉橋。 此種橋梁形式在建設(shè)過(guò)程中將FRP材料應(yīng)用在主梁和橋塔等部位， 以此來(lái)提高橋梁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和耐久性； 4） 吊橋。 顧名思義， 該種橋梁結(jié)構(gòu)形式主要是利用吊索懸掛橋梁主材的一種橋梁形式， 在輕質(zhì)FRP吊橋橋梁建設(shè)過(guò)程中， 主梁采用FRP材料， 如此能夠提高橋梁的強(qiáng)度。

2.1.2 力學(xué)性能分析

經(jīng)過(guò)對(duì)輕質(zhì)FRP橋梁結(jié)構(gòu)的力學(xué)情況進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn)， 該種類型橋梁雖然剛度較小， 但實(shí)際承載能力較強(qiáng)， 因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)變形的控制。 目前， 我國(guó)在橋梁建筑標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中規(guī)定拱橋或桁架橋形式的人行橋荷載變形為1/800， 梁板式人行橋荷載變形為1/600， 這些數(shù)據(jù)主要是針對(duì)鋼筋混凝土材料橋梁所做出的規(guī)范。 針對(duì)FRP橋梁而言， 由于該種材料具有較強(qiáng)的彈性形變量， 因此載荷變形要求應(yīng)當(dāng)適當(dāng)?shù)募哟螅?以此來(lái)提高強(qiáng)度利用率。 例如，針對(duì)FRP箱梁而言， 可以將跨度變形極限控制在1/40 跨長(zhǎng)以內(nèi)， 此時(shí)根據(jù)對(duì)橋梁受力情況分析發(fā)現(xiàn)，橋梁結(jié)構(gòu)材料利用率低于10%， 這也表明在確定FRP橋梁荷載變形量時(shí)不僅需要加強(qiáng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性的關(guān)注， 同時(shí)還需要適當(dāng)放寬對(duì)材料的變形要求。 譬如將FRP人行橋梁變形量控制在跨長(zhǎng)的1/400。 在試驗(yàn)過(guò)程中， FRP橋梁結(jié)構(gòu)在實(shí)際的受力過(guò)程中表現(xiàn)出良好的線性彈性， 并且隨著載荷的不斷增大， 線性變形也在增加， 在出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞之前， 整個(gè)橋梁的結(jié)構(gòu)變形較為明顯。 在試驗(yàn)當(dāng)中，F(xiàn)RP架構(gòu)在變形達(dá)到1/40 跨長(zhǎng)時(shí)， 構(gòu)件并沒(méi)有出現(xiàn)破壞， 在持續(xù)提高橋梁承載力后， 結(jié)構(gòu)才發(fā)生破壞，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)， 結(jié)構(gòu)破壞時(shí)載荷并不固定， 因此需要根據(jù)FRP橋梁結(jié)構(gòu)變形程度來(lái)進(jìn)一步判斷其承載力的極限。

2.1.3 設(shè)計(jì)計(jì)算

在試驗(yàn)當(dāng)中， 針對(duì)FRP橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行力學(xué)載荷計(jì)算時(shí)， 需要將FRP材料的線彈性考慮在內(nèi)，并且在實(shí)際的計(jì)算過(guò)程中還需要根據(jù)FRP材料的情況來(lái)進(jìn)行建模分析， 以此來(lái)計(jì)算FRP橋梁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。 從整個(gè)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面來(lái)看， FRP橋梁剪切方向和垂直纖維防線的強(qiáng)度較低， 在出現(xiàn)較大載荷的情況下容易出現(xiàn)剪切破壞。 除此之外， FRP材料剪切模量相對(duì)較小， 在承受較大載荷時(shí)， 橋梁變形主要以剪切變形為主， 此類變形能夠占據(jù)總變形量的20%。 因此， 為了在橋梁工程當(dāng)中有效的應(yīng)用FRP材料， 應(yīng)當(dāng)針對(duì)FRP材料的剪切變形進(jìn)行科學(xué)的計(jì)算， 在計(jì)算過(guò)程中應(yīng)當(dāng)通過(guò)G=T/Y來(lái)求取彈性模量， 以此來(lái)確保材料性能能夠滿足工程的應(yīng)用需求。

2.2 快速架設(shè)應(yīng)急FRP橋

2.2.1 結(jié)構(gòu)形式

快速架設(shè)應(yīng)急FRP橋是我國(guó)目前災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)中最常見的一種通行方式， 為了提高救災(zāi)的高效性和可靠性， 快速架設(shè)應(yīng)急FRP橋不僅需要較強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性和適應(yīng)性， 還需要具備快速架設(shè)要求， 而FRP材料的性能符合上述需求。 就目前橋梁建設(shè)實(shí)際情況來(lái)看， 各國(guó)在火災(zāi)、 爆炸、 地震等災(zāi)害面前， 所應(yīng)用的快速架設(shè)應(yīng)急FRP橋主要以拼裝桁架式、 板梁式、 可展桁架式結(jié)構(gòu)為主， 在實(shí)際的應(yīng)用當(dāng)中需要根據(jù)應(yīng)用區(qū)域環(huán)境和實(shí)際情況來(lái)選擇合理的橋梁結(jié)構(gòu)形式， 如此才能確保應(yīng)急FRP橋梁的應(yīng)用價(jià)值。

2.2.2 關(guān)鍵設(shè)計(jì)問(wèn)題

為了保障FRP材料在快速架設(shè)應(yīng)急橋的設(shè)計(jì)方面有所應(yīng)用， 相關(guān)設(shè)計(jì)人員首先需要加強(qiáng)對(duì)應(yīng)急橋結(jié)構(gòu)體系的研究。 在快速架設(shè)應(yīng)急橋的建設(shè)過(guò)程中所采用的材料以金屬為主， 在計(jì)算過(guò)程中應(yīng)當(dāng)以金屬結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為主， 但如果應(yīng)用的是FRP材料， 不應(yīng)當(dāng)將金屬計(jì)算方式應(yīng)用在FRP橋梁結(jié)構(gòu)當(dāng)中， 以此來(lái)表現(xiàn)架設(shè)方案和后續(xù)檢驗(yàn)不合格的問(wèn)題。 對(duì)于快速架設(shè)應(yīng)急FRP橋梁而言， 為了更好的為災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)， 需要具有良好的連接性， 確保相關(guān)構(gòu)件能夠在現(xiàn)場(chǎng)完成拼接， 只有在保障完好連接情況的基礎(chǔ)上， 才能夠提高整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力和穩(wěn)定性。因此， 在快速架設(shè)應(yīng)急FRP橋的設(shè)計(jì)過(guò)程中， 相關(guān)設(shè)計(jì)人員需要加強(qiáng)對(duì)各構(gòu)件連接性能的關(guān)注和計(jì)算，并且將后期承載載荷考慮在內(nèi)， 以此為基礎(chǔ)來(lái)進(jìn)行承載力的計(jì)算， 進(jìn)而選擇合理的連接方式， 以此來(lái)提高施工質(zhì)量。

2.3 FRP橋面板

2.3.1 結(jié)構(gòu)形式

FRP橋面板是當(dāng)前橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中應(yīng)用最廣泛的構(gòu)件之一， 通常情況下， FRP橋面板結(jié)構(gòu)形式以?shī)A芯板、 拉擠型材空心板、 面板與型材芯組合板等為主。 其中夾芯板最為常見， 該種板材結(jié)構(gòu)性能良好， 在實(shí)際的制造過(guò)程中主要以RTM制造工藝為主， 該類橋梁在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中在跨長(zhǎng)1/600 變形情況下承受較大的載荷力， 并且可以將整個(gè)板材的振動(dòng)頻率控制在3Hz左右， 進(jìn)而確保行人通行的舒適度。 而拉擠型空心板在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中具有零號(hào)的適應(yīng)性， 能夠通過(guò)建設(shè)需求被加工成不同形狀的板材， 但需要注意的是斷面尺寸不可過(guò)大。 相比較傳統(tǒng)混凝土橋面板而言， FRP橋面板的造價(jià)更高， 最高會(huì)達(dá)到傳統(tǒng)橋板成本的三倍以上， 雖然FRP橋面板前期投入較大， 但其使用壽命和使用安全性更高， 后期維護(hù)也更加簡(jiǎn)單。

2.3.2 力學(xué)性能分析

在FRP橋面板的實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中， 整體橋板受力主要以剪切力為主， 并且在整個(gè)橋板上部分地方還受到擠壓或沖切的用力， 如果在橋板上施加非對(duì)稱的載荷力， 整個(gè)橋板受力截面還會(huì)產(chǎn)生一定的扭矩， 再加上FRP材料的各項(xiàng)性能， 這也導(dǎo)致整個(gè)FRP橋面板內(nèi)力分析更為復(fù)雜。 除此之外， FRP材料具有較強(qiáng)的設(shè)計(jì)性， 在應(yīng)用過(guò)程中能夠使用多種設(shè)計(jì)工藝， 因此FRP橋面板也能夠根據(jù)實(shí)際需求來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)加工， 進(jìn)而提高整個(gè)橋面板的適用性和性能。 與此同時(shí)， 在確定橋梁結(jié)構(gòu)形式的基礎(chǔ)上， 還可通過(guò)科學(xué)的手段來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化處理FRP橋面板的尺寸和形狀， 以此來(lái)提高FRP橋面板的使用性能，并且在此過(guò)程中也可以利用外纏纖維的方式來(lái)提高FRP橋面板的變形能力。 經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)， 對(duì)兩塊FRP橋面板的外部進(jìn)行纖維纏繞后， 其變形能力提高有3.2 倍， 但實(shí)際重量只增加到原來(lái)的120%。由此可見， 結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)是決定整個(gè)FRP橋面板性能的關(guān)鍵所在， 并且在后期附加支持結(jié)構(gòu)的輔助下，整個(gè)FRP橋面板的性能也有著極大的提升， 對(duì)于提高橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和使用壽命有著重要的作用。

3 利用FRP材料加固危橋?qū)嵗?/h2>

3.1 工程概況

某地雨棚建設(shè)主要采用三角形桁架結(jié)構(gòu)， 其中所有構(gòu)件均為FRP材質(zhì)。 雨棚頂部結(jié)構(gòu)三角形桁架高度0.6m， 桁架邊緣懸出0.5m， 桁架每邊固定4根用于加固的檁條。

材料： 桁架結(jié)構(gòu)中的上弦桿、 下弦桿、 腹桿均為FRP方管， 方管壁厚為3mm， 長(zhǎng)*寬=33mm*40mm。 GFRP型材力學(xué)性能同上， 見表1。

3.2 載荷取值

本工程在重力載荷計(jì)算過(guò)程中， 主要計(jì)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為基準(zhǔn)； 管道均不力的計(jì)算包含有管道、 介質(zhì)、 保溫層、 外部裝飾等重量， 最終得出均不力為4.2kN/m。

3.3 計(jì)算模型

雨棚三角桁架結(jié)構(gòu)采用midas-civil2011 進(jìn)行分析計(jì)算， 其中上弦桿為梁?jiǎn)卧?下弦桿以及腹桿應(yīng)用桁架單元。 計(jì)算模型建立如圖1 所示。

圖1 三角形桁架雨棚計(jì)算模型

3.4 計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過(guò)對(duì)雨棚桁架計(jì)算模型的力學(xué)性能分析， 發(fā)現(xiàn)上弦桿兩單元最大拉應(yīng)力為19.6MPa， 最大壓應(yīng)力為37.4MPa； 而由下弦桿以及腹桿所構(gòu)成的桁架單元最大拉應(yīng)力為15.3MPa， 最大壓應(yīng)力為0.7MPa。 由此可知設(shè)計(jì)值遠(yuǎn)大于構(gòu)件所產(chǎn)生的實(shí)際應(yīng)力。 在FRP雨棚建立過(guò)程中， FRP材料是桁架結(jié)構(gòu)件設(shè)的關(guān)鍵，因此需要針對(duì)FRP型材力學(xué)性能進(jìn)行計(jì)算， 在模型當(dāng)中可以得出最大節(jié)點(diǎn)力為6.2kN。

根據(jù)計(jì)算模型得出該桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)， 為了確保承載力能夠達(dá)到預(yù)期要求水平， 因此在內(nèi)外板粘接過(guò)程中采用玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料進(jìn)行膠栓連接。 其中彈性模量Ei=E0 =30GPa， 式試樣寬度Wi=W0 =40mm， ti=6mm， t0 =10mm。 膠粘劑為某地生產(chǎn)的工程復(fù)合材料， 經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其等效理想彈性-塑性模型為γe=0.092， γp =0.041， 剪切力τp=20.23MPa。 其中所采用的螺栓為FRP螺栓， 其直徑為16mm， 緊固力矩為15N×m， 螺栓孔直徑為18mm， 其彈性模量Eb =30GPa， 螺栓與搭板間的摩擦因素為μ=0.3， 膠栓混合接頭膠層厚度η為0.5mm。

因此可以計(jì)算出加載力度為。

因此最大承載力P=Pashesive=36.3kN大于6.2kN， 符合在三角桁架建設(shè)安全要求。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述， 橋梁是當(dāng)前社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要交通設(shè)施， 良好的橋梁建設(shè)對(duì)推動(dòng)我國(guó)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展有著重要的作用。 隨著新材料技術(shù)的研發(fā)， FRP材料也被應(yīng)用在橋梁建設(shè)過(guò)程中， 經(jīng)過(guò)當(dāng)前各專家學(xué)者對(duì)FRP材料力學(xué)性能的研究， 也逐步將該類材料應(yīng)用在各種橋型結(jié)構(gòu)方面， 這不僅能夠有效的加快橋梁工程的施工進(jìn)度， 對(duì)提高橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和使用壽命也有著重要的作用。 但從實(shí)際情況， 應(yīng)用FRP材料進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)需要耗費(fèi)更大的成本， 因此相關(guān)研究人員還需要加大對(duì)該方面的研究， 將該種材料廣泛的應(yīng)用于我國(guó)基建設(shè)置， 這對(duì)于推動(dòng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)也有著重要的作用。