裝配式公路鋼橋FRP橋面板研究

馬文剛，孫 棟，申楠公

（軍事交通學院軍事交通運輸研究所，國家應急交通運輸裝備工程技術研究中心，天津市 300161）

0 引言

裝配式公路鋼橋是一種可分解的、能快速架設的制式橋梁，具有結構簡單、適應性強、互換性好、載重量大等特點，在地方經濟建設和搶險救災等交通保障中發揮了突出的作用。當前，裝配式公路鋼橋主要用材是鋼材，其長期在倉庫儲存會產生銹蝕，需要定期進行保養維護，另外，鋼橋主要構件自重較大，人力搬運、安裝工作強度大。為此，需要利用其他的新型材料，對鋼橋構件進行改進。FRP（纖維增強復合材料）是以樹脂為基體，玻璃纖維、碳纖維和芳綸纖維等為增強體的一種復合材料，具有耐腐蝕、輕質高強的特點，近年在橋梁工程中得到逐步應用，如 FRP 人行橋梁、FRP 斜拉橋索、FRP 橋面板等。本文根據 FRP 材料在橋面板的應用現狀，結合實際應用的可行性，提出 FRP 材料應用于裝配式公路鋼橋橋面橋的設想[1]。

1 FRP 材料概述

1.1 FRP 材料特點

FRP 材料的性能與傳統結構材料有很大差別，必須了解 FRP 材料的優缺點，有助于更好地發揮其優勢，避免其不足。以下為 FRP 的主要優點。

（1）輕質高強。FRP 材料具有很高的比強度（極限強度/相對容重），其比強度是鋼材的 20～50 倍，采用 FRP 材料將會大大減輕結構自重。

（2）耐腐蝕性強。FRP 材料可以在酸、堿、氯鹽和潮濕的環境中抵抗化學腐蝕，耐腐蝕性超過傳統結構材料，可用于化工建筑、地下工程和水下特殊工程中，大大降低工程的維護費用。

（3）彈性性能好。FRP 材料的應力應變曲線接近線性，在發生較大變形后還能恢復原狀，塑性變形很小，有利于承受較大的動載。

（4）可設計性好。FRP 材料由基體和增強體組成，可選用不同纖維種類、纖維含量，通過不同工藝設計不同類型的 FRP 產品，產品成型方便靈活。

另外，FRP 材料還具有抗疲勞性強，外觀美觀、色澤持久等特點。除了上述優點，FRP 材料的彈性模量低、各向異性、剪切強度、層間拉伸強度和層間剪切強度僅為其抗拉強度的 5%～20%，這些問題需要在設計中予以重視[1]。

1.2 FRP 材料類型及在橋梁工程中的應用

目前，橋梁工程中得到應用的 FRP 產品有以下幾類。

（1）FRP 拉擠型材。主要有管材、工字型材等多種截面型式，力學性能好，是 FRP 結構應用的主要產品，主要用于與其他材料形成組合構件。

（2）FRP 纏繞型材。主要用作 FRP 管混凝土結構，可作為柱、樁，使構件性能大大優于普通鋼筋混凝土。

（3）FRP 夾層結構和蜂窩板。由上下面的 FRP板和夾心材料組成，充分利用了面層 FRP 材料強度，主要用于梁和橋板中。

（4）FRP 片材，包括 FRP 布和 FRP 板。主要用樹脂材料粘貼于混凝土結構表面，對其進行加固補強。

（5）FRP 棒材，包括 FRP 筋和 FRP 索。主要在FRP 筋混凝土結構、FRP 預應力混凝土結構和橋索中，作為增強筋和預應力索[2]。

2 FRP 橋面板應用現狀

2.1 FRP 橋面板基本結構形式

根據 FRP 橋面板構造，主要有 4 種類型：

（1）FRP 夾心板（見圖1），由夾心和上下面板組成；

（2）FRP 型材拼合空心板（見圖2），由相同型式的型材拼合而成；

（3）FRP 面板-型材芯空心板（見圖3），由相同型材組成的核芯與上下面板組成；

（4）FRP-混凝土 /木材疊合板（見圖4），由FRP 型材與混凝土/木材面板組合結構。

圖1 FRP 夾心板

圖2 FRP 型材拼合空心板

圖3 FRP 面板-型材芯空心板

圖4 FRP-混凝土/木材疊合板

2.2 國內外應用現狀

從 20世紀80年代開始，國內外開展了 FRP橋面板結構體系研究。1990年，日本制造了一座全FRP 雙塔雙索面斜拉體系的試驗橋。1992年，英國蘇格蘭的 Aberfeldy 建成一座全 FRP 結構的斜拉人行天橋，采用了箱型截面的 GFRP 拉擠型材。1994年，英國用 GFRP 拉擠型材，建造了承受 40 t卡車的 Bond Mill 橋，該橋由 6 根 FRP 箱型梁組成。1996年，美國 Kansas 州 Russell 架起了第一座采用 FRP 橋面板公路橋，并得到較快的發展，建成數十座中小橋梁。1997年，瑞士 Pontresina 的風景區建造了一座跨河的全 FRP 人行橋，采用 GFRP拉擠型材粘結而成。

20世紀70年代后期，我國也開始對 GFRP 進行研究。在 1982年，北京密云建成 GFRP 簡支蜂窩箱梁公路橋，設計荷載等級汽車—15、掛車—80，并進行了現場的荷載試驗，證明了 FRP 作為承重構件的可行性。1986年，我國建成第一座斜拉 FRP箱型人行天橋，采用 GFRP 蜂窩夾心板組合箱梁。河北省高速公路管理局和東南大學聯合研究并開發了 GFRP 橋面板。清華大學從 2004年研發了一種新型外部纏繞 FRP 空心橋面板，該橋面板適用于梁式橋，跨度 4 m 以下。

3 裝配式公路鋼橋 FRP 橋面板

從上述分析看出，FRP 材料具備良好的性能，正在民用橋面板中得到逐步應用。FRP 材料為裝配式公路鋼橋橋面板的改進提供了良好的材料。為進一步減輕鋼橋自重，便于器材長期儲存，借鑒國內成果，研究提出了裝配式 FRP 橋面板結構，并利用有限元軟件進行計算分析。

3.1 橋面板結構

FRP 橋面板長 3 m，寬 0.8 m，厚 0.2 m，由拉擠 FRP 矩形管拼接而成。FRP 材料組份為乙烯基樹脂、無捻玻璃纖維長絲和預定向纖維增強布(0 °/-45°/45°/90 °)。

3.2 力學性能分析

按照橋面板尺寸，建立圖5所示有限元模型，選用 shell99 單元模擬復合材料，材料參數見表1。邊界條件：橋板一端節點約束 X、Y、Z 方向的自由度，另一側節點約束 Y 方向的自由度，實現橋面板的簡支。計算荷載采用《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60—2004）的車輛荷載，取后軸單個車輪荷載(7 t)，計入沖擊荷載(10 t)，荷載施加于跨中0.2 m×0.6 m 的區域內[3]。

圖5 FRP 橋面板有限元模型

表1 FRP 橋面板模型材料參數（X/Y/Z）

FRP 橋面板模型在最大輪壓荷載作用下，有限元計算撓度值為 3.72 mm（見圖6），撓跨比為1/810(計算跨度：3.0 m)。有限元計算縱向應力為216 MPa（見圖7），橫向應力為 31 MPa（見圖8），橋面板強度小于《纖維增強復合材料橋板》（GB/T29552—2013）規定的最大縱向應力 250 MPa、橫向應力 55 MPa 的要求。

圖6 FRP 橋面板位移圖

圖7 FRP 橋面板縱向應力

圖8 FRP 橋面板橫向應力

4 結語

FRP 具有自重輕、耐腐蝕的顯著特點，在民用橋梁領域得到逐步應用，是一種良好的新型橋梁材料，將 FRP 材料用于裝配式公路鋼橋，可有效減輕橋面板自重，減少日常維護保養費用。經有限元分析，FRP 橋面板結構強度滿足要求，從理論上看可行性良好。

[1] 馮鵬,陸新征,葉列平.纖維增強復合材料建設工程應用技術[M].北京:中國建筑工業出版社,2011.

[2] 葉列平,馮鵬.纖維增強復合材料在工程結構中的應用與發展[J].土木工程學報,2006,39(3):25-37.

[3] 朱坤寧,萬水,劉玉擎.FRP 橋面板靜載試驗研究及分析[J].工程力學,2010,2(1):15-19.