一種FRP景觀橋應用研究

陳彥北，孔令俊，郝紅肖，曾 摯，何 俊

(株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南株洲 412007)

纖維增強復合材料(Fiber Reinforced Polymer/Plastic，簡稱FRP)是由纖維材料與基體材料按一定工藝復合形成的高性能新型材料。這種材料從20世紀40年代問世以來，在航空、航天、船舶、汽車、化工、醫學和機械等領域得到廣泛的應用。常用FRP的基體為樹脂、金屬、碳素、陶瓷等，纖維種類有玻璃纖維、硼纖維、碳纖維、芳綸纖維、陶瓷纖維、玄武巖纖維、聚烯烴纖維、PBO(聚對亞苯基苯并雙晤唑)纖維以及金屬纖維等[1]。在七八十年代，FRP材料開始在橋梁與建筑工程結構中得到應用，并受到工程界的廣泛關注。與傳統的橋梁結構相比，FRP橋梁具有一些明顯的優勢。美國聯邦公路局認為FRP橋梁主要有下面一些優點:輕質、高強、耐超載、使用壽命長、不銹蝕、不開裂、耐化學侵蝕、模塊化、施工快、工程成本低、相對容易安裝、環境友好以及施工對周圍環境影響小等。

文章以某景觀橋工程為實際對象，研究了FRP景觀橋從產品制備、產品試驗、結構體系設計、建設工藝以及FRP景觀橋試驗的完整過程，為FRP景觀橋在工程中的應用奠定了基礎。

1 FRP景觀橋橋面板制備及其物理和化學性能試驗

FRP產品的制備成型工藝與傳統結構材料有很大不同，且制備工藝是保證纖維和基體共同工作的前提。其力學性能對工藝的依賴性也很強，不同工藝生產的FRP產品，在力學性能、尺寸精度等方面有很大的差別。因此，在FRP結構的設計中必須考慮其制備工藝。FRP的成型工藝，包括手糊成型、真空灌注成型、纏繞成型和拉擠成型工藝。手糊成型工藝簡單，但該工藝低效、產品力學性能不均。真空灌注成型、纏繞成型和拉擠成型工藝產品強度高，而且易于工業化生產[2]。FRP拉擠成型工藝具有可以連續生產，生產效率高，原材料浪費少，整體性和截面形狀一致性好，型材長度不受限制等優點，是目前國際上主要采用的FRP結構生產形式。

FRP景觀橋橋面板采用FRP拉擠成型工藝生產，主要由纖維增強材料、樹脂基體和添加劑組成。纖維增強材料包括玻璃纖維粗紗和復合氈，樹脂基體主要是聚酯樹脂，添加劑為無機增強填料等。

圖1為FRP產品拉擠成型工藝生產過程。產品制備時，首先將玻璃纖維粗紗浸漬到樹脂基體槽中，并在牽引力的作用下前行。當行進至?？谥芭c復合氈匯合，一同進入加熱模具，在140℃左右的高溫下反應約2 min，從而固化成型，待行進一段距離冷卻后被切割成不同長度的橋面板型材。

圖1 FRP產品拉擠成型工藝生產過程

為滿足工程的使用需求，對FRP景觀橋橋面板進行了物理和化學性能試驗，測試數據如表1。還對FRP景觀橋橋面板進行了耐磨性能和耐紫外老化試驗，結果均符合FRP景觀橋橋面板使用要求。

表1 FRP景觀橋橋面板性能測試結果

2 FRP景觀橋結構體系設計

2.1 上部結構設計

國內尚無關于FRP橋梁的設計規范，FRP景觀橋設計主要依據《城市人行天橋與人行地道技術規范》[3](CJJ 69—95)、《公路橋涵設計通用規范》[4](JTG D60—2004)和《鋼結構設計規范》[5](GB 50017—2003)。

FRP景觀橋由每段相同的簡支梁橋組成，每段由上部結構和下部結構組成，橋梁每段的跨度和寬度均為4 m。每段上部結構由FRP橋面板和4根H型鋼主梁組成，跨度為4 m。FRP橋面板采用拉擠成型工藝生產的標準件40 mm×150 mm×4 100 mm進行鋪裝;H型鋼主梁尺寸采用248 mm×124 mm×5 mm×8 mm，計算時通過一段來進行，見圖2。

圖2 FRP景觀橋上部結構設計

FRP構件與傳統橋梁構件具有不同的受力特點。首先，FRP構件承載力高，但剛度較小，設計通常為變形控制。其次，FRP構件的受力特性通常表現為線彈性，承載力隨著變形的增大而增大，最終發生破壞前，變形已非常明顯，破壞時比較突然。因此，FRP構件應有較大的安全系數。再次，FRP橋梁結構由于剛度較小，結構振動特性也是一個重要設計指標。

根據《城市人行天橋與人行地道技術規范》(CJJ 69—95)規范規定，采用人群荷載作為基本可變荷載進行分析，荷載大小采用5 kN/m2，撓度應控制在1/600跨距，計算結果為3.47 mm，滿足要求。橋梁上部結構的豎向自振頻率應不小于3 Hz，經計算，該景觀橋的上部結構豎向自振頻率為23.35 Hz，滿足要求。FRP橋面板的最大應力只有不到10 MPa，遠遠小于FRP橋面板的強度。

2.2 下部結構設計

景觀橋下部結構主要由鋼筋混凝土門式框架結構組成。根據《混凝土結構設計規范》(GB 50010—2010)規定，取框架柱截面為300 mm×300 mm，框架梁截面為200 mm×300 mm。景觀橋下部結構如圖3所示。

圖3 景觀橋下部結構設計

FRP景觀橋的下部結構設計主要依據《混凝土結構設計規范》(GB 50010—2010)和《建筑結構荷載規范》(GB 50009—2012)等，進行承載能力極限狀態設計和正常使用極限狀態設計。

FRP景觀橋下部結構進行了承載能力極限狀態設計和正常使用極限狀態設計，結果均滿足規范要求。

3 FRP景觀橋建設工藝

FRP景觀橋的建設工藝流程如圖4所示。

圖4 景觀橋建設工藝流程

4 FRP景觀橋試驗

FRP景觀橋試驗根據《城市人行天橋與人行地道技術規范》(CJJ 69—95)和《城市橋梁設計規范》(CJJ 11—2011)進行，包括兩個試驗:FRP景觀橋振動性能試驗和靜力性能試驗，測試結果如表2所示。

表2 FRP景觀橋測試結果

從表2可以看出，FRP景觀橋試驗結果符合規范要求。景觀橋實測的結構一階豎向自振頻率為24.14 Hz;實測主梁撓度比計算結果偏小，主要原因是由于實際情況下，主梁與下部結構的連接采用預埋螺栓連接，是一種介于簡支和固結的連接約束，導致主梁的變形較小。

5 結論

橋梁技術的進步總是和建橋材料的技術進步緊密相關。文章通過對FRP景觀橋的研究，生產出了適合景觀橋的一種FRP橋面板;提出了一種FRP景觀橋結構體系的設計方法，并且計算和實測結果均表明可以滿足景觀橋的使用要求;對FRP景觀橋的建設工藝進行了初步總結。研究表明FRP材料在橋梁結構中應用是可行的，具有廣闊的發展前景。

[1]葉列平，馮鵬.FRP在工程結構中的應用與發展[J].土木工程學報，2006，39(3):24-34.

[2]馮鵬，葉列平，金飛飛，等.FRP橋梁結構的受力性能與設計方法[J].玻璃鋼/復合材料，2011(5):12-18.

[3]中華人民共和國建設部.CJJ 69—95 城市人行天橋與人行地道技術規范[S].北京:建筑工業出版社，1995.

[4]中華人民共和國交通部.JTG D60—2004 公路橋涵設計通用規范[S].北京:人民交通出版社，2004.

[5]中華人民共和國建設部.GB 50017—2003 鋼結構設計規范[S].北京:建筑工業出版社，2003.