GFRP橋梁組合結構形式的探討

何 琦

(新疆維吾爾自治區交通規劃勘察設計研究院，新疆 烏魯木齊 830006)

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GFRP橋梁組合結構形式的探討

何 琦

(新疆維吾爾自治區交通規劃勘察設計研究院，新疆 烏魯木齊 830006)

玻璃纖維增強復合材料(GFRP)擁有質輕、比強度高、耐腐蝕以及材料的可設計性好等突出優點，在土木工程領域得到了廣泛應用，但由于其具有各向異性、層間強度低、剛度較低、抗剪性能差等缺點，在橋梁領域的應用相對較少，其作為橋梁主要受力構件的研究與應用是當前的熱門課題。文章采用實驗、理論分析與有限元相結合的方法，提出較優的GFRP橋梁組合結構類型及形式，并評析了該結構形式的力學性能和經濟性能。

GFRP；有限元；橋梁；組合結構；力學性能；經濟性能

0 引言

纖維增強復合材料具有很強的可塑性和結構適應性，與鋼材以及合金等金屬材料相比，復合材料能夠同時擁有質輕、比強度和比剛度高、耐腐蝕以及材料的可設計性等突出優點。近年來隨著GFRP(玻璃纖維)產量和性能的提高以及成型工藝的日益成熟，GFRP在土木工程中的應用得到迅速推廣，但要作為橋梁工程的主要受力構件，還有大量的問題亟待解決。結構設計的目的是為了確定合理的結構體系、截面形式、各部分的大小、連接構造等，要對其進行強度、剛度、穩定性的檢查。GFRP復合材料擁有各向異性、層間強度低、剛度較低、抗剪

特性差的特點，所以在該類結構設計中最重要的是要充分發揮GFRP材料的優點，盡量避免其缺點。因此，探討出較優的GFRP組合橋梁結構類型和組合結構形式很重要。

1 材料實驗

GFRP的材料性能與其生產工藝密切相關，GFRP組合橋梁結構多采用拉擠成型的GFRP材料。為了能準確掌握GFRP材料的性能，為GFRP組合橋梁結構設計提供材料參數和研究依據，根據GFRP構件在結構中所起到的作用和受力狀態，本文對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/環氧樹脂型GFRP材料進行拉伸、軸壓試驗。

1.1 拉伸實驗

沿試件軸向施加勻速靜態拉力，直到試件達到預定伸長量或發生斷裂為止。在試驗過程中，試件上的載荷和伸長量都需要測量，然后計算拉伸應力或強度、彈性模量、斷裂伸長率以及繪制應力-應變曲線。該拉伸試驗參照的國家標準是纖維增強塑料性能試驗方法總則(GB/T1446-2005)和玻璃纖維增強塑料拉伸性能試驗方法(GB/T1447-05)。試驗儀器：液壓萬能試驗機。

1.2 壓縮實驗

受篇幅限制，在此不再復述。

1.3 實驗結論

通過上述實驗和查閱相關文獻得出該類GFRP材料的力學屬性，見表1。

表1 材料參數表

2 GFRP組合梁式橋梁結構類型

2.1 主體承重結構

在橋梁工程中，將GFRP結構或GFRP組合結構作為橋梁主要承重結構的應用并不多。對于GFRP做主要承重結構的中小跨徑橋梁，多采用的結構形式大致分為兩種：GFRP梁板結構和GFRP桁架結構。

由于GFRP構件性能受其生產工藝的影響極大，因此在進行結構形式的設計時，必須著重考慮其相應的生產工藝。目前GFRP的生產工藝中，拉擠成型工藝是使用最廣泛、制品質量最優、生產效率最高、制品質量離散率最小的工藝，也是未來GFRP生產工藝的主流趨勢，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。從構件的生產和質量的角度考慮，GFRP橋梁結構宜盡量采用拉擠成型的GFRP材料。

GFRP桁架結構多采用拉擠成型的GFRP構件，具備以下優點：(1)結構形式輕盈、造型美觀；(2)施工快捷、技術成熟；(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、養護。基于以上特點，GFRP桁架結構具備良好的經濟性與適用性，在未來的復合材料橋梁中將占據不可或缺的地位，甚至是主導地位，因此本文將對GFRP桁架組合結構展開探討。

2.2 橋面板結構

從拉擠成型GFRP材料試驗可知，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構件作為抗壓構件，而應該有針對性地，在壓力較大的地方進行合理設計，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用越來越廣泛，但在本文探討的GFRP桁架組合結構中，為避免桁架受壓區構件承受較大壓力荷載，宜采用鋼筋混凝土橋面板，且桁架結構宜為上承式結構。在該結構中，GFRP構件和混凝土橋面板之間采用剪力連接件進行連接，形成GFRP-混凝土板的組合結構。其受壓構件不采用鋼材是因為鋼材的防腐蝕性、耐久性和抗疲勞性等性能都相對較差。

3 GFRP組合梁式橋梁結構形式及力學性能分析

3.1 結構形式

由以上內容中可知，適合GFRP組合橋梁的結構類型為GFRP桁架式組合橋梁及GFRP-混凝土橋面板結構。本文在參考并借鑒鋼桁架結構形式的基礎上，結合GFRP材料力學特性，給出合理的GFRP桁架式組合橋梁結構形式，見圖1。

為準確分析該結構形式的力學性能與經濟性能，本文以單跨40 m，4車道的簡支梁橋為例，具體給出了各類桁架構件的截面形式與構件尺寸。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為轉角半徑)。

圖1 GFRP組合結構形式示意圖

表2 截面尺寸表

3.2 力學性能分析

基于上述結構形式和構件尺寸，本文借助MIDAS有限元軟件分析其在公路Ⅰ級荷載及其自重作用下的力學性能，見圖2～4。

圖2 GFRP橋梁組合結構模型圖

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 強度計算結果

強度計算結果見圖5、表3。

圖5 整體應力圖

表3 強度計算結果表

3.2.2 剛度計算結果(圖6)

圖6 豎向位移分布圖

3.2.3 穩定性計算結果

本文采用的是歐拉公式：

(1)

其中：Fcr——臨界力；

EI——抗壓剛度；

L——構件長度。

當構件受到的壓力F

計算結果見表4。

表4 穩定性計算表

3.2.4 結果分析

上述計算結果表明：(1)本文給出的構件尺寸較為合理，強度、剛度、穩定性指標都能滿足規范要求，且不浪費，具備工程實用性。(2)該類GFRP橋梁組合結構能充分發揮GFRP材料的優勢，同時能有效避免GFRP材料的劣勢，且橋梁組合結構強度較高、穩定性較好、但剛度稍弱。(3)剛度和穩定性是該類橋梁設計時的重要控制指標。

4 經濟性能

本文設計并研究的GFRP復合材料組合結構橋梁其上部結構中，GFRP的用量為10.5t。根據市場調查發現，本文采用的拉擠成型纖維含量70%的E玻璃纖維型GFRP復合材料工字鋼的市場價格在4萬/t左右。由于市場上現有的GFRP拉擠成型工字鋼的截面尺寸不能滿足本文設計的40m跨徑的GFRP組合結構簡支梁橋的要求，故本文需要重新設計構件截面尺寸。考慮到GFRP拉擠型材的生產受模具尺寸的限制，改變GFRP型材尺寸會產生額外的模具費用，故本文將選用的GFRP型材價格擴大一倍，變為8萬/t，總的造價為84萬元。公路一級荷載下40m跨徑的4車道簡支預應力混凝土梁橋的上部結構的造價大約在100萬左右。由此可見本文設計并研究的GFRP組合結構橋梁具備良好的經濟性。當本文設計的這種GFRP組合結構橋梁得到推廣后，本文使用的GFRP拉擠成型工字鋼將占據一定的市場份額，此時本文采用的GFRP型材價格將會不考慮新建模具的費用，為4萬/t左右，則GFRP復合材料組合結構橋梁將越來越顯著地發揮其經濟優勢。此外GFRP材料由于其耐疲勞性、耐腐蝕性和耐久性能遠遠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用等都遠遠優于鋼筋混凝土橋和鋼橋。

5 結語

(1)GFRP組合橋梁具有良好的發展與應用前景，其組合結構形式以及合理的構件尺寸需要高度重視。

(2)本文通過實驗給出了GFRP材料的真實材料屬性。

(3)針對GFRP的特性，提出了合理的GFRP橋梁組合結構類型及結構形式，該類橋梁組合結構充分發揮了GFRP橋梁的優勢，同時較好地規避了其劣勢。

(4)給出了可用于工程實際的具體構件詳細尺寸信息，并進行了強度、剛度、穩定性分析，結果表明其性能良好。

(5)從市場出發評價了該類GFRP組合橋梁的經濟性能，結果表明其具有良好的經濟適用性。

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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，工學碩士，主要從事橋梁設計工作。

U

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.01.011

1673-4874(2015)01-0047-05

2014-12-01