復合材料（GFRP）在人行道欄桿上的應用

1.重慶交通大學 重慶 400074；2.重慶師范大學 重慶 401331

摘要：玻璃纖維增強復合材料（GFRP）具有度高、變形率低、耐腐蝕性強、質輕特性。用該復合材料設計的橋梁人行道欄桿實例在國內外已有研究[1，2]。本文運用有限元分析和欄桿的加載試驗，證實其較傳統混凝土欄桿、鑄鐵欄桿、鋁合金欄桿輕質高強、施工簡便、應用前景廣闊。

關鍵詞：GFRP；人行欄桿；有限元分析

Abstract：Glass fiber reinforced Polymer（GFRP）has a high deformation rate，corrosion resistance，light weight characteristics. It has been a bridge sidewalk railing instance with the composite material design at home and abroad[1，2]. In this paper，finite element analysis and load test railings confirmed it has a more high strength，simple construction，application prospects than conventional concrete railing，iron railing，aluminum railings lightweight.

Key words：GFRP；Pedestrian railing；Finite Element Analysis

引言

玻璃纖維增強復合材料（GFRP）因為其強度和比模量高，耐腐蝕、抗疲勞性、減震性能好以及破損安全性能好、可設計性和工藝性好，在航天航空、汽車、船舶、化工、電子和建筑等行業中已有廣泛的應用。從20世紀70年代末開始，復合材料在橋梁工程中逐漸得到應用[3，4]。

欄桿是橋梁的重要附屬構件，它雖不影響主體結構的受力性能，但卻關系通行者的生命安全，我國曾多次發生因欄桿破壞造成人員傷亡的重大事故。常見的欄桿為混凝土、鋼、鑄鐵、不銹鋼、鋁合金等材料制成，因混凝土欄桿不美觀、易損壞，鋼、鑄鐵欄桿易銹蝕，不銹鋼與鋁合金欄桿連接強度較弱、易成為被盜對象，從而造成安全隱患。纖維增強復合材料諸多優點以及在工程中的應用日益廣泛[3，4]，由此采用玻璃纖維增強復合材料（Glass Fiber Reinforced Polymer，簡稱GFRP）欄桿代替傳統欄桿具有潛在的推廣價值。

1 FRP欄桿的結構形式和特點

1.1 新型欄桿結構形式

GFRP柵欄型板條式欄桿均采用GFRP材料制成，主要由欄桿望柱、欄桿扶手、下橫梁和小望柱、支墩五部分組成（如圖1所示）。欄桿望柱、支墩采用H管形截面，扶手、小望柱和下橫梁采用長方管形截面。

1.2 GFRP欄桿荷載設計標準

根據《城市橋梁設計荷載標準》（CJJ77—98）[5]之規定，橋梁欄桿設計荷載為：欄桿扶手不同時作用1.2kN/m的豎向力和1kN/m的水平力，欄桿望柱頂部作用1kN/m的水平推力。上述取值高于《公路橋函設計通用規范》（JTG D60—2004）的相應要求。故GFRP橋梁欄桿試驗荷載按（CJJ77—98）確定。

1.3 GFRP欄桿制作及連接方式

GFRP柵欄型板條式橋梁人行道欄桿，望柱、支墩、扶手、下橫梁分別由工廠預制，再根據設計坡度組裝成欄桿排架節段運到橋上安裝，通過欄桿望柱與人行道縱（橫）梁的預埋件連接固定于橋面。

圖1 GFRP欄桿節段立面圖

1.4 GFRP材料性能及GFRP欄桿特點

玻璃纖維增強復合材料（Glass Fiber Reinforced Polymer，簡稱GFRP），俗稱玻璃鋼，為纖維增強復合材料中最經濟且應用最廣泛者，FRP和常用材料的力學性能參數對比見表1。GFRP比重輕（約為鋼的1/4）、強度高（與Q235鋼接近）、彈性好（結構變形易恢復）、耐疲勞、耐腐蝕，并且具有材料可設計性和良好的加工性能，適用于橋梁欄桿 [7，8]。GFRP柵欄型板條式欄桿預制時自帶色彩、光潔亮麗，抗撞擊、耐疲勞、電絕緣、自防腐、耐老化[9]，可省去或減少除銹刷漆等日常養護費用。玻璃鋼材料的無回收利用價值，有效解決了金屬欄桿的防盜問題。

表1 材料參數表

材料

種類密度（kg/m3）彈性模量

（GPa）抗拉強度

（MPa）泊松比

混凝土230017-3510-700.20

不銹鋼7850190-2104000.30

鋁合金2600-280070-79100-5500.33

GFRP1500-20005-40100-2800.11-0.26

2 GFRP欄桿結構有限元分析

2.1 結構計算參數

以一個欄桿節間為計算模型，采用有限元分析軟件Midas對結構進行模擬分析，望柱截面尺寸為270mm×200mm的H管形截面，壁厚為5mm，考慮到一根望柱兩側各聯系一個節間，故模型中望柱剛度取全截面剛度的一半；扶手截面尺寸為100mm×200mm，壁厚為4mm；排架上下橫檔截面尺寸為80mm×180mm，壁厚為4mm；小望柱截面尺寸為60mm×120mm，壁厚為3mm；排架上下橫檔支墩為120mm×200mm的H管形截面，壁厚為4mm。欄桿構件均采用GFRP材料制成，根據鋪層設計和試驗測值，欄桿望柱和欄桿柱縱向彈性模量取10.0GPa，扶手縱向彈性模量取11.27GPa，泊松比均取0.153，容重17.65 kN/m3，線膨脹系數1.00E-05。采用梁單元建立的欄桿有限元模型如圖2所示。

圖2 欄桿節段有限元模型

2.2 荷載工況

根據《城市橋梁設計荷載標準》（CJJ77—98），人群對橋梁欄桿的水平作用力為1kN/m。建立欄桿在水平均布力作用下的工況，為與實際檢測試驗進行對比，同時建立作用在扶手跨中的水平集中力、望柱上接點水平集中力的工況，考察這三種工況下欄桿的受力性能。各工況如表2。

表2 三種工況列表

工況名稱荷載類型施加位置荷載方向

荷載工況一均布力（2.5kN/m）上扶手水平（垂直于欄桿面）

荷載工況二集中力（2.12kN）上扶手跨中水平（垂直于欄桿面）

荷載工況三集中力（2.76kN）望柱柱頂水平（垂直于欄桿面）

2.3 計算結果

各工況下位移列于下表中。

表3 三種工況下的位移

欄桿控制部位位移工況一工況二工況三

望柱柱頂（mm）//9.54

欄桿扶手跨中（mm）

欄桿扶手距跨中0.7m（mm）9.678.20/

8.847.50/

各工況下的應力見表4：

表4 三種工況下應力

欄桿關鍵部位應力工 況工況一工況二工況三

望柱柱腳豎向正應力（MPa）10.538.9311.63

欄桿扶手跨中水平應力（MPa）2.402.04/

欄桿扶手距跨中0.7m水平應力（MPa）8.677.35/

由表3、表4可見，在欄桿扶手跨中施加2.5kN/m均布荷載作用下，欄桿扶手跨中水平位移為9.67mm；在扶手跨中作用2.12kN的集中力時，扶手跨中水平位移為8.20mm；在望柱柱頂上作用2.76kN的集中力時，望柱頂部水平位移為9.54mm，欄桿各構件在設計荷載下的最大位移都較小；欄桿各主要部位在設計荷載下的計算應力遠小于材料強度，欄桿的強度安全儲備很大，所以現場試驗只需測試控制部位的位移值。

3 GFRP欄桿試驗加載結果

3.1 GFRP欄桿試驗內容及方法

GFRP欄柵型欄桿試驗是在3個欄桿節間即3×4000mm的原型上進行，見圖4-3。試驗荷載采用集中力來等效均布力在設計控制部位產生的彎矩，即在3個欄桿節間的試驗模型上加集中力使其在設計控制部位產生于表4-1相接近的彎矩。設計控制部位扶手跨中、望柱頂部的試驗控制荷載分別是：2.12kN、2.760kN。現場試驗時通過加載箍作用在相應位置，采用滑輪懸掛重物的方式產生水平拉力，并在欄桿望柱柱頂和扶手跨中安放位移計測試欄桿位移。計算時，對3×4000mm柵欄型欄桿建立模型。欄桿望柱分別固定于橋面，將水平荷載分別施加在欄桿上扶手、望柱上，扶手內力值按構件剛接模型計算，望柱內力值按構件鉸接模型計算。

3.2 GFRP欄桿試驗結果

試驗時先將荷載分7級加至設計荷載，持續30分鐘后再超載40%，每級荷載作用下均分別測出欄桿扶手跨中和望柱頂端的變形。欄桿荷載試驗數據見表5。

表5 欄桿荷載-位移表

荷載等級荷載比例檢測項目備注

扶手跨中水平

位移（mm）望柱柱頂水平位移（mm）

00%00

120%0.250.4

240%0.630.73

360%0.941.13

480%1.251.55

5100%1.511.98設計荷載

6120%2.242.63超載40%

7140%2.793.23

5100%1.622.15

360%1.141.22

00%0.150.28

整個加載過程，未發現欄桿整體傾斜，端部連接處開裂或變形過大等異?，F象。在扶手跨中作用2.12kN的集中力時，扶手跨中水平位移為1.51mm；在設計荷載作用下，欄桿望柱頂端撓度1.98mm，卸載后欄桿扶手和望柱頂部的最大殘余變形分別為0.15mm和0.28mm，欄桿各部位殘余變形與總變形的比值均小于20%，說明欄桿受力過程處于線彈性工作，欄桿的變形在卸載后能恢復。

4 GFRP欄桿計算結果與實測結果的對比分析

按試驗所選欄桿，同時采用有限元模型來模擬試驗情況，將計算位移值和實測位移值繪制成如圖3、圖4所示的對比圖。

可見，各加載等級下的實測位移值均小于計算值，實測曲線呈線性良好。在2.5kN/m的設計水荷載下，欄桿扶手水平位移為扶手計算長度的1/633，小于規范取值（1/600）；在望柱頂部作用2.12kN的集中力時，望柱頂部水平位移為1.98mm，為望柱計算長度的1/441，小于《城市人行天橋與人行地道技術規范》（CJJ69-95）[10]規范對懸臂結構的取值（1/300）；欄桿各部位殘余變形與總變形的比值均小于20%，欄桿受力過程處于彈性工作狀態。

圖4 扶手跨中計算與實測位移對比圖

圖4 望柱柱頂計算與實測位移對比圖

5 結束語

根據橋梁欄桿的使用要求、安全及美觀需要，充分結合GFRP復合材料結構的優良性能、施工簡便等特點，研制了GFRP橋梁柵型欄板式欄桿。通過對GFRP柵欄型板條式橋梁人行道欄桿的水平推力荷載試驗和有限元分析，證實了GFRP橋梁柵欄型板式欄桿能滿足《城市橋梁設計荷載標準》（CJJ77-98）、《城市人行天橋與人行地道技術規范》（CJJ69-95）相關的要求，是一種具有潛在推廣價值的新型欄桿。

參考文獻：

[1] Hai N. D.Mutsuyo shi，H.Asamoto，S. and Matsui，T.（2010）.24（6），956-969

[2] Deskovic，N.Triantafillou，T. C. and Meier，U.（1995a）. 121（7），1069-1078.

[3] Fischer，M.，and Lorenz，W.（2011）. 80（6），419–427.

[4] Correia，J. R.，Branco，F. A.，and Ferreira，J. G.（2007）. 77（1），66–78.

[5] 中華人民共和國交通部.城市橋梁設計荷載標準[S].北京：人民交通出版社，1998，10.

[6] 胡乃泉.GFRP玻璃鋼材料的力學性能與應用現狀分析[J].中國新技術新產品，2010，39（3）：24-26.

[7] 巫組烈，桂濤峰，張錫祥.一種新型的復合材料人行道欄桿結構性能研究[J].山東交通學院學報，2012，10.

[8] 王興業.復合材料力學分析與設計[J].國防科技大學出版社，1999.11.

[9] 王立友.GFRP在橋梁結構中的應用與特點[J].天津建設科技，2006，39（3）：24-26.

[10] 中華人民共和國行業標準.《城市人行天橋與人行地道技術規范》[S].北京：光明日報出版社，1996，12..