FRP復合材料在異型跨河景觀橋的應用

吳立波

（天津城建集團有限公司，天津市 230040）

0 引言

當前北京正舉全市之力建設通州北京城市副中心，北京城市副中心與雄安新區同為千年大計的國家戰略，古老的京杭運河蜿蜒貫穿通州全境。運河上的跨河橋梁建設自然成為城市副中心的重中之重，而北關大道跨北運河大橋作為京杭運河源頭第一橋更是以“千荷瀉露”的獨特構思而著稱。當設計師將驚艷的效果圖完成后，如何實現達到該效果成為了難題。此造型“前不見古人，后不見來者”，用何種材料可實現此造型的同時還要能承受風荷載及河道汛期強大的水壓荷載。圍繞難題我們積極考察調研，組織專家論證會確定了采用FRP復合材料進行橋梁裝飾，成功解決了難題，達到了預期效果[1,2]。

1 工程概況

北關大道跨北運河大橋的橋型方案為“千荷瀉露”的梁拱組合橋；其設計靈感來源于西海子公園葫蘆湖清晨從荷葉上滴下的露珠時的意境。主橋橋長約210 m，為30 m+40 m+70 m+40 m+30 m上承式鋼結構連拱橋。橋梁橫斷面形式復雜，主橋橋梁寬42.6～68 m。人行道寬度及流水平臺沿著橋梁縱向不斷變化，在步道及流水平臺變寬的過程中，各層步道高程逐漸分開，形成三層不同高度的步道。橋梁效果見圖1。

圖1 橋梁效果圖

2 橋梁裝飾材料的比選

橋梁造型優美，整體呈空間雙曲面流線型布局，流水景觀平臺分層布置，觀景臺還設置休閑座椅，見圖2；橋梁平、立面見圖3。

圖2 流水景觀平臺效果圖

圖3 橋梁結構平、立面圖（單位：cm）

橋梁裝飾板設計荷載條件：最大水壓：5.5 m，最大風壓：2 kN/m2；基本雪壓 0.4 kN/m2。為了選擇既能滿足線性要求，又能滿足受力要求的材料，我們分別調研了鋁單板、GRC玻璃纖維增強混凝土、FRP復合材料三類材料。鋁單板工藝性好，采用先加工后噴漆工藝，鋁板可加工成平面、弧型和球面等各種復雜幾何形狀；但承受荷載能力不行，易變形，表面易產生坑洼現象。GRC玻璃纖維增強混凝土重量大，可塑性差，外觀很難滿足要求且后期易開裂。結合橋梁的實際情況，綜合考慮材料的耐久性、輕質高強、荷載情況、橋梁氣動性能、可設計性好、工藝性能優良、優雅美觀造型的可塑性等諸方面，我們最終選用了FRP曲面夾芯板作為橋梁裝飾材料，具體結構形式為：FRP曲面夾芯板+管桁架懸掛支撐體系。整體效果見圖4，細部構造見圖5。

圖4 FRP曲面夾芯板裝飾效果

圖5 FRP曲面夾芯板裝飾細部構造圖

管桁架懸掛支撐體系由主桁架、次桁架及叉耳組成，主桁架與橋梁主體鋼結構焊接固結，主次桁架亦通過焊接連接。FRP曲面夾芯板通過叉耳與鋼桁架栓接固結。

3 FRP裝飾的施工應用

3.1 FRP裝飾板的加工制作

全橋FRP裝飾板分為45列封護板，每列寬3.5～5.5 m，968塊曲面夾心板共有46個分塊斷面（見圖6）。塊體的加工制作在專業生產廠家進行。首先進行設計圖紙深化：根據設計提供的FRP產品三維圖用Rhino設計軟件進行深化設計，將FRP產品曲線進行數字建模，根據生產需要將建好的數字模型進行拆分分塊，將分塊好的模型數據導入數控中心專用軟件進行刀軌編程并進行模擬驗證。

裝飾板基本建造工藝流程為：施工平臺制作—模具制作—涂脫模蠟—噴涂膠衣—準備樹脂纖維等材料—下面成型—預埋件及泡沫材料糊制—上面成型—局部預留連接部位修整—脫模切邊—連接試組裝—外觀修整—檢驗—包裝、運輸。下面簡述幾個關鍵環節。

（1）噴涂膠衣：配置膠衣樹脂時，加入固化劑時要充分混合攪拌均勻，避免應固化不均而產生的表面褶皺、裂紋等瑕疵；膠衣可以用毛刷或專用噴槍來噴涂，若膠衣粘度太高，可添加適量苯乙烯調節粘度以及填補操作過程中揮發損失的苯乙烯，但要根據工藝要求控制苯乙烯的加入量；膠衣層的厚度控制在0.3～0.5 mm之間，不宜過厚或過薄，通常以單位面積所用膠衣量來控制。

（2）面板制作：本工程面板制作采用真空導入工藝和手糊工藝，根據設計圖紙要求，不同部位采用相應的施工工藝，嚴格執行設計文件要求。

手糊工藝施工要注意不得將兩層或多層增強材料同時鋪放，每層剪開的部位錯開，織物纖維的鋪層方向以及鋪層方式應該按照工藝要求進行。

真空導入工藝分為準備模具、施工膠衣面、增強材料鋪設、真空袋材料鋪設、抽真空、配樹脂、導入樹脂、脫模、內側板面制作、內側板面固化后脫模修整、后期處理、預組裝等環節。

因結構及材料的特殊性，用FRP復合材料進行橋梁裝飾無任何先例可循。FRP曲面夾芯板在正式批量生產前需要先做樣件，然后結合工程的具體設計指標對樣件的強度、剛度、耐久性、耐火性以及鋼桁架與FRP夾芯板連接可靠性進行試驗驗證。

圖6 FRP裝飾板制作分塊示意圖

3.2 FRP裝飾板的安裝

FRP曲面夾芯板在廠家生產完成后運抵施工現場進行安裝，塊件通過鋼桁架與主橋結構連接，具體安裝采用吊車、駁船等配合協調進行，見圖7。

圖7 FRP曲面夾芯板安裝現場圖

（1）梯道、坡道、流水平臺區域安裝

構件到達現場后，吊車配合卸車，卸車過程中做好成品保護工作，避免構件出現磕碰現象，因為本工程橋梁護板構件全部為雙曲面結構，而且梯道、坡道大部分構件在橋梁結構下面，構件為不規則塊體，吊點選擇非常重要，為保證安裝及定位方便快捷，采用CAD軟件輔助計算結構塊體的重心，設計吊點，通過重心的吊點可以保證塊體的空間位置，吊裝時構件深入橋梁結構下方的部分隨吊裝過程自然就位，避免因為吊點問題出現塊體無法就位的問題。

（2）腹部封護系統安裝

河道區域內的腹部封護系統塊體及鋼桁架安裝采用挖掘機配合構件的提升，駁船做為水中施工平臺的形式，駁船長度為18 m，寬度為4.5 m，高度為1.4 m，吃水深度0.7 m。在水中構件的運輸采用現場臨時制作的小船進行。河道內安裝時，駁船裝載挖掘機在安裝位置等候，構件到達現場后通過小船運至安裝位置，通過挖掘機將構件抬升至施工臨時平臺之上，在主橋鋼結構或者鋼桁架上設置電葫蘆進行短距離吊裝，通過電葫蘆的起吊調整構件位置，測量定位。

3.3 FRP復合材料在本工程應用的意義

（1）據查閱相關資料，將FRP復合材料如此大規模（全橋約1萬m2）用于橋梁裝飾結構，在當前國內乃至世界尚屬首次（見圖8）。這是個零的突破，是個積極的探索與實踐。

圖8 FRP曲面夾芯板裝飾完工實景圖

（2）FRP復合材料輕質高強、工藝性優良、良好的可設計性與高美學欣賞性，成功解決了本工程裝飾結構對于奇特藝術造型與荷載受力的諸多要求。

（3）在軍工及航空航天廣泛應用的FRP纖維復合材料在本項目的成功應用，突出體現了軍民融合的重要意義。

4 結論

結合北京通州北關大道跨北運河大橋獨特的設計造型，采用FRP復合材料來實現橋梁的裝飾，成功解決了復雜空間雙曲面板制作、承受風載水壓、滿足受眾感官需求等難題，為古老的京杭運河上又增添了一道靚麗的風景線，同時為今后FRP復合材料在橋梁等復雜結構上的應用進行了超前有益的探索。