GFRP材料在熱力管道橋上的應用

魯玉忠 黃毅 孟江

黃河勘測規劃設計研究院有限公司 鄭州450003

引言

近幾年，我國城鎮化進程加快，城市配套管線過河問題引起各方關注。一般市政管線依橋敷設或單獨架設管道橋。對于較大直徑熱力管道依橋敷設或采用獨立的鋼桁架敷設，不但增加橋梁本身結構自重、增加投資，而且熱力管道在橋上敷設還存在一定安全隱患，同時也影響城市景觀。

FRP［1］是一種以高分子環氧樹脂為基材，經一定工藝復合而成的復合材料。FRP材料在建筑領域國外早于國內，主要用于錨桿、混凝土結構受力筋，鮮有在橋梁拉索上的應用。

FRP質量密度僅為鋼材的1/4，FRP桁架自重更輕，運輸和架設難度更小；FRP型材具有高于鋼材的抗腐蝕性能，能夠保證長期使用的可靠性和提高結構的安全性，降低維護運營成本；FRP型材可以根據需要生產出不同顏色，保證耐久性同時增強了橋梁的景觀效果。

1 工程概況

D529蒸汽管道是漯河市工業重要熱源主干管，壓力1.6MPa、溫度250℃。根據規劃管道過河與解放路沙河橋橋位共用線位。從安全、防洪、航運、工期、投資、景觀等多方面論證，確定熱力管道橋與沙河橋分幅設計、共用橋墩的方案。橋梁跨徑組成為45m+45m+50m+50m+35m+35m，熱力管道桁架橫斷面如圖1所示。

2 桁架材料選用

管道橋與沙河橋共用橋墩，需要嚴格控制橋梁的自重。如采用鋼材作為桁架，投資高、施工難度大、工期長及后期養護成本高。FRP材料其密度遠低于鋼材，且輕質、高強、耐腐蝕，這些特點使得該種材料非常適合本項目管道橋結構。隨著FRP材料加工工藝和加工技術的發展，各種類型的纖維增強復合材料也開始在土木工程中得到了越來越廣泛的應用。在工程領域，常見的纖維種類主要包括碳纖維（CFRP）、玻璃纖維（GFRP）、紡綸纖維（AFRP）以及其他各種纖維等。各材料應力-應變關系曲線如圖2所示。各材料力學性能見表1。

圖1 熱力管道桁架橫斷面Fig.1 Cross section of heat pipeline truss

圖2 FRP材料與鋼材的應力-應變曲線Fig.2 Stress-strain curve of FRP material and steel

表1 桁架主要材料力學性能Tab.1 Mechanical properties of main materials of trusses

通過材料多方面綜合性能指標的比選，GRFP材料具有較多的優勢，是熱力管道橋結構的合適選材。

同時對相同橋梁跨徑組合下，鋼桁架橋與GFRP桁架橋橋型方案進行比選，見表2。GFRP桁架橋除自重輕外，梁寬、梁高、養護、投資、工期等均具有優勢。

表2 橋型方案比選Tab.2 Comparison and selection of bridge schemes

3 設計技術標準

3.1 設計安全等級

一級，結構重要性系數1.1。

3.2 設計荷載

GFRP自重按19kN/m3計算，鋼材自重按78.5kN/m3計算。溫度荷載按整體升溫36℃，整體降溫24℃，不考慮溫度梯度影響。管道橫向風力為3.04kN/m，桁架橫向風力為（0.87+0.44）kN/m。

蒸汽管道試壓狀態按照400kg/m（試水管道350kg/m+施工荷載50kg/m）荷載計算，正常運營狀態按照195kg/m（運營管道145kg/m+維護荷載50kg/m）荷載計算［2］。支座不均勻沉降按橋墩沉降5mm考慮。

4 主要材料指標

管道橋的上下弦桿、腹桿、管道支座采用GFRP型材。根據武漢理工大學復合材料結構檢測實驗室對GFRP拉擠型材成品力學性能指標進行檢測結果，并考慮2.0的安全系數，GFRP主要力學指標見表3。

表3 GFRP主要力學指標Tab.3 Main mechanical indexes of GFRP

5 結構設計與計算

5.1 幾何模型

蒸汽管道橋采用梁高1.95m的GFRP桁架結構，結構分析采用空間桿系通用有限元軟件MIDAS7.80進行計算［3］，全橋共離散為2819個空間桿系單元，1431個節點。計算模型見圖3。在橋臺處設置5個固定支座，將管道固定在墩、臺帽；管道底與桁架間每約3m設置活動支座及定向支座，全橋設置活動支座68個、定向支座8個。

圖3 蒸汽管道橋有限元計算模型Fig.3 Finite element calculation model of steam pipeline bridge

5.2 計算結果

（1）桿件內力

桿件軸力見表4。

表4 桿件軸力（單位：kN）Tab.4 Axial force of rods（unit：kN）

（2）桿件應力

桿件應力見表5。

（3）整體穩定

試壓工況下各模態臨界系數統計見表6。

6 成橋試驗與檢測

選取的試驗區域為管道橋第四跨（5號墩至6號墩軸線之間），選擇的檢測橋梁段跨長為50m。測點布置見圖4。檢測單位對管道安裝過程中及成橋后的桁架撓度進行了測量，撓度實測值與理論計算值對比見表7。

表5 桿件應力（單位：MPa）Tab.5 Rod stress（unit：MPa）

表6 模態臨界系數Tab.6 Modal critical coefficients

圖4 檢測點布置示意（單位：mm）Fig.4 Schematic diagram of detection point layout（unit：mm）

表7 豎向撓度Tab.7 Vertical deflection

7 結語

GFRP材料在桁架橋上的應用為市政管線跨越河流提供了很好的解決方案。本工程2016年12月建成運營，為同類型工程設計積累了寶貴的經驗。