大跨GFRP桁架管道橋設計探索

李孟然，孟 江

(黃河勘測規劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003)

1 概述

我國市政管線過河方式一般采用下穿或上跨，上跨方式可以依附交通橋敷設或單獨架設管道橋。管道橋常用的材料有混凝土和鋼材，如果采用輕質高強的GFRP[1]材料，既可以縮短工期又可以節省投資。與初期的GFRP橋梁不同，近年建成的GFRP橋梁是指采用拉擠、真空輔助灌注等工業化成型工藝，由高性能增強復合材料型材構成的具有穩定力學性能和使用性能的橋梁或橋梁部件，具有工業化、標準化的特點，能滿足工程建設大用量的需求。

GFRP質量密度僅為鋼材的1/4，桁架自重更輕，運輸和架設難度更?。籊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；GFRP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。

目前，針對新建GFRP材料結構的研究，國內尚處于起步階段，積累的實驗數據、工程經驗很少，加之國內規范、標準的頒布實施還遠不能滿足行業發展的需要[2-4]，目前國內GFRP桁架橋跨徑普遍小于40 m。

2 總體設計

GFRP桁架管道橋結構設計需要確定合理的結構體系、截面型式和尺寸，關鍵是合理的連接構造。與鋼結構橋梁一樣，主受力桿件也需要進行強度、剛度和穩定性驗算。

某給水管道橋，給水管道管徑為φ430 mm×10 mm，設計工作壓力為1.6 MPa，試驗壓力為2.1 MPa，給水管道支撐于GFRP桁架管道橋上，橋長260 m，跨徑組成為(2×45+2×50+2×35)m，桁架高1.95 m，支撐于主橋各墩臺的蓋梁上。管道橋建成后實景圖如圖1所示。

3 材料性能參數

GFRP材料結構設計除了具有包含材料設計內容的特點外，就結構設計本身而言，無論在設計原則、工藝性要求、容許值與安全系數確定、設計方法等方面都有其自身的特點，不能完全沿用金屬結構的設計方法。GFRP材料的形成工藝采用具有穩定質量保證的拉擠技術，拉擠成型工藝具有高度自動化生產的特點，產品質量穩定可控，但受設備能力限制，制品截面一般較小，已經在國內外廣泛應用于各種FRP型材的生產。設計中采用的GFRP材料性能參數見表1。

表1 GFRP材料性能參數表

GFRP材料與鋼材相比，具有以下顯著特點：

1)抗拉強度較鋼材更高，但材質各向異性，抗剪和抗多軸向力強度較鋼材低；2)彈性模量較鋼材低；3)疲勞性能較鋼材更好；4)重量較鋼材輕，為鋼材的1/4；5)抗腐蝕性能較鋼材更好；6)熱膨脹系數較鋼材低；7)應力-應變曲線呈線性分布；8)非磁性材料。

4 結構計算與分析

4.1 計算模型

桁架橋結構分析采用空間桿系通用有限元軟件Midas/Civil進行計算，全橋共離散為2 819個空間桿系單元，1 431個節點，計算模型如圖3所示。

計算中重點考慮以下兩個難點：

1)桁架與管道間支座高度計算。模型計算時采用先加載管道荷載后得到桁架橋的撓度，根據計算得到的撓度確定支座的高度，進一步得到支座重量，再將支座重量加載到桁架橋計算模型中，迭代得到再計入支座自重后的桁架橋撓度，并以此迭代直至收斂。

2)抗拉模量與抗壓模量不一致。將GFRP材料定義為兩種材料，模量分別采用抗拉模量和抗壓模量，并對原始模型賦予一種材料，并將計算結果分離出受拉單元和受壓單元，并據此賦予不同的材料，通過多次迭代直至單元的受力狀態穩定。

4.2 桁架桿件計算結果

桁架桿件內力計算結果見表2，應力驗算結果見表3。

表2 桿件軸力表 kN

由表3可以看出，桁架桿件最大拉應力61.3 MPa，小于允許拉應力300 MPa；最大壓應力60.6 MPa，小于允許壓應力240 MPa。拉壓應力均滿足要求。

表3 桁架應力驗算結果 MPa

4.3 節點連接強度驗算

桁架節點采用膠栓連接(螺栓連接和膠接并用)方式。施工采用的膠粘劑，必須具有由建設部建筑物鑒定與加固規范管理委員會評定的A級膠認證報告；膠粘劑的毒性檢驗，要求固化后膠粘劑應達到實際無毒的衛生等級。膠粘施工及驗收標準應滿足GB 50550—2010建筑結構加固工程施工質量驗收規范及相關規范要求。桁架橋中螺栓均采用M20鋼螺栓。橫向連接桿采用鋼制M24鋼螺栓。

根據膠栓連接破壞模式可知，膠栓連接中膠接先破壞后，螺栓連接破壞，但是膠栓連接承載力大于螺栓連接。為安全起見，此處僅計算螺栓連接強度。

由于螺栓最大間距L=7 cm<15d0=15×2=30 cm，故可認為每個螺栓平均分擔剪力。螺栓連接強度驗算結果見表4。

表4 連接強度驗算 kN

4.4 桁架穩定驗算

桁架桿件穩定計算參照《鋼結構設計規范》，構件長細比λ按照下列規定確定：

λx=l0x/ix,λy=l0y/iy。

其中，l0x,l0y分別為構件對主軸x,y的計算長度；ix,iy分別為構件截面對主軸x,y的回轉半徑。

桁架桿件長細比計算結果見表5。

表5 桁架各桿件長細比計算表

5 結語

GFRP桁架管道橋將新材料特性與結構受力特點完美結合，證明了GFRP材料應用于橋梁工程的可行性。雖然國內的新型GFRP橋梁應用剛開始起步，但是隨著生產規模增大，制造工藝改進，GFRP橋梁的成本必將下降[5-6]。目前該橋已經建成運營，為同類型工程設計積累了寶貴的經驗。