装配式公路钢桥FRP桥面板研究

马文刚，孙 栋，申楠公

（军事交通学院军事交通运输研究所，国家应急交通运输装备工程技术研究中心，天津市 300161）

0 引言

装配式公路钢桥是一种可分解的、能快速架设的制式桥梁，具有结构简单、适应性强、互换性好、载重量大等特点，在地方经济建设和抢险救灾等交通保障中发挥了突出的作用。当前，装配式公路钢桥主要用材是钢材，其长期在仓库储存会产生锈蚀，需要定期进行保养维护，另外，钢桥主要构件自重较大，人力搬运、安装工作强度大。为此，需要利用其他的新型材料，对钢桥构件进行改进。FRP（纤维增强复合材料）是以树脂为基体，玻璃纤维、碳纤维和芳纶纤维等为增强体的一种复合材料，具有耐腐蚀、轻质高强的特点，近年在桥梁工程中得到逐步应用，如 FRP 人行桥梁、FRP 斜拉桥索、FRP 桥面板等。本文根据 FRP 材料在桥面板的应用现状，结合实际应用的可行性，提出 FRP 材料应用于装配式公路钢桥桥面桥的设想[1]。

1 FRP 材料概述

1.1 FRP 材料特点

FRP 材料的性能与传统结构材料有很大差别，必须了解 FRP 材料的优缺点，有助于更好地发挥其优势，避免其不足。以下为 FRP 的主要优点。

（1）轻质高强。FRP 材料具有很高的比强度（极限强度/相对容重），其比强度是钢材的 20～50 倍，采用 FRP 材料将会大大减轻结构自重。

（2）耐腐蚀性强。FRP 材料可以在酸、碱、氯盐和潮湿的环境中抵抗化学腐蚀，耐腐蚀性超过传统结构材料，可用于化工建筑、地下工程和水下特殊工程中，大大降低工程的维护费用。

（3）弹性性能好。FRP 材料的应力应变曲线接近线性，在发生较大变形后还能恢复原状，塑性变形很小，有利于承受较大的动载。

（4）可设计性好。FRP 材料由基体和增强体组成，可选用不同纤维种类、纤维含量，通过不同工艺设计不同类型的 FRP 产品，产品成型方便灵活。

另外，FRP 材料还具有抗疲劳性强，外观美观、色泽持久等特点。除了上述优点，FRP 材料的弹性模量低、各向异性、剪切强度、层间拉伸强度和层间剪切强度仅为其抗拉强度的 5%～20%，这些问题需要在设计中予以重视[1]。

1.2 FRP 材料类型及在桥梁工程中的应用

目前，桥梁工程中得到应用的 FRP 产品有以下几类。

（1）FRP 拉挤型材。主要有管材、工字型材等多种截面型式，力学性能好，是 FRP 结构应用的主要产品，主要用于与其他材料形成组合构件。

（2）FRP 缠绕型材。主要用作 FRP 管混凝土结构，可作为柱、桩，使构件性能大大优于普通钢筋混凝土。

（3）FRP 夹层结构和蜂窝板。由上下面的 FRP板和夹心材料组成，充分利用了面层 FRP 材料强度，主要用于梁和桥板中。

（4）FRP 片材，包括 FRP 布和 FRP 板。主要用树脂材料粘贴于混凝土结构表面，对其进行加固补强。

（5）FRP 棒材，包括 FRP 筋和 FRP 索。主要在FRP 筋混凝土结构、FRP 预应力混凝土结构和桥索中，作为增强筋和预应力索[2]。

2 FRP 桥面板应用现状

2.1 FRP 桥面板基本结构形式

根据 FRP 桥面板构造，主要有 4 种类型：

（1）FRP 夹心板（见图1），由夹心和上下面板组成；

（2）FRP 型材拼合空心板（见图2），由相同型式的型材拼合而成；

（3）FRP 面板-型材芯空心板（见图3），由相同型材组成的核芯与上下面板组成；

（4）FRP-混凝土 /木材叠合板（见图4），由FRP 型材与混凝土/木材面板组合结构。

图1 FRP 夹心板

图2 FRP 型材拼合空心板

图3 FRP 面板-型材芯空心板

图4 FRP-混凝土/木材叠合板

2.2 国内外应用现状

从 20世纪80年代开始，国内外开展了 FRP桥面板结构体系研究。1990年，日本制造了一座全FRP 双塔双索面斜拉体系的试验桥。1992年，英国苏格兰的 Aberfeldy 建成一座全 FRP 结构的斜拉人行天桥，采用了箱型截面的 GFRP 拉挤型材。1994年，英国用 GFRP 拉挤型材，建造了承受 40 t卡车的 Bond Mill 桥，该桥由 6 根 FRP 箱型梁组成。1996年，美国 Kansas 州 Russell 架起了第一座采用 FRP 桥面板公路桥，并得到较快的发展，建成数十座中小桥梁。1997年，瑞士 Pontresina 的风景区建造了一座跨河的全 FRP 人行桥，采用 GFRP拉挤型材粘结而成。

20世纪70年代后期，我国也开始对 GFRP 进行研究。在 1982年，北京密云建成 GFRP 简支蜂窝箱梁公路桥，设计荷载等级汽车—15、挂车—80，并进行了现场的荷载试验，证明了 FRP 作为承重构件的可行性。1986年，我国建成第一座斜拉 FRP箱型人行天桥，采用 GFRP 蜂窝夹心板组合箱梁。河北省高速公路管理局和东南大学联合研究并开发了 GFRP 桥面板。清华大学从 2004年研发了一种新型外部缠绕 FRP 空心桥面板，该桥面板适用于梁式桥，跨度 4 m 以下。

3 装配式公路钢桥 FRP 桥面板

从上述分析看出，FRP 材料具备良好的性能，正在民用桥面板中得到逐步应用。FRP 材料为装配式公路钢桥桥面板的改进提供了良好的材料。为进一步减轻钢桥自重，便于器材长期储存，借鉴国内成果，研究提出了装配式 FRP 桥面板结构，并利用有限元软件进行计算分析。

3.1 桥面板结构

FRP 桥面板长 3 m，宽 0.8 m，厚 0.2 m，由拉挤 FRP 矩形管拼接而成。FRP 材料组份为乙烯基树脂、无捻玻璃纤维长丝和预定向纤维增强布(0 °/-45°/45°/90 °)。

3.2 力学性能分析

按照桥面板尺寸，建立图5所示有限元模型，选用 shell99 单元模拟复合材料，材料参数见表1。边界条件：桥板一端节点约束 X、Y、Z 方向的自由度，另一侧节点约束 Y 方向的自由度，实现桥面板的简支。计算荷载采用《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2004）的车辆荷载，取后轴单个车轮荷载(7 t)，计入冲击荷载(10 t)，荷载施加于跨中0.2 m×0.6 m 的区域内[3]。

图5 FRP 桥面板有限元模型

表1 FRP 桥面板模型材料参数（X/Y/Z）

FRP 桥面板模型在最大轮压荷载作用下，有限元计算挠度值为 3.72 mm（见图6），挠跨比为1/810(计算跨度：3.0 m)。有限元计算纵向应力为216 MPa（见图7），横向应力为 31 MPa（见图8），桥面板强度小于《纤维增强复合材料桥板》（GB/T29552—2013）规定的最大纵向应力 250 MPa、横向应力 55 MPa 的要求。

图6 FRP 桥面板位移图

图7 FRP 桥面板纵向应力

图8 FRP 桥面板横向应力

4 结语

FRP 具有自重轻、耐腐蚀的显著特点，在民用桥梁领域得到逐步应用，是一种良好的新型桥梁材料，将 FRP 材料用于装配式公路钢桥，可有效减轻桥面板自重，减少日常维护保养费用。经有限元分析，FRP 桥面板结构强度满足要求，从理论上看可行性良好。

[1] 冯鹏,陆新征,叶列平.纤维增强复合材料建设工程应用技术[M].北京:中国建筑工业出版社,2011.

[2] 叶列平,冯鹏.纤维增强复合材料在工程结构中的应用与发展[J].土木工程学报,2006,39(3):25-37.

[3] 朱坤宁,万水,刘玉擎.FRP 桥面板静载试验研究及分析[J].工程力学,2010,2(1):15-19.