一种FRP景观桥应用研究

陈彦北，孔令俊，郝红肖，曾 挚，何 俊

(株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南株洲 412007)

纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer/Plastic，简称FRP)是由纤维材料与基体材料按一定工艺复合形成的高性能新型材料。这种材料从20世纪40年代问世以来，在航空、航天、船舶、汽车、化工、医学和机械等领域得到广泛的应用。常用FRP的基体为树脂、金属、碳素、陶瓷等，纤维种类有玻璃纤维、硼纤维、碳纤维、芳纶纤维、陶瓷纤维、玄武岩纤维、聚烯烃纤维、PBO(聚对亚苯基苯并双晤唑)纤维以及金属纤维等[1]。在七八十年代，FRP材料开始在桥梁与建筑工程结构中得到应用，并受到工程界的广泛关注。与传统的桥梁结构相比，FRP桥梁具有一些明显的优势。美国联邦公路局认为FRP桥梁主要有下面一些优点:轻质、高强、耐超载、使用寿命长、不锈蚀、不开裂、耐化学侵蚀、模块化、施工快、工程成本低、相对容易安装、环境友好以及施工对周围环境影响小等。

文章以某景观桥工程为实际对象，研究了FRP景观桥从产品制备、产品试验、结构体系设计、建设工艺以及FRP景观桥试验的完整过程，为FRP景观桥在工程中的应用奠定了基础。

1 FRP景观桥桥面板制备及其物理和化学性能试验

FRP产品的制备成型工艺与传统结构材料有很大不同，且制备工艺是保证纤维和基体共同工作的前提。其力学性能对工艺的依赖性也很强，不同工艺生产的FRP产品，在力学性能、尺寸精度等方面有很大的差别。因此，在FRP结构的设计中必须考虑其制备工艺。FRP的成型工艺，包括手糊成型、真空灌注成型、缠绕成型和拉挤成型工艺。手糊成型工艺简单，但该工艺低效、产品力学性能不均。真空灌注成型、缠绕成型和拉挤成型工艺产品强度高，而且易于工业化生产[2]。FRP拉挤成型工艺具有可以连续生产，生产效率高，原材料浪费少，整体性和截面形状一致性好，型材长度不受限制等优点，是目前国际上主要采用的FRP结构生产形式。

FRP景观桥桥面板采用FRP拉挤成型工艺生产，主要由纤维增强材料、树脂基体和添加剂组成。纤维增强材料包括玻璃纤维粗纱和复合毡，树脂基体主要是聚酯树脂，添加剂为无机增强填料等。

图1为FRP产品拉挤成型工艺生产过程。产品制备时，首先将玻璃纤维粗纱浸渍到树脂基体槽中，并在牵引力的作用下前行。当行进至模口之前与复合毡汇合，一同进入加热模具，在140℃左右的高温下反应约2 min，从而固化成型，待行进一段距离冷却后被切割成不同长度的桥面板型材。

图1 FRP产品拉挤成型工艺生产过程

为满足工程的使用需求，对FRP景观桥桥面板进行了物理和化学性能试验，测试数据如表1。还对FRP景观桥桥面板进行了耐磨性能和耐紫外老化试验，结果均符合FRP景观桥桥面板使用要求。

表1 FRP景观桥桥面板性能测试结果

2 FRP景观桥结构体系设计

2.1 上部结构设计

国内尚无关于FRP桥梁的设计规范，FRP景观桥设计主要依据《城市人行天桥与人行地道技术规范》[3](CJJ 69—95)、《公路桥涵设计通用规范》[4](JTG D60—2004)和《钢结构设计规范》[5](GB 50017—2003)。

FRP景观桥由每段相同的简支梁桥组成，每段由上部结构和下部结构组成，桥梁每段的跨度和宽度均为4 m。每段上部结构由FRP桥面板和4根H型钢主梁组成，跨度为4 m。FRP桥面板采用拉挤成型工艺生产的标准件40 mm×150 mm×4 100 mm进行铺装;H型钢主梁尺寸采用248 mm×124 mm×5 mm×8 mm，计算时通过一段来进行，见图2。

图2 FRP景观桥上部结构设计

FRP构件与传统桥梁构件具有不同的受力特点。首先，FRP构件承载力高，但刚度较小，设计通常为变形控制。其次，FRP构件的受力特性通常表现为线弹性，承载力随着变形的增大而增大，最终发生破坏前，变形已非常明显，破坏时比较突然。因此，FRP构件应有较大的安全系数。再次，FRP桥梁结构由于刚度较小，结构振动特性也是一个重要设计指标。

根据《城市人行天桥与人行地道技术规范》(CJJ 69—95)规范规定，采用人群荷载作为基本可变荷载进行分析，荷载大小采用5 kN/m2，挠度应控制在1/600跨距，计算结果为3.47 mm，满足要求。桥梁上部结构的竖向自振频率应不小于3 Hz，经计算，该景观桥的上部结构竖向自振频率为23.35 Hz，满足要求。FRP桥面板的最大应力只有不到10 MPa，远远小于FRP桥面板的强度。

2.2 下部结构设计

景观桥下部结构主要由钢筋混凝土门式框架结构组成。根据《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)规定，取框架柱截面为300 mm×300 mm，框架梁截面为200 mm×300 mm。景观桥下部结构如图3所示。

图3 景观桥下部结构设计

FRP景观桥的下部结构设计主要依据《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)和《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)等，进行承载能力极限状态设计和正常使用极限状态设计。

FRP景观桥下部结构进行了承载能力极限状态设计和正常使用极限状态设计，结果均满足规范要求。

3 FRP景观桥建设工艺

FRP景观桥的建设工艺流程如图4所示。

图4 景观桥建设工艺流程

4 FRP景观桥试验

FRP景观桥试验根据《城市人行天桥与人行地道技术规范》(CJJ 69—95)和《城市桥梁设计规范》(CJJ 11—2011)进行，包括两个试验:FRP景观桥振动性能试验和静力性能试验，测试结果如表2所示。

表2 FRP景观桥测试结果

从表2可以看出，FRP景观桥试验结果符合规范要求。景观桥实测的结构一阶竖向自振频率为24.14 Hz;实测主梁挠度比计算结果偏小，主要原因是由于实际情况下，主梁与下部结构的连接采用预埋螺栓连接，是一种介于简支和固结的连接约束，导致主梁的变形较小。

5 结论

桥梁技术的进步总是和建桥材料的技术进步紧密相关。文章通过对FRP景观桥的研究，生产出了适合景观桥的一种FRP桥面板;提出了一种FRP景观桥结构体系的设计方法，并且计算和实测结果均表明可以满足景观桥的使用要求;对FRP景观桥的建设工艺进行了初步总结。研究表明FRP材料在桥梁结构中应用是可行的，具有广阔的发展前景。

[1]叶列平，冯鹏.FRP在工程结构中的应用与发展[J].土木工程学报，2006，39(3):24-34.

[2]冯鹏，叶列平，金飞飞，等.FRP桥梁结构的受力性能与设计方法[J].玻璃钢/复合材料，2011(5):12-18.

[3]中华人民共和国建设部.CJJ 69—95 城市人行天桥与人行地道技术规范[S].北京:建筑工业出版社，1995.

[4]中华人民共和国交通部.JTG D60—2004 公路桥涵设计通用规范[S].北京:人民交通出版社，2004.

[5]中华人民共和国建设部.GB 50017—2003 钢结构设计规范[S].北京:建筑工业出版社，2003.