GFRP桥梁组合结构形式的探讨

何 琦

(新疆维吾尔自治区交通规划勘察设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830006)



GFRP桥梁组合结构形式的探讨

何 琦

(新疆维吾尔自治区交通规划勘察设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830006)

玻璃纤维增强复合材料(GFRP)拥有质轻、比强度高、耐腐蚀以及材料的可设计性好等突出优点，在土木工程领域得到了广泛应用，但由于其具有各向异性、层间强度低、刚度较低、抗剪性能差等缺点，在桥梁领域的应用相对较少，其作为桥梁主要受力构件的研究与应用是当前的热门课题。文章采用实验、理论分析与有限元相结合的方法，提出较优的GFRP桥梁组合结构类型及形式，并评析了该结构形式的力学性能和经济性能。

GFRP；有限元；桥梁；组合结构；力学性能；经济性能

0 引言

纤维增强复合材料具有很强的可塑性和结构适应性，与钢材以及合金等金属材料相比，复合材料能够同时拥有质轻、比强度和比刚度高、耐腐蚀以及材料的可设计性等突出优点。近年来随着GFRP(玻璃纤维)产量和性能的提高以及成型工艺的日益成熟，GFRP在土木工程中的应用得到迅速推广，但要作为桥梁工程的主要受力构件，还有大量的问题亟待解决。结构设计的目的是为了确定合理的结构体系、截面形式、各部分的大小、连接构造等，要对其进行强度、刚度、稳定性的检查。GFRP复合材料拥有各向异性、层间强度低、刚度较低、抗剪

特性差的特点，所以在该类结构设计中最重要的是要充分发挥GFRP材料的优点，尽量避免其缺点。因此，探讨出较优的GFRP组合桥梁结构类型和组合结构形式很重要。

1 材料实验

GFRP的材料性能与其生产工艺密切相关，GFRP组合桥梁结构多采用拉挤成型的GFRP材料。为了能准确掌握GFRP材料的性能，为GFRP组合桥梁结构设计提供材料参数和研究依据，根据GFRP构件在结构中所起到的作用和受力状态，本文对目前使用较广泛的拉挤成型工艺生成的、纤维含量70%的E玻璃纤维/环氧树脂型GFRP材料进行拉伸、轴压试验。

1.1 拉伸实验

沿试件轴向施加匀速静态拉力，直到试件达到预定伸长量或发生断裂为止。在试验过程中，试件上的载荷和伸长量都需要测量，然后计算拉伸应力或强度、弹性模量、断裂伸长率以及绘制应力-应变曲线。该拉伸试验参照的国家标准是纤维增强塑料性能试验方法总则(GB/T1446-2005)和玻璃纤维增强塑料拉伸性能试验方法(GB/T1447-05)。试验仪器：液压万能试验机。

1.2 压缩实验

受篇幅限制，在此不再复述。

1.3 实验结论

通过上述实验和查阅相关文献得出该类GFRP材料的力学属性，见表1。

表1 材料参数表

2 GFRP组合梁式桥梁结构类型

2.1 主体承重结构

在桥梁工程中，将GFRP结构或GFRP组合结构作为桥梁主要承重结构的应用并不多。对于GFRP做主要承重结构的中小跨径桥梁，多采用的结构形式大致分为两种：GFRP梁板结构和GFRP桁架结构。

由于GFRP构件性能受其生产工艺的影响极大，因此在进行结构形式的设计时，必须着重考虑其相应的生产工艺。目前GFRP的生产工艺中，拉挤成型工艺是使用最广泛、制品质量最优、生产效率最高、制品质量离散率最小的工艺，也是未来GFRP生产工艺的主流趋势，但是拉挤成型FRP制品的纤维走向单一，多为沿拉挤方向，所以可看作正交异性材料。从构件的生产和质量的角度考虑，GFRP桥梁结构宜尽量采用拉挤成型的GFRP材料。

GFRP桁架结构多采用拉挤成型的GFRP构件，具备以下优点：(1)结构形式轻盈、造型美观；(2)施工快捷、技术成熟；(3)主要承受轴力，与拉挤成型GFRP材料性能可较好地吻合；(4)便于检查、拆卸、养护。基于以上特点，GFRP桁架结构具备良好的经济性与适用性，在未来的复合材料桥梁中将占据不可或缺的地位，甚至是主导地位，因此本文将对GFRP桁架组合结构展开探讨。

2.2 桥面板结构

从拉挤成型GFRP材料试验可知，GFRP的抗拉性能较好但抗压性能较弱，因此在GFRP桁架桥中，不宜全采用纯GFRP构件作为抗压构件，而应该有针对性地，在压力较大的地方进行合理设计，避免GFRP承受较大压力荷载。近年来GFRP桥面板在桥梁工程中的应用越来越广泛，但在本文探讨的GFRP桁架组合结构中，为避免桁架受压区构件承受较大压力荷载，宜采用钢筋混凝土桥面板，且桁架结构宜为上承式结构。在该结构中，GFRP构件和混凝土桥面板之间采用剪力连接件进行连接，形成GFRP-混凝土板的组合结构。其受压构件不采用钢材是因为钢材的防腐蚀性、耐久性和抗疲劳性等性能都相对较差。

3 GFRP组合梁式桥梁结构形式及力学性能分析

3.1 结构形式

由以上内容中可知，适合GFRP组合桥梁的结构类型为GFRP桁架式组合桥梁及GFRP-混凝土桥面板结构。本文在参考并借鉴钢桁架结构形式的基础上，结合GFRP材料力学特性，给出合理的GFRP桁架式组合桥梁结构形式，见图1。

为准确分析该结构形式的力学性能与经济性能，本文以单跨40 m，4车道的简支梁桥为例，具体给出了各类桁架构件的截面形式与构件尺寸。截面形式为工字型，尺寸见表2(H为截面高，B1、B2为顶和底的翼缘板宽度，tf1、tf2为顶和底的翼缘板厚度，tw为腹板厚度，r1、r2为转角半径)。

图1 GFRP组合结构形式示意图

表2 截面尺寸表

3.2 力学性能分析

基于上述结构形式和构件尺寸，本文借助MIDAS有限元软件分析其在公路Ⅰ级荷载及其自重作用下的力学性能，见图2～4。

图2 GFRP桥梁组合结构模型图

图3 GFRP桥面板及车道布置图

图4 纵向桁架轴力图(N)

3.2.1 强度计算结果

强度计算结果见图5、表3。

图5 整体应力图

表3 强度计算结果表

3.2.2 刚度计算结果(图6)

图6 竖向位移分布图

3.2.3 稳定性计算结果

本文采用的是欧拉公式：

(1)

其中：Fcr——临界力；

EI——抗压刚度；

L——构件长度。

当构件受到的压力F

计算结果见表4。

表4 稳定性计算表

3.2.4 结果分析

上述计算结果表明：(1)本文给出的构件尺寸较为合理，强度、刚度、稳定性指标都能满足规范要求，且不浪费，具备工程实用性。(2)该类GFRP桥梁组合结构能充分发挥GFRP材料的优势，同时能有效避免GFRP材料的劣势，且桥梁组合结构强度较高、稳定性较好、但刚度稍弱。(3)刚度和稳定性是该类桥梁设计时的重要控制指标。

4 经济性能

本文设计并研究的GFRP复合材料组合结构桥梁其上部结构中，GFRP的用量为10.5t。根据市场调查发现，本文采用的拉挤成型纤维含量70%的E玻璃纤维型GFRP复合材料工字钢的市场价格在4万/t左右。由于市场上现有的GFRP拉挤成型工字钢的截面尺寸不能满足本文设计的40m跨径的GFRP组合结构简支梁桥的要求，故本文需要重新设计构件截面尺寸。考虑到GFRP拉挤型材的生产受模具尺寸的限制，改变GFRP型材尺寸会产生额外的模具费用，故本文将选用的GFRP型材价格扩大一倍，变为8万/t，总的造价为84万元。公路一级荷载下40m跨径的4车道简支预应力混凝土梁桥的上部结构的造价大约在100万左右。由此可见本文设计并研究的GFRP组合结构桥梁具备良好的经济性。当本文设计的这种GFRP组合结构桥梁得到推广后，本文使用的GFRP拉挤成型工字钢将占据一定的市场份额，此时本文采用的GFRP型材价格将会不考虑新建模具的费用，为4万/t左右，则GFRP复合材料组合结构桥梁将越来越显著地发挥其经济优势。此外GFRP材料由于其耐疲劳性、耐腐蚀性和耐久性能远远超过钢筋混凝土材料和钢材，因此GFRP桥梁的使用寿命和后期维修费用等都远远优于钢筋混凝土桥和钢桥。

5 结语

(1)GFRP组合桥梁具有良好的发展与应用前景，其组合结构形式以及合理的构件尺寸需要高度重视。

(2)本文通过实验给出了GFRP材料的真实材料属性。

(3)针对GFRP的特性，提出了合理的GFRP桥梁组合结构类型及结构形式，该类桥梁组合结构充分发挥了GFRP桥梁的优势，同时较好地规避了其劣势。

(4)给出了可用于工程实际的具体构件详细尺寸信息，并进行了强度、刚度、稳定性分析，结果表明其性能良好。

(5)从市场出发评价了该类GFRP组合桥梁的经济性能，结果表明其具有良好的经济适用性。

[1]汤国栋，汤 羽，冯广占.中国GRP/COM桥梁的研究与实践[J].成都科技大学学报，1995(6):69-80.

[2]周 履，王震鸣，范赋群.复合材料及结构的力学进展[M].广州：华南理工大学出版社，1991.

[3]卢志强.对称结构复合材料人行桥有限元仿真分析[D].广州：广东工业大学，2013.

[4]ThomasKeller.Recentall-compositeandhybridfibre-reinforcedpolymerbridgesandbuildings[J].ProgStructengngmater，2001，3：132-140.

[5]L.C.Hollaway.AreviewofthepresentandfutureutilisationofFRPcompositesinthecivilinfrastructurewithreferencetotheirimportantin-serviceproperties[J].ConstructionandBuildingMaterials，2010，24：2419-2445.

Discussions on Composite Structure Form of GFRP Bridges

HE Qi

(Xinjiang Transportation Planning Surveying and Design Institute，Urumqi，Xinjiang，830006)

Glass fiber reinforced composite(GFRP)has the advantages of light weight，high strength，corrosion-resistant and good material design，which has been widely used in civil engineering fields，but because of its anisotropy，low-intensity between layers，low stiffness，poor poor performance and other defects，it has few applications in the bridges，and its study and application as the main force compo-nent if bridges are the current hot topics.This article used the method combining the experimental，theo-retical analysis and finite element method，proposed the better GFRP bridge composite structure types and forms，and evaluated the mechanical properties and economic performance of this structure form.

GFRP；FEM；Bridge；Composite structure；Mechanical properties；Economic performance

何 琦(1989—)，男，工学硕士，主要从事桥梁设计工作。

U

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.01.011

1673-4874(2015)01-0047-05

2014-12-01