一种波形钢腹板FRP桥面板组合桥梁的应用

周印霄

摘要：介绍了一种新型的组合结构桥梁，其主梁采用波形钢工字梁，桥面系为FRP桥面板，该结构充分利用波形钢工字梁优越的抗剪承弯能力，以及FRP材料抗拉、抗疲劳、抗腐蚀能力强等优点，实现了主桥结构的装配化施工。结合大广高速深州至大名段分离式立交桥工程，详细阐述了波形钢腹板FRP桥面板组合桥梁的施工方案。这种新型桥梁结构的应用对于推进桥梁创新意义重大。

关键词：波形钢腹板；工字梁；FRP桥面板；拉挤成型

中图分类号：U443.32文献标志码：B

0引言

波形钢腹板是以被加工成波形的钢板作为腹板的构件，用以替代传统的预应力钢筋混凝土腹板。世界上第一座波形钢腹板组合箱梁桥是于20世纪80年代末建成的法国Cognac桥；1993年日本将波形钢腹板应用于新开桥并使该技术得到了发展；2005年中国建成了第一座波形钢腹板组合箱梁桥——淮安长征人行天桥。近10余年间，波形钢腹板设计理论日益成熟，科研数据日臻完善，施工水平逐步提高，施工工法也呈现多样化发展，包括预制装配法、满堂支架法、无支架法、挂篮悬浇法、顶推施工法、RW工法等[1]；且在各类跨径中均得到了应用发展，为完善中国波形钢腹板组合结构的科研、设计、施工、监控等提供了宝贵的经验。波形钢腹板具有的自重小、抗震性能好、抗剪能力高、褶皱效应强、结构美观、施工便捷、节能环保等优点备受设计师和工程师们青睐。

FRP材料是一种以高分子环氧树脂为基体，以玻璃钢或碳纤维等为增强体，经过复合工艺制成的复合材料。FRP复合材料具有抗拉强度高、质量轻、不锈蚀、热膨胀系数低、无磁性以及抗疲劳等特点[2]，用于制造各种运动用具、管道、造船、汽车与电子产品的外壳和印刷电路板。

1项目概况

大广高速深州至大名段K17+487.363分离式立交桥，上部结构采用预应力混凝土工字梁和钢梁结构2种形式，跨径组合为20 m+4×25 m+20 m，其钢梁结构采用的是一种新型的波形钢腹板FRP桥面板组合结构（图1），钢梁为H型波形钢腹板结构，桥面板采用FRP玻璃钢材料，梁高161.5 cm[3]。

2细部构造

主梁采用波形钢腹板Q345D钢材工字梁，梁高140 cm，腹板厚度为6 mm，波长1 000 mm，波高200 mm；上下翼板采用宽600 mm、厚20 mm的钢板。为提高抗扭刚度，每4 m设计一道钢横梁，支点截面处设端横梁。FRP桥面板厚21.5 cm，宽25 cm，采用相邻桥板咬合式设计（图2、3）。

3施工方案

3.1波形钢工字梁的加工制作

所用Q345D钢板的化学组分、力学性能经外委检测满足要求后，进行整形、号料、抛丸除锈，然后采用模压设备对平钢板进行波形板连续模压，实现整梁波形板纵向无焊接缝，确保受弯构件的整体稳定性[4]。钢板冷弯成型后，基板不应有裂纹以及明显凹凸和皱褶，几何尺寸和平面翘曲量等参数须符合设计要求。翼板与波形钢腹板结合部采用全自动焊接机器人自动跟进焊接，焊接前必须进行焊接工艺评定，选取焊接参数，严格处理焊接环境等。由于顶翼板与腹板焊接处的仰焊作业难度高，采用大型翻转机将工字梁整体进行翻转，把高难度的仰焊变为低难度的平焊，从而确保焊缝的施工质量。要对焊接成型后的波形钢腹板工字梁进行焊缝的无损检测，常规检测方法为射线探伤、磁粉探伤、超声波探伤等[56]。在组焊成型过程中钢板受焊接应力影响所产生的变形，应采用机械矫正法进行整形。探伤及整形符合要求后的波形钢工字梁应进行二次抛丸除锈，前处理达标后4 h应进行涂装作业，否则必须再次进行前处理，以确保涂装质量，至此成品波形钢腹板工字梁制作完毕（图4）。

3.2FRP桥面板制作

3.2.1FRP桥面板

本桥桥面板采用21.5 cm FRP拉挤型材。拉挤工艺是一种连续生产复合型材的方法[7]，它是将纱架上的无捻玻璃纤维粗纱和其他连续增强材料、聚脂表面毡等进行树脂浸渍，然后通过一定截面形状的成型模具，使其在模内固化成型后连续出模，由此形成拉挤制品的自动化生产工艺（图5）。

3.2.2拉挤工艺流程

拉挤工艺流程为：玻璃纤维粗纱排布、浸胶、预成型、挤压模塑及固化、牵引、切割、制品。

（1）排布。将安装在纱架上的增强材料从纱筒上引出，并均匀整齐地排布出来。

（2）树脂浸渍。将排布整齐的增强纤维均匀浸渍在已配好的不饱和树脂中，最常用的是直槽浸渍法。在整个浸渍过程中，纤维和毡排列应十分整齐。

（3）预成型。浸渍后的增强材料穿过预成型装置，以连续的方式谨慎传递，确保它们的相对位置和均匀分布。接近制品的最终形状时，挤出多余的树脂，排除气泡，然后再进入模具进行成型固化。

（4）固化。浸胶增强材料进入模具并在模具中固化成型。模具是在系统确定的条件下设计的，根据树脂固化放热曲线及物料与模具的摩擦性能，将模具分成3个不同的加热区，其温度由树脂系统的性能确定。模具是拉挤成型工艺中最关键的部分，模具长度与固化速度、模具温度、制品尺寸、拉挤速度、增强材料性质有关，同时还应考虑树脂的压型收缩率等参数。

（5）牵引。牵引装置本身可以是1个履带型拉出器或2个往复运动的夹持装置，以便确保连续运动，拉挤速度对树脂浸润、拉挤产品性能有着重要的影响。

（6）切割。型材由自动同步移动的切割锯按需要的长度切割，切割过程刀具的磨耗非常严重。

3.3FRP桥面板运输及安装

FRP桥面板自重较轻，因此采用常规载货汽车即可运输至现场，但要采取有效的成品保护方法，防止FRP桥面板在起吊、运输、卸放过程中受砸、折、剪等强大外力造成破坏[8]。

针对FRP型材局部承压屈服强度及剪切强度低等特点，设计中在FRP桥面板底板中粘贴金属钢带，以使螺栓连接处的应力通过钢带尽可能均匀分布在钢带及FRP型材上。同时，为避免单板受力，波形钢腹板工字梁顶板铺设2 mm厚的氯丁橡胶，每个氯丁橡胶设置4个螺栓孔，孔径为23 mm，在氯丁橡胶开口处涂环氧胶，将波形钢腹板工字梁与钢带FRP组合梁粘结在一起[9]。将钢带FRP组合梁通过螺栓孔紧固在波形钢腹板工字梁的翼板上（图6）。使用FRP桥面板替代那些结构性能劣化、抗力衰减的桥面板是个很省时的办法，因为桥面板可以在工厂中生产，现场安装过程只需要很短的时间就能完成。由于FRP复合材料重量轻，在多地震地区使用FRP桥面板会减小地震过程中惯性力的作用，因此减少地震产生的损害[10]。在安装FRP桥面板时，要认真检查桥面板与工字梁翼板的结合情况，保证贴合均匀，无单板受力状态，且要掌握好螺栓拧紧力，拧紧力过大会对FRP材料造成破坏，过小则会使桥面板与主梁产生松动，影响结构稳定。

图6FRP桥面板连接部设计

4结语

大广高速K17+487.363分离式立交桥波形钢工字梁FRP桥面板组合桥梁实现了上部结构及桥面系的装配化施工，大大降低了传统预应力钢筋混凝土的劳动强度，且最大程度降低了结构自重，根治了混凝土腹板开裂问题。引进轻型桥面板解决了混凝土桥面板因盐分等引起的腐蚀问题，建桥速度和承载能力得到极大提高，桥型更为美观，降低了基础及下部结构设计截面，造价更为低廉，是一种全新的结构形式。

尽管FRP具有轻质、高强、耐锈蚀等优点，但也存在一定缺点，通常表现为各向异性、弹性模量低、剪切强度低、防火性能差等。在桥面体系中应用

FRP材料最大程度降低了雨水、盐分的侵蚀，且大大降低了结构恒载，维护费用低，经济指标突出，受到国内学者和工程师们推崇。面对未来广大的市场，还需要FRP生产厂家及科研工作者们就现有FRP材料的结构组分、力学性能等进行科研攻关，以获得更高的剪切强度、更好的延性等关键性能，优化FRP材料的连接部设计，并开发多种形式的组合体系。

参考文献：

[1]王飞，刘之光，任亮.波形钢腹板小箱梁顶推设计与施工研究[J].筑路机械与施工机械化，2015，32（8）：6669.

[2]方志，杨剑.FRP和RPC在土木工程中的研究及应用[J].铁道科学与工程学报，2005，2（4）：5461.

[3]朱坤宁，万水.FRP钢组合结构桥梁建造关键技术研究[J].玻璃钢/复合材料，2011（5）：812.

[4]刘小旭.FRP沥青混凝土钢桥面铺装结构静力特性研究[D].重庆：重庆交通大学，2010.

[5]朱春阳.FRP钢管混凝土结构静动力学性能研究[D].大连：大连海事大学，2015.

[6]周英武，王苏岩.FRP加固钢筋混凝土梁抗剪计算公式的对比分析[J].铁道科学与工程学报，2005，2（3）：2228.

[7]张锡祥，巫祖烈，杨忠，等.高耐久性FRP桥梁结构、构件的研究与实践[J].重庆交通大学学报：自然科学版，2011，30（S2）：12241232.

[8]曾宪桃，车惠民.复合材料FRP在桥梁工程中的应用及其前景[J].桥梁建设，2000（2）：6670.

[9]刘朵，杨丙文，张建东，等. 波形钢腹板组合桥梁内衬混凝土抗剪性能研究[J].世界桥梁，2013，41（6）：7275.

[10]黄琪.波形钢腹板的设计方法[J].长安大学学报：自然科学版，2009，29（3）：7376.

[责任编辑：王玉玲]