GFRP-混凝土-钢组合梁桥的设计与应用

张海龙，佟兆杰，黄侨

(1.深圳市市政设计研究院有限公司，广东 深圳 518029; 2.东南大学 交通学院)

1 引言

随着交通运输行业的发展，2018年中国公路桥梁总数已达85.1万座。但是由于设计、施工、养护、管理等方面的问题，越来越多的桥梁无法达到设计寿命。而为了解决这一问题，新技术、新材料、新工艺不断应用于桥梁创新中。近年来纤维增强复合材料(FRP)由于其优越的力学性能在桥梁工程中得到了一定应用，如：预应力碳纤维板、FRP桥面板、FRP斜拉索等。

钢-混组合梁桥的桥面板在荷载及环境侵蚀的耦合作用下，成为了组合梁桥的易损构件之一。为了提高桥面板的耐久性，将FRP材料加入到桥面板的设计中成为了改善原有混凝土桥面板耐久性的方向之一。混凝土位于桥面板顶部，FRP板位于桥面板底部，两者组合形成FRP-混凝土组合板。FRP板可以参与横桥向受力代替部分底层钢筋，并且可以阻挡来自于桥面板底部的环境侵蚀。钢梁与FRP-混凝土组合板通过抗剪连接件连接，两者组合即：FRP-混凝土-钢组合梁。

目前，国内外学者对FRP-混凝土-钢组合梁桥计算理论开展了一些研究，如：组合板、组合梁、FRP-混凝土界面的力学机理研究等，但是关于FRP-混凝土-钢组合梁桥的工程应用还较少。合肥市郎溪路工程高架桥E匝道第二联为预应力GFRP-混凝土-钢组合连续梁桥，该文结合该工程项目，对该种桥型的设计、建造进行介绍。

2 项目概况

合肥市郎溪路工程高架桥E匝道第二联为GFRP-混凝土-钢组合连续梁桥，其跨径为(25+35+25) m，2018年竣工，如图1所示。该桥的桥面板为GFRP-混凝土组合桥面板，该桥的组合梁为GFRP-混凝土-钢组合梁。桥梁总长85 m，桥宽8.5 m，桥梁的截面形式为GFRP+混凝土+钢梁。桥梁总体布置图如图2所示。

图1 GFRP-混凝土-钢组合梁桥

图2 桥梁总体布置图(单位：cm)

3 GFRP-混凝土-钢组合梁桥的设计

图3为GFRP-混凝土-钢箱梁断面图，位于混凝土底面的GFRP板与混凝土组合形成GFRP-混凝土组合桥面板，组合板与钢梁通过栓钉进行连接。GFRP板在栓钉处断开，由于GFRP板不连续通过钢腹板，可以避免栓钉处GFRP板与栓钉相交的复杂处理。

图3 GFRP-混凝土-钢箱梁断面图(单位：mm)

在受力方面，在横桥向正弯矩区，GFRP板位于桥面板底部承担拉力，可以降低横桥向钢筋的配置。在耐久性方面，GFRP板阻挡了来自桥面板底部的氯离子、二氧化碳的侵蚀，有效降低了钢筋锈蚀、混凝土碳化及荷载耦合作用的危害，提高了桥面板的长期性能，并进一步提高了组合梁桥的使用寿命。此外，GFRP-混凝土板与钢梁通过伸入到桥面板中的栓钉连接，纵桥向受力主要由GFRP-混凝土-钢组合梁承担，横桥向受力主要由GFRP-混凝土板承担，整个结构受力明确。

图4为GFRP板横断面图，GFRP板由底板、肋板、定位板组成。每个GFRP板单元的宽度为450 mm，其中GFRP板宽449 mm，胶层厚度1 mm。GFRP板与GFRP板通过涂抹在肋板上的环氧树脂形成一体，为了提高板与板间的拼接精度，在肋板相交的位置设置定位板。此外，为了方便纵桥向钢筋的架设，在GFRP肋板顶部开槽，如图5所示。

图4 带定位板的GFRP板横断面图(单位：mm)

图5 GFRP板实景图

GFRP板与混凝土通过GFRP底板表面的界面连接在一起。GFRP板与混凝土的界面形式有无黏结界面、砾石界面、粗砂界面和湿胶界面，如图6所示。不同界面形式的简支板静力试验结果表明：湿胶界面和50%覆盖率的砾石界面提供的组合作用最好。这里考虑到在胶体凝固前完成混凝土浇筑的湿胶界面不适合于实际工程环境，采用50%覆盖率的砾石界面作为工程中的GFRP-混凝土界面形式。图7为不同界面形式的GFRP-混凝土组合板静力加载图。

4 GFRP-混凝土板工程实例分析

采用单向板的理论公式对实桥中的GFRP-混凝土组合板进行刚度、抗弯承载力、应力计算，并通过与原设计方案的比较说明GFRP板对原结构受力性能的影响。

图6 不同GFRP-混凝土界面形式

图7 不同界面形式的GFRP-混凝土简支板试验

4.1 开裂刚度计算

参考文献[12]的换算截面法进行GFRP-混凝土组合板开裂截面弯曲刚度计算，计算模型如图8所示。由于GFRP肋板设置了槽口，在弯曲计算中偏于安全地忽略肋板的贡献。取横桥向单位板宽GFRP-混凝土板进行计算，如图9所示。

图8 开裂截面换算截面计算图式

图9 横桥向单位板宽图(单位：mm)

首先依据换算截面受拉区和受压区对中和轴的净距相等求解受压区高度x。

(1)

式中：b为桥面板的宽度；tf1为GFRP底板的厚度；As为上层钢筋面积；q为混凝土顶面到受压钢筋中心线的距离；x为混凝土受压区的高度；As2为下层钢筋面积；h0为混凝土顶面到GFRP底板中心线的距离；h01为混凝土顶面到受拉钢筋中心线的距离；αES为钢筋弹性模量与混凝土弹性模量的比值;αEG为GFRP在桥纵向的弹性模量与混凝土弹性模量的比值。

由方程(1)得到x，将其代入式(2)可得组合板开裂截面换算截面惯性矩：

(2)

受拉钢筋应力σs2可通过式(3)计算：

(3)

当tf1=0时，由方程(1)求解得原设计桥面板的受压区高度x′。之后通过式(4)得原设计桥面板开裂截面换算截面惯性矩I′cr，通过式(5)得受拉钢筋应力σ′s2。

(4)

(5)

表1为加入GFRP板后钢筋应力及开裂截面换算截面惯性矩的变化。表1中I′cr的计算值为5.68×108mm4，Icr的计算值为8.44×108mm4，加入GFRP板后，组合板的惯性矩提高了约49%。将计算惯性矩代入式(3)、(5)中并进行比较，得到加入GFRP板后组合板的钢筋应力降低了约30%。由于GFRP板的贡献，钢筋应力降低了，疲劳荷载下桥面板的受力性能得到了改善。此外，考虑到GFRP板对混凝土的保护以及对裂缝宽度的限制，组合板的耐久性将会进一步提升。整体来说，在原钢筋混凝土板基础上加入GFRP板，将改善桥面板在疲劳、锈蚀下的受力。

4.2 抗弯承载力计算

参考文献[13]的截面分析法进行抗弯承载力计算，计算图式如图10所示。其中：εas1为上层钢筋应变；εas2为下层钢筋应变；εcu为混凝土极限压应变，这里取0.003 3；εf1为GFRP板中心线应变；Nc为受压区混凝土合力；Nas为上层钢筋合力；Tf为GFRP板合力；Tas为下层钢筋合力。

表1 钢筋应力及开裂截面惯性矩对比

图10 抗弯承载力计算图式

当计算原钢筋混凝土板抗弯承载力时，令Tf=0进行求解。基于平截面假定推导截面应变的相互关系，之后通过内力平衡方程计算出极限抗弯承载力。

基于截面分析法的钢筋混凝土板抗弯承载力为199 kN·m，GFRP-混凝土组合板抗弯承载力为560 kN·m，抗弯承载力提高了181%。

5 结语

GFRP-混凝土-钢组合梁桥利用GFRP板在横桥向受力的贡献，降低了活载作用下桥面板中的钢筋应力，增强了桥面板的抗疲劳性能，并且通过GFRP优良的耐久性能提高了混凝土桥面板的抗环境侵蚀能力。GFRP-混凝土组合桥面板改善了原桥面板的受力，提高了桥面板的长期性能，并进一步提高组合梁桥的使用寿命。此外，由于GFRP板在抗弯承载力中的贡献，原钢筋混凝土桥面板承载力得以提高。

GFRP-混凝土-钢组合梁桥作为一种新型组合梁桥，为中小跨径桥梁设计提供了一种新的选择。随着对该种组合梁桥设计理论及工程实践的积累，越来越多的GFRP-混凝土-钢组合梁桥将在工程中得到应用。