周 丹

(遼寧省交通規(guī)劃設計院有限責任公司 沈陽市 110166)

1 工程背景及問題的提出

FRP材料是一種高性能復合材料，是以樹脂做基本材料，以非金屬纖維作增強材料。FRP材料具有輕質(zhì)高強、高耐腐蝕等特點。近些年來FRP型材與一些材料(鋼材、混凝土)等形成組合結(jié)構(gòu)，用在橋梁工程上以人行橋居多。FRP材料沒有在橋梁領(lǐng)域大面積應用，主要是因為FRP型材在公路橋梁領(lǐng)域應用缺乏相應的設計經(jīng)驗，更沒有可靠的設計標準。另一方面是因為FRP材料價格偏高，即使后期養(yǎng)護成本遠低于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)且安裝快捷方便，更多的工程師還是會因為其早期較高的價格有所顧慮[1]。FRP材料目前作為混凝土、鋼材等傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料的重要補充[2]。

為了推進新材料在遼寧省的應用和研究，依托中小跨徑公路橋梁進行FRP試驗橋工程設計，以期對FRP-混凝土組合梁的設計方法進行研究，得到可以推廣應用的適用于中小跨徑的FRP-混凝土組合梁的設計方法。

1.1 工程背景

試驗橋(姜屯橋)位于遼寧省新民市北西線。試驗橋上部結(jié)構(gòu)為FRP-混凝土組合簡支梁橋，跨徑為10.0m，橋?qū)挒?m。混凝土橋面板厚15cm，F(xiàn)RP工字梁高60cm。如圖1(a)所示。

6m寬FRP工字梁是由24片25cm寬度的單片工字梁組成，相鄰單片工字梁的上下緣交界咬合處通過環(huán)氧樹脂連接。橫向布置不銹鋼通絲螺栓。通絲螺栓穿過工字梁腹板，并與腹板螺栓連接。通絲螺栓縱橋向每1.5m間距范圍上下布置一道?；炷翗蛎姘迮cFRP工字梁采用預埋連接鋼筋(螺栓)連接。如圖1(b)、圖1(c)所示。下部結(jié)構(gòu)采用混凝土輕型橋臺及淺基礎基礎。

1.2 問題提出

(1)FRP型材材料性能

FRP材料作為一種各向異性材料，其材料性能與采用的基材種類、生產(chǎn)條件、生產(chǎn)工藝等多方面因素相關(guān)。所以獲得試驗橋FRP材料的性能指標是得到該實驗橋模型準確受力性能的基礎。

(2)連接性能研究

連接節(jié)點是 FRP橋梁結(jié)構(gòu)設計中的一個難點[1]，本設計連接節(jié)點設計為FRP型材之間的橫向連接。FRP型材之間的橫向連接采用混合連接方法，工字梁之間采用卡槽環(huán)氧樹脂連接和不銹鋼通絲螺栓機械連接的組合連接方式，由于單片工字梁之間環(huán)氧樹脂膠結(jié)的連接性能受環(huán)境影響較大，其連接性能不好預測，整體橫向連接性能將受到影響。

2 計算工況及計算模型

為了解決以上問題，從以下幾個方面開展FRP-混凝土組合梁的受力性能分析。

2.1 材料性能獲取

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)確定FRP材料參數(shù)性質(zhì)。對試驗橋預使用的FRP型材材料取樣，進行拉伸、壓縮、彎曲、縱橫剪切及泊松比測定試驗，得到材料平均的彈性模量和強度，為FRP-混凝土組合梁橋受力性能研究提供可靠的依據(jù)。

根據(jù)纖維增強材料試驗標準，取得試驗型材。試驗試件及模型梁如圖2所示。

圖2 FRP試驗及模型梁

得到試驗橋梁FRP型材材料的試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

從試驗數(shù)據(jù)得到的材料性能指標，均符合《纖維增強復合材料拉擠型材結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(征求意見稿)中M23級FRP力學性能要求。

2.2 計算工況及模型建立

為了解FRP-混凝土組合梁的受力性能，解決設計過程中的問題，建立以下三個工況進行分析。計算有限元模型采用MADIS進行建模計算?；炷翗蛎姘宀捎脤嶓w單元，F(xiàn)RP采用板單元，單元之間的連接情況根據(jù)工況不同采用不同方法。約束采用支點位置節(jié)點一般支撐模擬橡膠板支座。設計荷載的采用：根據(jù)設計實驗橋所在道路等級，設計荷載采用公路-Ⅱ級。

工況一：對整體FRP工字梁總體受力狀況進行分析。通過此工況了解未組合混凝土橋面板的FRP工字梁的各向應力狀態(tài)、撓度等受力性能?；炷翗蛎姘灏凑諏嶋H重量以荷載形式施加于FRP梁上。模型見圖3。

圖3 FRP工字型梁模型

工況二：對FRP-混凝土組合梁總體受力狀況進行分析。通過此工況可以得到FRP-混凝土組合梁各向應力狀態(tài)、撓度等受力性能。此工況為試驗橋總體設計提供依據(jù)。模型見圖4。

圖4 FRP-混凝土組合梁模型

工況三：對FRP-混凝土組合梁在FRP單片縱梁之間連接減弱情況下橫向通絲螺栓受力性能進行分析。此工況為橫向連接局部設計提供依據(jù)。單片縱梁之間的減弱用節(jié)點斷開模擬。連接減弱范圍取跨中縱橋向3.5m，橫橋向2.5m范圍。

3 計算模型結(jié)果分析

計算荷載組合采用《纖維增強復合材料拉擠型材結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(征求意見稿)中承載能力極限狀態(tài)基本組合方法進行荷載組合。

3.1 工況一模型結(jié)果

順橋向拉應力18.5MPa，壓應力41.6MPa。順橋向拉應力出現(xiàn)在底板跨中位置，壓應力出現(xiàn)在頂板跨中位置。橫橋向拉應力43.8MPa，壓應力56.7MPa 。由于FRP型材剛度較小，車輪荷載對FRP翼緣板的局部受力成為主要控制應力，最大壓應力出現(xiàn)在車輪跡線附近翼緣板懸臂位置。最大拉應力出現(xiàn)在輪跡線附近腹板上方。最大剪應力78.4MPa。最大剪應力出現(xiàn)在支點附件翼緣輪跡線位置。恒載作用下，跨中撓度為6mm。移動荷載作用下，跨中撓度為22mm。

3.2 工況二模型結(jié)果

順橋向拉應力17.3MPa，壓應力19.2MPa。均出現(xiàn)在跨中頂?shù)装逦恢锰?。橫橋向拉應力9.2MPa，壓應力10.3MPa，最大拉壓應力出現(xiàn)在輪跡線附近位置。最大剪應力8.4MPa。最大剪應力出現(xiàn)在支點附近FRP梁腹板上部位置。恒載作用下?lián)隙?.3mm；移動荷載作用下?lián)隙?.6mm。

從工況1和工況2的結(jié)果對比表(表2)可以看出，F(xiàn)RP-混凝土組合梁較FRP工字梁在正應力、剪應力及撓度方面結(jié)構(gòu)的受力狀況均有較大改善。

表2 第一、二工況基本組合應力結(jié)果對比表(MPa)

3.3 橫向通絲螺栓應力

橫向通絲螺栓在FRP單片工字梁翼緣連接完好及橋面板處于彈性工作狀態(tài)的情況下，通絲螺栓可以看作是以FRP梁腹板為支點的連續(xù)梁結(jié)構(gòu)。如果FRP各個單片梁之間連接部分失效，橫向通絲螺栓的應力狀態(tài)必然會受到影響，為了確保通絲螺栓的受力處于可控狀態(tài)?，F(xiàn)對FRP單片梁翼緣之間不同連接狀況下的通絲螺栓的受力狀態(tài)進行分析驗算，共分為四種連接狀態(tài)，四種連接狀況均認為混凝土橋面板處于彈性工作階段。

3.3.1連接狀態(tài)①： FRP頂板底板翼緣連接均有效

在橋面板及FRP梁橫向連接牢固的情況下，橫向通絲螺栓位于跨中的通絲螺栓應力最大，以下連接狀態(tài)均以跨中部位通絲螺栓作為分析對比對象。在頂?shù)装逡砭夁B接有效的情況下，此通絲螺栓應力情況如圖5。

圖5 連接狀態(tài)① 跨中通絲螺栓基本組合應力圖

連接狀態(tài)①基本組合作用下上層通絲螺栓最大拉應力為33.5MPa，最大壓應力為28.4MPa；下層通絲螺栓最大拉應力為22.7MPa，最大壓應力為30.5MPa。通絲螺栓下對應位置底板最大拉應力為2.6MPa。

3.3.2連接狀態(tài)②： FRP梁之間頂板翼緣連接失效，底板翼緣有效連接

連接狀態(tài)②基本組合作用下通絲螺栓的最大拉應力出現(xiàn)在縱橋向的跨中部分，上層通絲螺栓最大拉應力為56.8MPa，最大壓應力為43.5MPa；下層通絲螺栓最大拉應力為41.7MPa，最大壓應力為-45.9MPa。如圖6所示。通絲螺栓下對應位置底板最大拉應力為2.8MPa。

圖6 連接狀態(tài)② 跨中通絲螺栓基本組合應力圖

3.3.3連接狀況③： FRP頂板翼緣連接牢固，底板翼緣連接失效

連接狀態(tài)③基本組合作用下通絲螺栓的最大拉應力出現(xiàn)在縱橋向的跨中部分，上層通絲螺栓最大拉應力為56.1MPa，最大壓應力為40.6MPa；下層通絲螺栓最大拉應力為31.5MPa，最大壓應力為35.0MPa。如圖7所示。通絲螺栓下對應位置底板最大拉應力為0MPa，相鄰未斷開底板應力為4.7MPa拉應力。

圖7 連接狀態(tài)③ 跨中通絲螺栓基本組合應力圖

3.3.4連接狀況④：FRP頂?shù)装逡砭夁B接均失效

連接狀態(tài)④基本組合作用下通絲螺栓的最大拉應力出現(xiàn)在縱橋向的跨中部分，上層通絲螺栓最大拉應力為56.6MPa，最大壓應力為40.8MPa；下層通絲螺栓最大拉應力為31.8MPa，最大壓應力為35.4MPa。如圖8所示。通絲螺栓下對應位置底板最大拉應力為0MPa，相鄰未斷開底板應力為4.7MPa拉應力。

圖8 連接狀態(tài)④ 跨中通絲螺栓基本組合應力圖

從表3中可以看出，上緣通絲螺栓的最大拉(壓)應力頂?shù)装逡砭夁B接部分失效后，應力增大1.5～1.6倍。下緣通絲螺栓的最大拉(壓)應力頂?shù)装逡砭夁B接部分失效后，應力增大1.4～1.8倍。連接狀態(tài)③④中，底板局部斷開，下緣通絲螺栓拉壓應力比連接狀態(tài)②有所減小。查看三種狀況的底板應力狀態(tài)云圖，可以看出，由于底板部分斷開，大部分的橫向應力由斷開處底板以外的橫向其他底板承擔，斷開部分下緣通絲螺栓反倒因為底板應力的轉(zhuǎn)移，而應力有所減小。

表3 第一、二工況FRP工字梁基本組合通絲螺栓應力結(jié)果對比表(MPa)

4 結(jié)論與展望

(1)基于FRP這種新型材料特性及FRP-混凝土組合梁橋新型組合結(jié)構(gòu)的受力特點，以新民試驗橋作為依托對象，對FRP-混凝土組合梁橋設計過程的關(guān)鍵設計要點進行計算及結(jié)果對比分析。整個設計計算結(jié)果均在規(guī)范允許范圍內(nèi)，試驗橋?qū)嵤┛尚小?/p>

(2)通過對整體FRP工字梁模型計算與FRP-混凝土組合梁的對比分析，組合結(jié)構(gòu)應力狀況更好，剛度明顯增大，彌補了FRP材料剛度較小的材料特性。

(3)FRP-混凝土組合梁橫向連接主要靠FRP各個單片工字梁之間翼緣的咬合膠結(jié)連接和橫向通絲螺栓。通過對四種連接狀態(tài)的模擬，得到局部的FRP頂?shù)装逡砭壷g的連接失效后橫向通絲螺栓的應力狀態(tài)。連接局部失效后，通絲螺栓應力在允許應力范圍內(nèi)。

(4)FRP-混凝土組合梁的受力特性比較復雜，除了橫向通絲螺栓與FRP腹板的連接之外，混凝土板和FRP之間的連接也是一個難點，此部分的應力狀態(tài)復雜，后續(xù)除了進行有限元模型模擬分析之外，還將在實驗室進行足尺模型試驗，為理論計算和設計提供依據(jù)。