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FRP 拉擠型材桁架橋靜動力性能研究

 

1 引言
FRP(纖維增強復合材料)是一種新型建筑結構材料,具有自重輕、強度高、耐腐蝕性好的特點,將其應用于橋梁工程領域可方便施工和運輸,實現快速架設,并減少后期維護成本。1982 年北京密云建成了世界上首座 FRP 公路橋,當時采用的是手糊工藝,生產效率較低,較性能不穩定。隨著 FRP生產工藝的不斷發展,性能穩定、生產效率高的FRP拉擠型材在土木工程結構中得到越來越多應用。
FRP 拉擠型材軸向受力性能優越,適合用于桁架結構,能夠獲得較高的利用效率和結構性能。國際上,瑞士、日本、俄羅斯、美國等國家均有 FRP 桁架橋的研究與應用,但對于實橋結構的性能的測試和研究并不多。Keller 等人對瑞士的Pontresina 桁架橋進行了動力性能及長期性能的研究,該橋分為兩跨,分別采用螺栓連接和膠栓混接節點;研究表明膠栓混接橋跨的自振頻率高于螺栓連接橋跨,而采用螺栓連接橋跨的阻尼比較大;在1997 年和 2005 年的兩次對該橋進行了實橋測試,對比表明此橋主體結構性能良好。Sasaki等人對日本靜岡縣的一座 FRP 桁架公路橋(跨度 8.0m)進行了 9 年的跟蹤研究,結構響應基本穩定,說明此FRP 橋梁的長期性能良好。Hejlla等人對桁架橋用
的大尺寸 FRP 組合梁進行了研究,提出采用粘貼碳纖維布的方式來提高剛度,此成果應用于英國牛津郡 West Hill 橋中。
在國內,FRP 橋梁工程的應用近年正從加固補強逐漸轉向新建橋梁中的 FRP 結構構件,并已開了展 FRP 橋板、FRP-混凝土組合梁、欄桿、索、大跨結構和橋梁動力特性及舒適度等方面的研究,部分成果已應用于工程實踐,如:2006 年建成的第一座采用碳纖維索的斜拉橋,2010 年在石家莊建成的 FRP-混凝土組合梁橋等,但仍未有主體全部采用 FRP 型材的桁架橋。本文通過 FRP 拉擠型材桁架橋全橋結構加載實測和有限元分析,研究了全 FRP 桁架橋結構的靜
力和動力性能。
2 FRP 拉擠型材桁架橋工程
2.1 工程簡介
FRP 拉擠型材桁架橋工程建于重慶市彭水縣太原鄉,按人行橋設計標準進行設計,由北京茅以升科技教育基金會發起建設,以“茅以升公益橋”命名,為國內首座“茅以升公益橋”。該橋采用中承式桁架橋梁體系,跨徑 20m,橋面寬度 2.0m,桁架全高 3.3m,凈空 2.8m;設計使用荷載 5kN/m2。該橋地處偏僻山區,故將桁架分為三段在工廠預制,運至現場進行拼裝架設。整橋結構如圖 1 所示。2.2 FRP 拉擠型材性能FRP 拉擠型材采用環氧樹脂和無堿玻璃纖維制成,纖維體積含量約為 60%。對型材成品進行原位取樣后,依據 GB/T 1447-2005《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》和 GB/T 1448-2005《纖維增強塑料壓縮性能試驗方法》標準進行了材性試驗,得到其壓縮強度平均值為 350.5MPa(縱向)和130.3MPa(橫向),拉伸強度平均值為 650.3MPa(縱向)和 32.2MPa(橫向),拉伸彈性模量為 41.2MPa(縱向)和 8.6MPa(橫向)。
2.3 結構體系
桁架的主要構件有上下弦桿、豎桿、斜腹桿和橫向連桿以及橋面板。上下弦桿使用雙槽型型材背向組合截面,將方形截面豎桿夾在中間進行連接,斜腹桿采用交叉形式,斜腹桿的截面寬度為豎桿的一半,兩榀桁架間采用槽型型材連接下弦桿,并支撐橋面板,上弦桿采用角型材拉結。橋面板使用十孔肋板。全橋共使用了 7 種不同截面的結構型材,如圖 2 所示。橋梁在拼裝中設置 50mm 預拱。


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