[分享]纤维增强复合材料拉挤型材桁架桥静动力性能

 1 概  述

纤维增强复合材料 (FRP) 是一种新型建筑结构材料, 具有自重轻、强度高、耐腐蚀性好等特点, 将其应用于桥梁工程领域可方便施工和运输, 实现快速架设, 并减少后期维护成本。1982年北京密云建成了世界上首座FRP公路桥, 但当时采用的是手糊工艺, 生产效率较低, 性能较不稳定。随着FRP生产工艺的不断发展, 性能稳定、生产效率高的FRP拉挤型材在土木工程结构中得到越来越多应用。FRP拉挤型材轴向受力性能优越, 用于桁架结构能够获得较高的利用效率和结构性能。

国际上, 瑞士、日本、俄罗斯、美国等国家均有FRP桁架桥的研究和应用, 但对于实桥结构的性能的测试和研究并不多。Keller等人对瑞士的Pontresina桁架桥进行了动力性能及长期性能的研究, 该桥分为两跨, 分别采用螺栓连接和胶栓混接节点;研究表明胶栓混接桥跨的自振频率高于螺栓连接桥跨, 而采用螺栓连接桥跨的阻尼比较大;在1997年和2005年两次对该桥进行了实桥测试, 对比表明此桥主体结构性能良好。Sasaki等人对日本静冈县的一座FRP桁架公路桥 (跨度8.0 m) 进行了9年的跟踪研究, 结构响应稳定, 说明此FRP桥梁的长期性能良好。Hejlla等人对桁架桥用的大尺寸FRP组合梁进行了研究, 提出采用粘贴碳纤维布的方式来提高刚度, 此成果应用于英国牛津郡West Hill桥中。

在国内, FRP桥梁工程的应用近年正从加固补强逐渐转向新建桥梁中的FRP结构构件, 并已开展了FRP桥板、FRP-混凝土组合梁、栏杆、索、大跨结构和桥梁动力特性及舒适度等方面的研究, 部分成果已应用于工程实践, 如:2006年建成的第一座采用碳纤维索的斜拉桥, 2010年在石家庄建成的FRP-混凝土组合梁桥等, 但仍未有主体全部采用FRP型材的桁架桥。

通过FRP拉挤型材桁架桥全桥结构加载实测和有限元分析, 对全FRP桁架桥结构的静力和动力性能进行研究。

2 FRP拉挤型材桁架桥工程

2.1 工程简介

FRP拉挤型材桁架桥工程建于重庆市彭水县太原乡, 按人行桥设计标准进行设计, 由北京茅以升科技教育基金会发起建设, 为国内首座“茅以升公益桥”。该桥采用中承式桁架桥梁体系, 跨径20 m, 桥面宽度2.0 m, 桁架全高3.3 m, 净空2.8 m;人群设计荷载5 k N/m2。该桥地处偏僻山区, 故将桁架分为3段在工厂预制, 运至现场进行拼装架设。整桥结构如图1所示。

图1 FRP桁架桥结构形式 mm 

Fig.1 Structural system of FRP truss bridge

2.2 FRP拉挤型材性能

FRP拉挤型材采用环氧树脂和无碱玻璃纤维制成, 纤维体积含量约为60%。对型材成品进行原位取样后, 依据GB/T 1447—2005《纤维增强塑料拉伸性能试验方法》和GB/T 1448—2005《纤维增强塑料压缩性能试验方法》进行材性试验, 得到其压缩强度平均值为350.5 MPa (纵向) 和130.3 MPa (横向) , 拉伸强度平均值为650.3 MPa (纵向) 和32.2 MPa (横向) , 拉伸弹性模量为41.2 MPa (纵向) 和8.6 MPa (横向) 。

2.3 结构体系

桁架的主要构件有弦杆、竖杆、斜腹杆和横向连杆以及桥面板。弦杆使用双槽型型材背向组合截面, 将方形截面竖杆夹在中间进行连接, 斜腹杆采用交叉形式, 斜腹杆的截面宽度为竖杆的一半, 两榀桁架间采用槽型型材连接下弦杆, 并支撑桥面板, 上弦杆采用角型材拉结。桥面板使用十孔肋板。全桥共使用了7种不同截面的结构型材, 如图2所示。桥梁在拼装中设置50 mm预拱。

a—弦杆;b—下部横杆;c—竖杆;d—斜腹杆;e—上部横杆;f—桥面板;g—栏杆。

图2 桁架桥各构件截面mm

Fig.2 Sectional shape of members in truss bridge

2.4 连接节点

桁架中有3处典型连接节点, 如图3所示。

1) 上下弦杆与竖杆、斜腹杆的连接节点。弦杆采用背向槽型材的组合, 将竖杆和斜腹杆夹住, 用贯通螺栓进行连接。为增加连接效率, 在弦杆与竖杆、斜腹杆的之间设置缀板, 其形状覆盖节点区并沿斜腹杆延伸, 在延伸出弦杆的区域增加2根贯通螺栓进行连接, 这样斜腹杆与节点的连接由6根螺栓增加至8根。缀板为FRP层压板, 厚度为10 mm。节点连接如图3a所示。

a—弦杆与竖杆、斜腹杆的连接节点;b—节段拼装节点;c—支座节点1—上弦杆;2—FRP缀板;3—斜杆;4—竖杆;5—连接螺栓;6—连接板;7—高强螺栓。

图3 典型连接节点

Fig.3 Typical Connections

2) 节段间连接。桁架结构分为3段, 预留连接钢板进行节段间的现场连接:设钢连接板与上、下弦杆的腹板连接, 并延伸出弦杆, 用钢板代替节段连接处的FRP缀板, 以保证连接钢板与节段之间连接的一体性, 并在节点外用16根螺栓将钢板与弦杆进行连接。钢板与节段稳定连接后, 就可以使用高强螺栓进行节段间的连接。构造如图3b所示。

3) 支座。FRP桁架支座处的竖杆伸至下弦杆以下, 插入钢板制成的套筒中, 使用不锈钢螺栓群将套筒与竖杆连接, 钢套筒支座底部设钢垫板搁置在橡胶垫块上, 通过预埋在混凝土桥台上螺杆将钢套筒支座底板进行固定, 螺孔设为长圆孔, 可沿桥跨度方向释放整桥的温度应力。支座处连接节点如图3 c所示。

3 实桥静力性能测试及结果

工厂预拼装完成后和现场使用174 d后, 对桥梁结构分别进行了2次加载实测。

3.1 预拼后测试

结构预拼后在工厂内采用均布水箱压重加载, 未固定桥板, 也未安装栏杆。在桥面上沿跨度方向连续布置20个水箱, 通过向水箱内注水提供均布荷载。测试荷载最大值加至设计人群荷载, 即5kN/m2, 全桥总荷载共计200kN, 分5级加载完成, 每级40kN。加载完成后将水排出, 进行卸载。

选择全桥跨中及两侧模块中心的下弦杆作为变形的测点, 采用百分表量测, 达到指定荷载并稳定后进行读数。测得桥梁的变形曲线如图4所示。可以看到, 各级荷载下变形增量均匀, 说明结构保持线弹性。卸载后, 桥梁具有一定的残余变形, 达3.04mm, 这是因为预拼装时没有将节段间连接节点的高强螺栓完全紧固, 造成构件间滑动摩擦引起的。

图4 预拼后测试中各级荷载下桥梁的变形曲线

Fig.4 Deformation curves under different levels in test after pre-installed

3.2 现场测试

现场测试在使用后174d进行, 采用实际人群加载。由于桥上空间限制, 实际加载中人群站满有151人, 最大总荷载为90.7kN, 为设计人群荷载的45%。人群荷载分3级进行施加, 人群分批上桥, 均匀站立, 稳定后读取测试结果, 表1为现场静力测试的加载情况统计。测得各级荷载下桥梁的变形曲线如图5所示。

表1 现场测试加载情况统计

Table 1 Loading process of field test 

图5 现场测试中各级荷载下桥梁的变形曲线

Fig.5 Deformation curves under different load levels in the field test

3.3 结果对比分析

2次测试的荷载-位移曲线对比如图6所示, 2次加载桥梁的荷载-变形关系均表现为线性。但可以发现, 预拼后桥梁的刚度偏小, 仅为现场测试的50%, 原因是:预拼装后还需拆解运输, 因此没有对节段间的高强螺栓进行紧固, 连接节点处发生了较大的变形;工厂内测试时并没有对桥板进行紧固, 栏杆等附属设施也没有安装。

图6 两次测试的荷载-位移曲线对比

Fig.6 Comparison of load-deformation curve for two tests

在设计人群荷载作用下, 桥梁最大变形9.31mm (1/2150计算跨径) , 小于规范CJJ 69—1995《城市人行天桥与人行地道技术规范》规定的1/800计算跨径的挠度限制, 符合设计要求。

虽然人群荷载设计值中取为5kN/m2, 但从实测情况看, 本桥站立151人已接近极限, 密度3.8人/m2, 荷载也仅达到设计人群荷载的45%。本桥上部结构总重约90kN, 设计承载力可达200kN, 荷重比达到了2.2, 充分体现出FRP材料轻质高强的特点。

4 实桥动力性能测试及结果

4.1 测试方案

在桥梁使用174d后, 现场对该桥进行了动力特性测试, 测试内容包括白噪声和冲击荷载作用后自由振动两种工况。采用便携式信号采集仪和电磁式振动加速度传感器 (垂直向和水平向) 进行测试, 将加速度传感器固定在桥梁主体结构振动反应最大位置, 即跨中位置有横向连杆支撑的桥板表面, 保证与结构同步振动。测量白噪声时保持桥梁空载工作状态, 监测时间为600s, 冲击荷载作用由单人在跨中跳跃激振产生。

4.2 测试结果及分析

桥梁跨中位置的白噪声加速度时程频谱分析如图7所示。单人跳跃激振作用下, 结构的自由振动衰减加速度时程如图8所示。从图7中可以得到结构的自振周期为10.8Hz。根据自由振动衰减规律可以计算结构的阻尼比为0.015。与混凝土结构及钢结构相比阻尼比较低, 主要原因是全桥连接采用胶栓混接的连接方式, 正常使用过程中节点和支座在发生转动时不会发生摩擦滑移耗散能量, FRP属于线弹性材料, 材料阻尼较小, 也不存在屈服耗能。

图7 跨中桥板位置处的白噪声频谱分析

Fig.7 Spectral analysis under white-noise case in the mid-span

图8 单人激振作用下自由振动加速度时程

Fig.8 Acceleration time history of free vibration under single-person exciting 

在现场随机进行行人舒适度体验调查, 调查内容包括:行人个体信息 (性别、年龄、身高、体重) 、每周通行次数、通过时是否感觉到振动、是否有不适感。共随机访问50名行人, 调查结果表明, 78%的行人没有感觉到桥梁有振动, 仅有10%的人认为有轻微的不适感。根据文献给出的公式计算本桥的有感系数Pf可为28.0%, 舒适度系数Pc为91.7%, 可以说明本桥的舒适度较高。

5 有限元分析

5.1 模型

使用结构设计有限元程序SAP 2000对结构进行分析计算。桁架中各杆件采用框架截面建模, 杆件之间的连接均采用刚性连接, 支座为一端简支一端滑动。计算模型如图9所示, 模型的几何尺寸与真实桥梁完全一样, 材料性能按照材性试验的结果输入。

图9 全桥计算模型

Fig.9 FEA model for truss bridge

5.2 静力荷载分析

静力荷载分析仅考虑人群荷载作用, 按5kN/m2设计荷载进行计算。计算所得的结构最大变形为6.25mm, 与工厂内测试结果基本相同 (去除残余变形的跨中挠度为6.27mm) 。计算结果与现场测试结果相对比, 刚度偏小, 45%设计荷载下计算跨中挠度为2.81mm, 而实测为2.17mm。可以看出, 有限元分析能够较好地反映桥梁结构行为, 但桥板、附属结构等对桥梁刚度有一定影响, 忽略其作用进行计算偏于保守, 因此可以利用有限元分析软件线弹性杆件对FRP桁架桥结构进行计算分析。

5.3 动力性能分析结果

通过SAP 2000软件对结构的自振周期、频谱特征等性能进行了计算。考虑到FRP桥梁结构自重轻, 荷重比大, 结构动力性能受活荷载影响显著:结构的一阶竖向自振频率为12.8Hz, 而考虑0.5倍活荷载附加在结构上时, 一阶竖向自振频率变为7.6Hz, 变化较显著。因此, 在对FRP桥梁进行设计计算以及确定桥梁舒适度指标时, 应考虑部分人群荷载的作用。

实际测试时, 桥梁为空桥工作状态, 测试结果为10.8Hz, 与无附加质量的计算结果较为接近, 误差约为17%, 主要原因是桥梁附属设施的重量会减小桥梁的自振频率。

5.4 其他荷载工况及组合的静力加载分析

在将有限元分析结果与试验结果相对比, 验证了有限元分析的可靠性后, 对桥梁在标准荷载组合和半跨不利荷载组合作用下的结构静力响应进行了计算, 计算的荷载工况及组合如表2所示。计算结果如图10和表3所示。

表2 计算荷载工况及荷载组合

Table 2 Load cases and load combinations

图10 各计算工况下桥梁整体变形mm 

Fig.10 Bridge deformation under each load case

表3 主桥各工况的上下弦杆最大应力

Table 3 Maximum stress of upper and bottom chords of main bridge under different load cases

通过计算可以发现, 在计算的4种荷载工况组合情况下, 最大的跨中变形约为11.7mm, 约为1/1700跨径, 小于规范中最大挠度不得大于1/800跨径的规定, 结构变形满足设计规范要求。

从图10可以看出, 在桥梁模块间连接节点所在区间没有设置斜腹杆, 局部具有较大的剪切变形, 说明斜腹杆是提高结构整体刚度的重要构件, 连接节点局部刚度较弱, 因此在后期通过对弦杆翼缘进行加强 (安装FRP连接板) , 以提高连接节点位置弦杆的抗剪刚度, 减少结构变形, 现场测试结果表明结构刚度有提高。

从表3可以看出, 各种工况下杆件的最大拉应力为10.42MPa, 最大压应力为10.73MPa。由材性试验获得的考虑变异系数的材料拉伸强度标准值为640MPa, 压缩强度标准值为119MPa。按照规范[23], FRP取1.25的材料分项系数, 一般室外环境下取1.4的环境影响系数, 则本桥使用的拉挤型材的强度设计值分别为抗拉365MPa和抗压68MPa。拉挤型材的力学性能设计值大于计算所得的结构构件最大应力, 所以该桥的材料强度满足结构安全要求, 具有约6倍的安全系数。

6 结语

本文以茅以升公益桥为工程背景, 进行了桥梁的静力和动力特性试验, 并将试验结果与有限元分析结果相比较, 得到以下结论:

1) FRP拉挤型材桁架桥具有较高的刚度和承载能力, 在45%设计人群荷载作用下结构最大变形为2.09 mm, 在正常使用期间结构荷载-变形曲线呈线性。

2) FRP拉挤型材桁架桥的荷载效率较高, 荷重比可以达到2.2, 且结构的安全性储备较高。

3) 动力特性测试结果表明, FRP拉挤型材桁架桥的一阶竖向频率为10.8 Hz, 阻尼比为1.5%, 行人舒适度调查结果表明, 该桥舒适度系数达到91.7%, 舒适性好。

4) 有限元分析能够较好地反映FRP桥梁在真实情况下的结构响应, 自振周期计算误差17%, 可以采用线弹性杆件单元对FRP桁架桥结构进行分析。

来源：

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