纖維增強復(fù)合材料用于鐵路橋限高防護架可行性研究

尹京

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081）

2018 年底中國鐵路營業(yè)總里程達到13.2 萬km，橋涵占比不斷提高。當(dāng)公路下穿鐵路橋梁時，為了防止超過橋下凈空高度的機動車輛撞擊鐵路橋梁，保護鐵路運營安全，一般在鐵路橋梁兩側(cè)設(shè)置限高防護架。根據(jù)國務(wù)院頒布的國務(wù)院令第639 號《鐵路安全管理條例》，中國鐵路總公司制定了《“鐵跨公”立交橋涵限高防護架管理辦法》，規(guī)定凈高不大于5 m（可適當(dāng)預(yù)留公路抬高量）的“鐵跨公”立交橋涵應(yīng)設(shè)置限高防護架及限高、限寬、限速等標(biāo)志。截止2019年，我國已建、在建鐵路橋梁限高防護架共近10 萬個。根據(jù)“條例”和“管理辦法”要求，鐵路相關(guān)部門須對部分既有橋梁增設(shè)限高防護架。

由于多方面原因，全國各地的限高防護架遭受超高車輛撞擊的事故時有發(fā)生［1-3］。由于限高防護架為剛性設(shè)計，主要起到阻攔撞擊車輛、保護鐵路橋涵結(jié)構(gòu)安全的作用，碰撞過程中會對撞擊車輛造成較為嚴(yán)重的破壞，威脅機動車上人員安全。本文從結(jié)構(gòu)材料和吸能角度，探討纖維增強復(fù)合材料在限高防護架中應(yīng)用的可行性，為結(jié)構(gòu)設(shè)計和選型提供更多選擇。

1 鐵路限高防護架概況

我國鐵路頒布的專橋設(shè)（05）8184《鐵路橋限高防護架設(shè)計圖》通用圖中，限高防護架主要分為門式、三角支架式和桁架式3種形式。

1）門式限高防護架（圖1）適用范圍：路寬3.0 m以下，設(shè)計車輛質(zhì)量15 t，撞擊速度40 km/h。

圖1 門式限高防護架

2）三角支架式限高防護架（圖2）適用范圍：①路寬8.5 m 以下，設(shè)計車輛質(zhì)量20 t，撞擊速度60 km/h；②框架橋下路面寬度10.0 m以下。

圖2 三角支架式限高防護架

圖3 桁架式限高防護架

3）桁架式限高防護架（圖3）適用范圍：①路寬8.5 m 以下，設(shè)計車輛質(zhì)量20 t，撞擊速度60 km/h；②路寬20.75 m 以下，設(shè)計車輛質(zhì)量15 t 或30 t，撞擊速度80 km/h；③框架橋下路面寬度15.0 m以下。

限高防護架基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，部分立柱和斜撐采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，橫梁為鋼結(jié)構(gòu)，與立柱鋼管焊接和栓接而成。限高防護架除承受自重和風(fēng)荷載外，必須具有足夠的強度、剛度和穩(wěn)定性，以承受機動車輛的撞擊作用。在施工和使用過程中，限高防護架主要存在3方面的問題：

1）加工質(zhì)量不易控制。防護架采用鋼管焊接而成，鋼管之間相貫連接的焊接難度較大。若焊接質(zhì)量不好，在撞擊力不大的情況下連接處就有可能失效。

2）防護架自重較大，碰撞時如果傾倒或掉落，將會威脅機動車輛上的人員安全。

3）防護架鋼結(jié)構(gòu)容易腐蝕，需定期養(yǎng)護維修。

2 復(fù)合材料的選型

復(fù)合材料的物理和力學(xué)性能與增強材料和基體材料的類型以及成型工藝密切相關(guān)，因此材料選型是保證復(fù)合材料性能滿足要求的關(guān)鍵。

2.1 基體材料

基體材料包括金屬基、陶瓷基、聚合物基等。其中使用最多的是聚合物基體材料。聚合物基體材料包括不飽和聚酯樹脂、乙烯基樹脂、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、聚氨酯等。

乙烯基樹脂（Vinyl Ester Resins，VER）是60 年代發(fā)展起來的新型樹脂，是國際公認(rèn)的高度耐蝕樹脂。乙烯基酯樹脂是一種環(huán)氧樹脂和含烯鍵的不飽和一元酸的加成產(chǎn)物。它獨特的分子結(jié)構(gòu)使其具有優(yōu)異的耐腐蝕性。 對于乙烯基酯（Sheet Molding Compound，SMC）樹脂來說，在乙烯基酯樹脂的分子中引入羧基是常用的方法，它適用于堿金屬氧化物增稠。這種樹脂與不飽和聚酯樹脂相比，對玻璃纖維的浸潤性好，流動性更高。因此，乙烯基樹脂具有良好的耐熱性能、耐腐蝕性能和韌性，綜合了環(huán)氧樹脂優(yōu)良的機械性能，又具有類似不飽和聚酯樹脂的良好工藝特性和固化特性。

聚氨酯具有韌性好、固化快、無苯乙烯煙霧等優(yōu)點，在復(fù)合材料領(lǐng)域脫穎而出。聚氨酯拉擠制品一般具有低黏度、中度至高度反應(yīng)性、良好的沖擊強度和韌性、短梁剪切性能。與其他材料相比，用聚氨酯拉擠工藝可以提高制品中玻璃纖維的含量而使制品強度大大提高。隨著聚氨酯成型技術(shù)和延長其適用期方法的進步，聚氨酯已進入長期由不飽和聚酯樹脂和乙烯基樹脂主宰的復(fù)合材料領(lǐng)域。

2.2 增強材料

作為增強材料的纖維種類有很多，如碳纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維、芳綸纖維等。其中，使用量最大、性價比最優(yōu)的是玻璃纖維。

玻璃纖維和聚氨酯基體材料采用拉擠成型工藝組成纖維增強復(fù)合材料，具有如下特點［4-6］：①質(zhì)量輕，密度為2.1×103kg/m3；②比強度（縱向拉伸強度與其密度之比）高，比模量（縱向拉伸彈性模量與其密度之比）大，測試?yán)鞆椥阅Ａ繛?9.5 GPa；③材料性能具有可設(shè)計性和成型好等優(yōu)點，尤其適合管狀或槽形結(jié)構(gòu)；④抗腐蝕性和耐久性能好；⑤線膨脹系數(shù)與混凝土相近，相容性好。

2.3 復(fù)合材料的優(yōu)點

采用輕質(zhì)高強的纖維增強復(fù)合材料取代傳統(tǒng)的鋼管、鋼管混凝土等材料，主要有以下優(yōu)點：

1）在超限車輛撞擊結(jié)構(gòu)時，可以充分發(fā)揮纖維增強復(fù)合材料的高強度特點，保證橋梁結(jié)構(gòu)安全，避免結(jié)構(gòu)的控制截面過早發(fā)生屈服破壞。

2）復(fù)合材料質(zhì)量遠輕于傳統(tǒng)的鋼管或鋼管混凝土，可以減輕結(jié)構(gòu)自重，從而減小防護架破壞時對機動車輛上人員的威脅。

3）纖維增強復(fù)合材料彈性模量小于鋼材，在結(jié)構(gòu)破壞前具有更大的變形，便于吸收更多的沖擊能量。此外，可在橫梁易碰撞區(qū)域包裹發(fā)泡吸能材料，更有效地實現(xiàn)碰撞時的局部吸能。

4）根據(jù)國外多年實際工程經(jīng)驗，復(fù)合材料在一般氣候條件下具有足夠的耐久性，沒有鋼材的銹蝕等問題，可以減少運維部門的涂裝維修工作量。

因此，將纖維增強復(fù)合材料作為鐵路橋限高防護架的材料具有合理性和可行性。

3 方案設(shè)計

專橋設(shè)（05）8184中給出了10種不同寬度、高度和結(jié)構(gòu)形式的防護架，各分類方案碰撞設(shè)計荷載和外形尺寸不同，其荷載作用方式相似。本文參考上述分類，采用玻璃纖維增強的聚氨酯拉擠復(fù)合材料（以下簡稱聚氨酯拉擠材料）進行橫梁設(shè)計［7-9］。計算時進行如下假定：①聚氨酯拉擠材料為正交異性材料，板厚方向與垂直纖維方向性能相同；②復(fù)合材料橫梁與鋼立柱連接暫時按固接考慮；③碰撞荷載作用于橫梁跨中區(qū)域，有效作用寬度按2 m計。

防護架模型加載如圖4所示。

圖4 防護架模型加載示意（單柱雙梁）（單位：kN）

計算荷載分為恒載和特殊荷載：①恒載，聚氨酯、拉擠材料質(zhì)量密度取2.1×103kg/m3。②特殊荷載，主要為汽車水平碰撞力（式（1）），按照J(rèn)TG D81—2017《公路交通安全設(shè)施設(shè)計規(guī)范》條文說明第3.5.5條規(guī)定，汽車碰撞力F由車速v（m/s）、碰撞角度θ、汽車質(zhì)量m（kg）、護欄變形值D（m）、車輛重心距前保險杠距離C（m）、車輛寬度b等因素決定。

以5 m 高、路寬5 m 防護架為例，其設(shè)計車輛質(zhì)量為15 t，車速40 km/h，碰撞角度90°，護欄變形值取金屬橫梁下限值0.1 m，C為5.2 m，b為2 m，代入式（1）計算得到碰撞力F=280 kN。聚氨酯拉擠材料主要性能參數(shù)如表1 所示。表中字母下標(biāo)1 為纖維方向，即橫梁軸向，下標(biāo)2、下標(biāo)3 與下標(biāo)1 互為正交。計算得到防護架橫梁應(yīng)力，如圖5所示。

表1 聚氨酯拉擠材料性能參數(shù)

圖5 防護架橫梁應(yīng)力云圖（單位：MPa）

采用上述相同的計算方法，依次對通用圖中10種限高架方案進行復(fù)合材料的初步設(shè)計，采用與原鋼管方案近似等強度設(shè)計原則，計算得到限高架結(jié)構(gòu)方案和截面尺寸見表2，限高架力學(xué)計算結(jié)果見表3。

由表2 可知：由于采用與原鋼管防護架等強度設(shè)計，2.5 m 高、路寬 3 m 的限高架截面形式為Ф200×18單柱單梁結(jié)構(gòu)，能夠滿足防護功能，優(yōu)于通用圖中原鋼管方案；其他路寬的限高架需采用2 根或4 根橫梁組成空間桁架形式，也可以滿足整體防護功能，優(yōu)于通用圖中相應(yīng)方案。

表2 限高架結(jié)構(gòu)方案和截面尺寸

表3 限高架力學(xué)計算結(jié)果

該復(fù)合材料在實驗室檢測得到材料平均最大拉伸強度為864 MPa，遠高于鋼材屈服強度。由表3 可知，各種類限高架橫梁應(yīng)力均小于材料拉伸強度，抗沖擊能力強，說明橫梁采用復(fù)合材料的方案優(yōu)于原方案。以最大的橫梁截面Ф250×18 為例，復(fù)合材料單梁結(jié)構(gòu)單位長度的自重約為173 N/m，遠小于鋼管或鋼管混凝土橫梁自重，發(fā)生掉落等情況時對車輛駕駛室中人員產(chǎn)生的威脅明顯降低，具有可行性。

為更有效地提高結(jié)構(gòu)吸能性能，可在橫梁中段區(qū)域的四周圍裹吸能緩沖材料，如發(fā)泡聚氨酯等，既可保護橫梁免受尖銳物體沖擊局部，也可吸收部分沖擊能量，提高限高架的防撞功能。

4 結(jié)論

本文提出了采用玻璃纖維與聚氨酯拉擠成型工藝加工鐵路橋限高防護架的方案，結(jié)構(gòu)破壞荷載可以滿足設(shè)計要求，結(jié)構(gòu)自重較原鋼管或鋼管混凝土方案輕，掉落時對車輛駕駛室中人員的威脅降低，可充分發(fā)揮纖維增強復(fù)合材料的高抗拉性能和輕質(zhì)化的特點，具有可行性。