GFRP材料在熱力管道橋上的應(yīng)用

魯玉忠 黃毅 孟江

黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司 鄭州450003

引言

近幾年，我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，城市配套管線過河問題引起各方關(guān)注。一般市政管線依橋敷設(shè)或單獨(dú)架設(shè)管道橋。對(duì)于較大直徑熱力管道依橋敷設(shè)或采用獨(dú)立的鋼桁架敷設(shè)，不但增加橋梁本身結(jié)構(gòu)自重、增加投資，而且熱力管道在橋上敷設(shè)還存在一定安全隱患，同時(shí)也影響城市景觀。

FRP［1］是一種以高分子環(huán)氧樹脂為基材，經(jīng)一定工藝復(fù)合而成的復(fù)合材料。FRP材料在建筑領(lǐng)域國(guó)外早于國(guó)內(nèi)，主要用于錨桿、混凝土結(jié)構(gòu)受力筋，鮮有在橋梁拉索上的應(yīng)用。

FRP質(zhì)量密度僅為鋼材的1/4，F(xiàn)RP桁架自重更輕，運(yùn)輸和架設(shè)難度更??；FRP型材具有高于鋼材的抗腐蝕性能，能夠保證長(zhǎng)期使用的可靠性和提高結(jié)構(gòu)的安全性，降低維護(hù)運(yùn)營(yíng)成本；FRP型材可以根據(jù)需要生產(chǎn)出不同顏色，保證耐久性同時(shí)增強(qiáng)了橋梁的景觀效果。

1 工程概況

D529蒸汽管道是漯河市工業(yè)重要熱源主干管，壓力1.6MPa、溫度250℃。根據(jù)規(guī)劃管道過河與解放路沙河橋橋位共用線位。從安全、防洪、航運(yùn)、工期、投資、景觀等多方面論證，確定熱力管道橋與沙河橋分幅設(shè)計(jì)、共用橋墩的方案。橋梁跨徑組成為45m+45m+50m+50m+35m+35m，熱力管道桁架橫斷面如圖1所示。

2 桁架材料選用

管道橋與沙河橋共用橋墩，需要嚴(yán)格控制橋梁的自重。如采用鋼材作為桁架，投資高、施工難度大、工期長(zhǎng)及后期養(yǎng)護(hù)成本高。FRP材料其密度遠(yuǎn)低于鋼材，且輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕，這些特點(diǎn)使得該種材料非常適合本項(xiàng)目管道橋結(jié)構(gòu)。隨著FRP材料加工工藝和加工技術(shù)的發(fā)展，各種類型的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料也開始在土木工程中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。在工程領(lǐng)域，常見的纖維種類主要包括碳纖維（CFRP）、玻璃纖維（GFRP）、紡綸纖維（AFRP）以及其他各種纖維等。各材料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖2所示。各材料力學(xué)性能見表1。

圖1 熱力管道桁架橫斷面Fig.1 Cross section of heat pipeline truss

圖2 FRP材料與鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curve of FRP material and steel

表1 桁架主要材料力學(xué)性能Tab.1 Mechanical properties of main materials of trusses

通過材料多方面綜合性能指標(biāo)的比選，GRFP材料具有較多的優(yōu)勢(shì)，是熱力管道橋結(jié)構(gòu)的合適選材。

同時(shí)對(duì)相同橋梁跨徑組合下，鋼桁架橋與GFRP桁架橋橋型方案進(jìn)行比選，見表2。GFRP桁架橋除自重輕外，梁寬、梁高、養(yǎng)護(hù)、投資、工期等均具有優(yōu)勢(shì)。

表2 橋型方案比選Tab.2 Comparison and selection of bridge schemes

3 設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

3.1 設(shè)計(jì)安全等級(jí)

一級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.1。

3.2 設(shè)計(jì)荷載

GFRP自重按19kN/m3計(jì)算，鋼材自重按78.5kN/m3計(jì)算。溫度荷載按整體升溫36℃，整體降溫24℃，不考慮溫度梯度影響。管道橫向風(fēng)力為3.04kN/m，桁架橫向風(fēng)力為（0.87+0.44）kN/m。

蒸汽管道試壓狀態(tài)按照400kg/m（試水管道350kg/m+施工荷載50kg/m）荷載計(jì)算，正常運(yùn)營(yíng)狀態(tài)按照195kg/m（運(yùn)營(yíng)管道145kg/m+維護(hù)荷載50kg/m）荷載計(jì)算［2］。支座不均勻沉降按橋墩沉降5mm考慮。

4 主要材料指標(biāo)

管道橋的上下弦桿、腹桿、管道支座采用GFRP型材。根據(jù)武漢理工大學(xué)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室對(duì)GFRP拉擠型材成品力學(xué)性能指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)結(jié)果，并考慮2.0的安全系數(shù)，GFRP主要力學(xué)指標(biāo)見表3。

表3 GFRP主要力學(xué)指標(biāo)Tab.3 Main mechanical indexes of GFRP

5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算

5.1 幾何模型

蒸汽管道橋采用梁高1.95m的GFRP桁架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)分析采用空間桿系通用有限元軟件MIDAS7.80進(jìn)行計(jì)算［3］，全橋共離散為2819個(gè)空間桿系單元，1431個(gè)節(jié)點(diǎn)。計(jì)算模型見圖3。在橋臺(tái)處設(shè)置5個(gè)固定支座，將管道固定在墩、臺(tái)帽；管道底與桁架間每約3m設(shè)置活動(dòng)支座及定向支座，全橋設(shè)置活動(dòng)支座68個(gè)、定向支座8個(gè)。

圖3 蒸汽管道橋有限元計(jì)算模型Fig.3 Finite element calculation model of steam pipeline bridge

5.2 計(jì)算結(jié)果

（1）桿件內(nèi)力

桿件軸力見表4。

表4 桿件軸力（單位：kN）Tab.4 Axial force of rods（unit：kN）

（2）桿件應(yīng)力

桿件應(yīng)力見表5。

（3）整體穩(wěn)定

試壓工況下各模態(tài)臨界系數(shù)統(tǒng)計(jì)見表6。

6 成橋試驗(yàn)與檢測(cè)

選取的試驗(yàn)區(qū)域?yàn)楣艿罉虻谒目纾?號(hào)墩至6號(hào)墩軸線之間），選擇的檢測(cè)橋梁段跨長(zhǎng)為50m。測(cè)點(diǎn)布置見圖4。檢測(cè)單位對(duì)管道安裝過程中及成橋后的桁架撓度進(jìn)行了測(cè)量，撓度實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值對(duì)比見表7。

表5 桿件應(yīng)力（單位：MPa）Tab.5 Rod stress（unit：MPa）

表6 模態(tài)臨界系數(shù)Tab.6 Modal critical coefficients

圖4 檢測(cè)點(diǎn)布置示意（單位：mm）Fig.4 Schematic diagram of detection point layout（unit：mm）

表7 豎向撓度Tab.7 Vertical deflection

7 結(jié)語(yǔ)

GFRP材料在桁架橋上的應(yīng)用為市政管線跨越河流提供了很好的解決方案。本工程2016年12月建成運(yùn)營(yíng)，為同類型工程設(shè)計(jì)積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。