GFRP-混凝土-鋼組合梁橋的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張海龍，佟兆杰，黃僑

(1.深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 深圳 518029; 2.東南大學(xué) 交通學(xué)院)

1 引言

隨著交通運(yùn)輸行業(yè)的發(fā)展，2018年中國(guó)公路橋梁總數(shù)已達(dá)85.1萬(wàn)座。但是由于設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)、管理等方面的問(wèn)題，越來(lái)越多的橋梁無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)壽命。而為了解決這一問(wèn)題，新技術(shù)、新材料、新工藝不斷應(yīng)用于橋梁創(chuàng)新中。近年來(lái)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)由于其優(yōu)越的力學(xué)性能在橋梁工程中得到了一定應(yīng)用，如：預(yù)應(yīng)力碳纖維板、FRP橋面板、FRP斜拉索等。

鋼-混組合梁橋的橋面板在荷載及環(huán)境侵蝕的耦合作用下，成為了組合梁橋的易損構(gòu)件之一。為了提高橋面板的耐久性，將FRP材料加入到橋面板的設(shè)計(jì)中成為了改善原有混凝土橋面板耐久性的方向之一?；炷廖挥跇蛎姘屙敳?，F(xiàn)RP板位于橋面板底部，兩者組合形成FRP-混凝土組合板。FRP板可以參與橫橋向受力代替部分底層鋼筋，并且可以阻擋來(lái)自于橋面板底部的環(huán)境侵蝕。鋼梁與FRP-混凝土組合板通過(guò)抗剪連接件連接，兩者組合即：FRP-混凝土-鋼組合梁。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)FRP-混凝土-鋼組合梁橋計(jì)算理論開(kāi)展了一些研究，如：組合板、組合梁、FRP-混凝土界面的力學(xué)機(jī)理研究等，但是關(guān)于FRP-混凝土-鋼組合梁橋的工程應(yīng)用還較少。合肥市郎溪路工程高架橋E匝道第二聯(lián)為預(yù)應(yīng)力GFRP-混凝土-鋼組合連續(xù)梁橋，該文結(jié)合該工程項(xiàng)目，對(duì)該種橋型的設(shè)計(jì)、建造進(jìn)行介紹。

2 項(xiàng)目概況

合肥市郎溪路工程高架橋E匝道第二聯(lián)為GFRP-混凝土-鋼組合連續(xù)梁橋，其跨徑為(25+35+25) m，2018年竣工，如圖1所示。該橋的橋面板為GFRP-混凝土組合橋面板，該橋的組合梁為GFRP-混凝土-鋼組合梁。橋梁總長(zhǎng)85 m，橋?qū)?.5 m，橋梁的截面形式為GFRP+混凝土+鋼梁。橋梁總體布置圖如圖2所示。

圖1 GFRP-混凝土-鋼組合梁橋

圖2 橋梁總體布置圖(單位：cm)

3 GFRP-混凝土-鋼組合梁橋的設(shè)計(jì)

圖3為GFRP-混凝土-鋼箱梁斷面圖，位于混凝土底面的GFRP板與混凝土組合形成GFRP-混凝土組合橋面板，組合板與鋼梁通過(guò)栓釘進(jìn)行連接。GFRP板在栓釘處斷開(kāi)，由于GFRP板不連續(xù)通過(guò)鋼腹板，可以避免栓釘處GFRP板與栓釘相交的復(fù)雜處理。

圖3 GFRP-混凝土-鋼箱梁斷面圖(單位：mm)

在受力方面，在橫橋向正彎矩區(qū)，GFRP板位于橋面板底部承擔(dān)拉力，可以降低橫橋向鋼筋的配置。在耐久性方面，GFRP板阻擋了來(lái)自橋面板底部的氯離子、二氧化碳的侵蝕，有效降低了鋼筋銹蝕、混凝土碳化及荷載耦合作用的危害，提高了橋面板的長(zhǎng)期性能，并進(jìn)一步提高了組合梁橋的使用壽命。此外，GFRP-混凝土板與鋼梁通過(guò)伸入到橋面板中的栓釘連接，縱橋向受力主要由GFRP-混凝土-鋼組合梁承擔(dān)，橫橋向受力主要由GFRP-混凝土板承擔(dān)，整個(gè)結(jié)構(gòu)受力明確。

圖4為GFRP板橫斷面圖，GFRP板由底板、肋板、定位板組成。每個(gè)GFRP板單元的寬度為450 mm，其中GFRP板寬449 mm，膠層厚度1 mm。GFRP板與GFRP板通過(guò)涂抹在肋板上的環(huán)氧樹(shù)脂形成一體，為了提高板與板間的拼接精度，在肋板相交的位置設(shè)置定位板。此外，為了方便縱橋向鋼筋的架設(shè)，在GFRP肋板頂部開(kāi)槽，如圖5所示。

圖4 帶定位板的GFRP板橫斷面圖(單位：mm)

圖5 GFRP板實(shí)景圖

GFRP板與混凝土通過(guò)GFRP底板表面的界面連接在一起。GFRP板與混凝土的界面形式有無(wú)黏結(jié)界面、礫石界面、粗砂界面和濕膠界面，如圖6所示。不同界面形式的簡(jiǎn)支板靜力試驗(yàn)結(jié)果表明：濕膠界面和50%覆蓋率的礫石界面提供的組合作用最好。這里考慮到在膠體凝固前完成混凝土澆筑的濕膠界面不適合于實(shí)際工程環(huán)境，采用50%覆蓋率的礫石界面作為工程中的GFRP-混凝土界面形式。圖7為不同界面形式的GFRP-混凝土組合板靜力加載圖。

4 GFRP-混凝土板工程實(shí)例分析

采用單向板的理論公式對(duì)實(shí)橋中的GFRP-混凝土組合板進(jìn)行剛度、抗彎承載力、應(yīng)力計(jì)算，并通過(guò)與原設(shè)計(jì)方案的比較說(shuō)明GFRP板對(duì)原結(jié)構(gòu)受力性能的影響。

圖6 不同GFRP-混凝土界面形式

圖7 不同界面形式的GFRP-混凝土簡(jiǎn)支板試驗(yàn)

4.1 開(kāi)裂剛度計(jì)算

參考文獻(xiàn)[12]的換算截面法進(jìn)行GFRP-混凝土組合板開(kāi)裂截面彎曲剛度計(jì)算，計(jì)算模型如圖8所示。由于GFRP肋板設(shè)置了槽口，在彎曲計(jì)算中偏于安全地忽略肋板的貢獻(xiàn)。取橫橋向單位板寬GFRP-混凝土板進(jìn)行計(jì)算，如圖9所示。

圖8 開(kāi)裂截面換算截面計(jì)算圖式

圖9 橫橋向單位板寬圖(單位：mm)

首先依據(jù)換算截面受拉區(qū)和受壓區(qū)對(duì)中和軸的凈距相等求解受壓區(qū)高度x。

(1)

式中：b為橋面板的寬度；tf1為GFRP底板的厚度；As為上層鋼筋面積；q為混凝土頂面到受壓鋼筋中心線的距離；x為混凝土受壓區(qū)的高度；As2為下層鋼筋面積；h0為混凝土頂面到GFRP底板中心線的距離；h01為混凝土頂面到受拉鋼筋中心線的距離；αES為鋼筋彈性模量與混凝土彈性模量的比值;αEG為GFRP在橋縱向的彈性模量與混凝土彈性模量的比值。

由方程(1)得到x，將其代入式(2)可得組合板開(kāi)裂截面換算截面慣性矩：

(2)

受拉鋼筋應(yīng)力σs2可通過(guò)式(3)計(jì)算：

(3)

當(dāng)tf1=0時(shí)，由方程(1)求解得原設(shè)計(jì)橋面板的受壓區(qū)高度x′。之后通過(guò)式(4)得原設(shè)計(jì)橋面板開(kāi)裂截面換算截面慣性矩I′cr，通過(guò)式(5)得受拉鋼筋應(yīng)力σ′s2。

(4)

(5)

表1為加入GFRP板后鋼筋應(yīng)力及開(kāi)裂截面換算截面慣性矩的變化。表1中I′cr的計(jì)算值為5.68×108mm4，Icr的計(jì)算值為8.44×108mm4，加入GFRP板后，組合板的慣性矩提高了約49%。將計(jì)算慣性矩代入式(3)、(5)中并進(jìn)行比較，得到加入GFRP板后組合板的鋼筋應(yīng)力降低了約30%。由于GFRP板的貢獻(xiàn)，鋼筋應(yīng)力降低了，疲勞荷載下橋面板的受力性能得到了改善。此外，考慮到GFRP板對(duì)混凝土的保護(hù)以及對(duì)裂縫寬度的限制，組合板的耐久性將會(huì)進(jìn)一步提升。整體來(lái)說(shuō)，在原鋼筋混凝土板基礎(chǔ)上加入GFRP板，將改善橋面板在疲勞、銹蝕下的受力。

4.2 抗彎承載力計(jì)算

參考文獻(xiàn)[13]的截面分析法進(jìn)行抗彎承載力計(jì)算，計(jì)算圖式如圖10所示。其中：εas1為上層鋼筋應(yīng)變；εas2為下層鋼筋應(yīng)變；εcu為混凝土極限壓應(yīng)變，這里取0.003 3；εf1為GFRP板中心線應(yīng)變；Nc為受壓區(qū)混凝土合力；Nas為上層鋼筋合力；Tf為GFRP板合力；Tas為下層鋼筋合力。

表1 鋼筋應(yīng)力及開(kāi)裂截面慣性矩對(duì)比

圖10 抗彎承載力計(jì)算圖式

當(dāng)計(jì)算原鋼筋混凝土板抗彎承載力時(shí)，令Tf=0進(jìn)行求解。基于平截面假定推導(dǎo)截面應(yīng)變的相互關(guān)系，之后通過(guò)內(nèi)力平衡方程計(jì)算出極限抗彎承載力。

基于截面分析法的鋼筋混凝土板抗彎承載力為199 kN·m，GFRP-混凝土組合板抗彎承載力為560 kN·m，抗彎承載力提高了181%。

5 結(jié)語(yǔ)

GFRP-混凝土-鋼組合梁橋利用GFRP板在橫橋向受力的貢獻(xiàn)，降低了活載作用下橋面板中的鋼筋應(yīng)力，增強(qiáng)了橋面板的抗疲勞性能，并且通過(guò)GFRP優(yōu)良的耐久性能提高了混凝土橋面板的抗環(huán)境侵蝕能力。GFRP-混凝土組合橋面板改善了原橋面板的受力，提高了橋面板的長(zhǎng)期性能，并進(jìn)一步提高組合梁橋的使用壽命。此外，由于GFRP板在抗彎承載力中的貢獻(xiàn)，原鋼筋混凝土橋面板承載力得以提高。

GFRP-混凝土-鋼組合梁橋作為一種新型組合梁橋，為中小跨徑橋梁設(shè)計(jì)提供了一種新的選擇。隨著對(duì)該種組合梁橋設(shè)計(jì)理論及工程實(shí)踐的積累，越來(lái)越多的GFRP-混凝土-鋼組合梁橋?qū)⒃诠こ讨械玫綉?yīng)用。