基于GFRP复合材料的梁式桥梁设计与性能研究

基于 GFRP复合材料的梁式桥梁设计与性能研究

何广法

身份证号： 33072319790716 ****

摘要：与传统钢材、铝合金等金属材料相比，新型复合材料具有更强的可塑性和适应性，成为当前土木工程等建设中桥梁结构的重要组成材料及结构部件。复合材料拥有更轻的质地、更高的强度与硬度、更好的耐腐蚀性等优点，且类型众多，工艺先进，目前能够进行批量生产和应用，助力我国现代建设的发展和繁荣。以常见新型复合材料为研究对象，就新型复合材料在中小跨度桥梁中的应用做综合性分析，提出优化组合方式，给出参考的尺寸及参数，并对该桥的强度、刚度、稳定性进一步分析，帮助当前的工程建设打造优质工程项目。

关键词：复合材料；FRP；中小跨度桥梁；性能研究

伴随中国经济步入新常态，与经济高速发展相适应的工程建设也进入到历史发展的新阶段。各种工程建设是城市发展的重要组成部分，工程建设离不开跨越式桥梁结构的发展和创新，历史经验证明，每一次结构的创新与科学技术的发展和新材料的实验与应用密切相关，工程建设的重大飞越与新材料的发明和应用以及建设技术的创新息息相关，共同进步，比如混凝土的发明和应用带来了钢筋混凝土建筑结构形式^[1]；高强度钢材的出现和预应力技术的结合带来大跨度预应力结构^[2-3]等。

当前，在新的技术和材料的不断更新下，目前大部分的建筑工程采用的是这两种材料和技术的结合，融合了钢筋混凝土和预应力混凝土的优势，具有取材简单、耐力强、承压力大、可塑性强等优点^[4-5]。但是随着经济的进一步发展，人们对工程建设的要求也越来越高，除了传统的安全、经济、美观等要素以外，对工程建设的轻快、便于维修、生态环保等提出更多的要求，因此对于新型复合材料和新型桥梁结构形式的研究就显得更加有必要。基于此，本文从复合材料的定义及特点出发，就复合材料在中小跨度桥梁中的结构及性能影响做全面的探究，助力复合材料的创新与发展，助力桥梁结构的进步。

1 复合材料概述

复合材料是在科技推动下的新型材料的统称，一般是由两种或者以上不同性质的材料，利用一定的科学手段（包括物理或化学手段），从材料的宏观或微观上进行创新和改变，组合成性能更佳的新的材料。新的复合材料集合了各组合材料中的优势，具有协同效应和取长补短的效果，复合材料的性能大于复合前材料的性能，可以满足更多更高质量的建设需求。当然，从传统意义上看来，目前的复合材料主要分为金属和非金属两大类，此外还有增强的材料，比如本文重点分析的纤维增强塑料等。

作为一种混合物，复合材料的应用范围非常的广，作用强大，代替了很多传统的材料。在技术的不断推动下，复合材料的组合形式越来越多，比如金属与金属材料的复合，金属与非金属材料的复合以及非金属与非金属材料的复合。

2 FRP材料的特点及在桥梁结构中的应用

FRP材料也叫纤维增强复合材料，是一种新型复合材料，质地轻、高强度和耐腐蚀度，从上世纪开始，FRP桥梁就成为各个国家和地区桥梁建设中的重要发展方向，因此有必要对该材料的特点及应用做简单的梳理。该复合材料是传统纤维和树脂的融合的产物，二者在性能上相互补充，取长补短，形成协同效果。在桥梁建设中的FRP材料其主体主要采用的是环氧树脂与乙烯基聚酯，增强纤维主要包括碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维及芳纶纤维等^[6]。该复合材料采用不同的工艺可以制作成不同的产品，应用在桥梁结构之中。FRP材料的性能比传统钢材及混凝土材料性能更加优越。在桥梁结构，主要取决于FRP材料许多重要的性能特点^[7]。具体来看，复合材料具有以下几个特点：

1. 高强的拉伸度。利用相关实验可知，与传统钢筋等材料相比，碳纤维增强复合材料的拉伸强度是钢筋的五到八倍。第二，密度小，质量轻。复合材料的密度一般都比较轻，便于生产和操作，携带方便，安装快捷，有效的提升了工作效率。比如玻璃纤维复合材料，密度大约为两千克每立方厘米，也就是钢筋材料的四分之一左右。第三，施工方便。由于新的复合材料密度小，质量轻，更容易安装和施工，提升工作效率。第四，强耐腐蚀性。根据实验结果显示，新型复合材料有更加强大的耐腐蚀性，可以在酸碱等环境中长时间工作，降低了各种维修的资本。复合材料比传统钢结构的腐蚀性高出四到五倍。第五，强大的抗疲劳性。与传统钢材等材料相比，复合材料的抗疲劳性更加优越，是它们的三到五倍。

6. 强减震减压性。以FRP为主的复合材料桥梁结构具有强大的黏弹性，激起的震动衰减速度远远大于混凝土和钢筋等结构，有效的缓减了高压高震带来的动态损害，增加了结构的安全性能，降低了资本运行。第七，可塑性强。新型复合材料具有更强的塑造性和设计性，可以根据不同的工程内容和需要，利用不同的生产技术进行改造和设计，具有更加强大的实用性。

3 GFRP组合梁式桥梁结构设计及性能分析

GFRP，也叫GRP或FRP，中文名玻璃纤维增强塑料，俗称玻璃钢，是一种有机非金属跟无机非金属复合的塑料基复合材料，包含基体和增强体两部分。该复合材料在当前的桥梁结构中应用较广

^[8-10]，本节就该复合材料梁式结构的设计及性能做全面的梳理，为该领域研究提供更多设计经验。

3.1 GFRP组合梁式桥梁结构类型分析

3.1.1 主体承重结构分析

随着技术的不断进步与工艺的发展，GFRP材料性能更加优越并广泛的应用于工程结构之中，比如工程结构的加固和增强、预应力筋混凝FRP结构、FRP组合结构等。但是，在桥梁结构中该材料的应用还未多见，是一个还未完全开发的领域。该材料在中小跨度桥梁承重结构中主要有GFRP梁板结构和GFRP桁架结构两种类型。

1. GFRP梁板结构

GFRP梁板结构是常见的桥梁承重结构之一，主要应用于中小跨度桥梁建设之中，具有方便快捷、性能良好的特点。但是在纵向负荷状态下，该结构多方向受力，要对材料进行设计，对纤维含量和角度都有特殊的要求，需要特殊的工艺和方法制作，比如手工糊制法等才能起到更好的效果。这种方法下的梁板结构容易涣散，很难保证产品的质量，尤其是桥梁结构之中，承受载荷较大，需要离散效果小、安全性能高，所以这种工艺方法形成的GFRP材料桥梁结构不适合直接做主承受力结构。即使采用拉挤工艺形成的产品，由于不能生产截面较大的构件，同样影响着该材料的应用。但是从目前的现实情况来看，拉挤成型工艺的已经是产品性能最优的，因此GFRP桥梁结构宜采用这个工艺成型的材料。

2. GFRP桁架结构

该结构同样宜多采用拉挤成型工艺的GFRP构件。GFRP桁架结构优点比较鲜明。首先该结构轻盈美观，承载力强，施工便捷，效率高；其次该结构技术相对成熟，便于安装及后期防护；最后，该结构承受的主要是轴力，与该工艺下的GFRP材料性能更加吻合，实现合力优势。基于以上内容，该材料结构将是未来桥梁式结构的主流。

3.1.2 板面结构分析

从拉挤成型GFRP材料试验中发现，该材料的抗拉性能强，但抗压力较弱，因此在GFRP桁桥中，不能够全部使用该材料的部件，需要根据实际需要和现场情况，在受压力部位进行合理的搭配与设计，避免该部件受荷严重而出现问题。虽然该结构目前的使用面较广，但潜在问题依然明显，因此本设计中拟打算采用钢筋混凝土桥面板，且GFRP桁架结构为上承式结构。构件与板面之间采用剪力连接装置，形成GFRP——混凝土板组合。

3.1.3 连接形式

桥梁工程中节点是一个非常重要的部位，GFRP桁架结构虽然是轴受力结构，但是在节点出的受力情况十分的复杂和多变，呈现出多向受力的的态势，因此在桥梁式结构设计中，连接点是一个需要重点讨论和关注的点。根据目前桥梁建设情况可知，常用的节点连接方法主要有胶连连接、螺栓连接和混合连接三种。桥梁结构承受力较大，需要连接的安全可靠，要根据实际情况进行择取，选择最优的连接方法。桥梁建设中需要的连接的情况主要分为两种，一种是同材料的结构部件相互连接，比如GFRP与GFRP结构相连；另外一种是不同材料之间的连接，比如GFRP结构与混凝结构相连。当然桁架组合结构中节点的受力状态多为空间内多向受力，因此GFRP构件和GFRP构件相连的方法是不适用的，因此一般选择该材料与其他材料相互连接的形式。

3.2 GFRP组合梁式桥梁传力结构形式及结构尺寸设计

本文采用的复合材料是拉挤成型工艺下的GFRP复合材料，根据实验结果显示该材料的纵向抗拉能力和抗拉弹性模量性能优于其横向性能，抗拉强度优于抗压强度，抗拉弹模也优于抗压弹模。鉴于以上有点，本文采用GFRP桁架组合结构体系，该结构中的复合材料构建主要承受轴力，纵向尺寸大于截面尺寸，将GFRP当作受压和受拉性能不同的各向同性材料处理。抛却其它元素，本文从该结构本身去设计和性能检验，参照钢材结构设计规范，首先对该结构的相关数据和尺寸进行拟定。假设应用背景是公路Ｉ级负荷，桥梁跨径为30米，桥梁宽度为15米，横向阶段为7米，纵向节段为6米，桁架高度为7米的简支梁桥例，进行结构设计和性能分析。由桥面板、主桁、横梁、支座和连接系五部分组成部结构，桥面采用钢筋混凝土板面，考虑到公路与桥梁之间的受力情况，GFRP梁顶设置剪力键，由此完成本桥的上部传力体系设计，即桥面板将桥面荷载直接传到横梁，节点处横梁的作用则是把荷载通过节点传到桁架杆件之上。

传力体系构建完成以后，需要对各部件的结构尺寸进行设计。从复合材料结构受力的特点出发，根据该复合材料的属性，利用电脑软件进行尺寸的计算与设计，整体设计思路为：先从受压构件的稳定性出发设计合理的截面尺寸，然后根据构件受到的拉压应力适当调整截面尺寸，最后根据桥梁竖向刚度再次调整截面尺寸。根据以上思路，对该结构的各部件尺寸进行设计和应用，完成整体结构搭建。

3.3 GFRP材料桥梁结构性能分析

桥梁结构设计完成以后，需要对其进行全面的结构性能分析，以验证出假设和设计原点。主要检验该桥梁结构的稳定性、强度和刚度等性能。

3.3.1 稳定性验算

本文研究的主要是桁架式桥梁结构，类型多但是受力比较简单，机构的整体稳定性由各个部件的稳定性决定，因此有必要对各个部件的稳定性进行检验和分析。本文采用的是欧拉公式：

（3.1）

其中： 指的是临界力；EI指的是抗压刚度；L指的是构件长度。

根据这个公式计算出该结构中各个部件上的稳定性良好，整个桥面结构的稳定性能良好。

3.3.2 强度检验

该结构主要承担着受力的作用，其强度决定了整体的受力强度，因此需要检验和分析。检验采用的是有限元软件，将整个桥梁是结构上的各个部件数据进行导入和计算，得出以下数据结果（表1）。

表1 强度结算结果

根据以上数据结果显示，该结构部件中最大拉应力为74.1MPa，最大压应力为68.4MPa，满足强度所要求的各构件应力值。

3.3.3 刚度检验

除了满足桥面强度以外，该结构还应该满足需要的刚度要求，众所周知，GFRP材料强度高但刚度弱，本设计中同样面临这个问题，为了更好的解决，本设计中增大对桥梁整体刚度有较大影响的构件（表1）中的截面尺寸。竖杆截面尺寸本身已经够大，此处不做继续增大处理，各局部尺寸区域一致，在上文公路环境下，桥梁整体刚度为0.026m＜L/600＝0.0067m，符合刚度要求。

图1 梁体竖向位移分布图（ｍ）

根据以上设计和验证，本文采用的GRFP材料符合中小跨度桥梁组合结构应用标准要求，可以进行推广和应用，增加工作效率和经济效益。

4 结语

综上所述，在新的时代背景下，我国的经济发展推动了工程建设的发展，尤其是大型土木工程建设，成为改善民生和推动社会进步的重要内容，传统的建设结构及材料的作用和应用日渐式微，新型复合材料的优势更加明显，应用范围更大，本文结合GFRP材料的基本内容和特点，详细揭示了该复合材料在现代桥梁结构中的设计与应用，以期望为现代桥梁的建设提供更多思路和灵感。

参考文献：

1. 卢汝生,吴秋飞.混凝土:人类的伟大发明[J].中山大学学报论丛,2001, 21(1):296-299.

2. 梁福康.现代钢材及其工程应用[J].建筑技术,2000,31(7):487-490.
   [3] 张秀凤.我国预应力钢材的现状及发展趋势(待续)[J].金属制品,2002,28(3):1-3.

[4] 张智梅,杨铭.基于ABAQUS的外贴FRP加固钢筋混凝土梁抗弯疲劳性能研究[J].南京理工大学学报(自然科学版),2021,45(1):116-126.
[5]刘兴远,周珉,邓安福.既有钢筋混凝土梁工作特性数值分析[J].四川建筑科学研究,2002,28(4):7-9.

6. 何琦.中小跨度复合材料组合梁式桥梁结构及性能研究[D].重庆:重庆大学,2014.

7. 岳宝成.CFRP拉挤片材的制备工艺与性能研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2013．

8. 卢志强.对称结构复合材料人行桥有限元仿真分析[D].广州:广东工业大学,2013．

9. 刘洪玲.纺织结构复合材料中的纺织品[J].产业用纺织品,2001(10):7-11.

10. 李曙光．FRP构件的连接及其设计方法研究[D].西安:西安建筑科技大学,2012．