玻璃纤维增强复合材料在轻质人行天桥上的应用.pdf

　玻璃纤维增强复合材料在轻质人行天桥上的应用　２０１４年５月　玻璃纤维增强复合材料在轻质人行天桥上的应用　　　　　　　熊慧中，单炜，王平，张大勇　　　　　　　　（１．东北林业大学工程咨询设计研究院，哈尔滨１５００４０；２．中国石油大港油田电力公司港东变电分公司，天津３００２８０）　　　　摘要：玻璃纤维增强复合材料（ＦＲＰ）具有轻质、高强、减震、耐腐蚀等优良特性，已广泛应用于特殊环境中的桥梁工程。　　　　本文以ＦＲＰ拉挤型材为主材料设计了一座跨度为１０＋ｌＯｒｅ的人行天桥，并采用有限元方法分别校核其受基本载荷、自由振　　动、地震冲击载荷时的力学响应。计算结果表明，该桥梁重量较小，具有较高的安全裕度和较自振频率，可有效缩短现场的施　工周期。本文的分析结果对于ＦＲＰ桥梁的设计具有一定的工程指导意义。　关键词：玻璃纤维增强复合材料；人行天桥；有限元法；桥梁设计　中图分类号：ＴＢ３３２　　　———　文献标识码：Ａ文章编号：１００３０９９９（２０１４）０５０ｏ６４０５　　　　１前言　　玻璃纤维增强复合材料（ＦＲＰ）是指由基体材料　和增强材料玻璃纤维等两种以上的组分材料在宏观　　尺度上物理组合而形成的一种材料。它是一种结构　　　材料，其性能和特性既可以保持原组分材料的某些　　　特点，又具有组合以后的新的特性，可以根据结构需　　要进行设计，以满足单一材料无法达到的性能要求。　因为其高比强度和比模量、耐腐蚀、抗疲劳性、减震　　性能好以及破损安全性能好、可设计性和工艺性好　　　　　　等特点，在航天航空、汽车、船舶、化工、电子和建筑　　　等行业中已有广泛应用。从２０世纪７０年代末开　始，复合材料在桥梁工程中逐渐得到应用。目前，复①　合材料在桥梁工程中的应用主要包括：桥梁构件②③　的加固补强；桥梁构件的替代应用，如桥面板；　新人行桥和公路桥梁的设计和建造等方面。　复合材料的优良特性为其在大跨度桥梁中的应　　　用提供了广阔前景。２０世纪７０年代末和２０世纪　　　８Ｏ年代初期，美国、保加利亚、以色列及中国等开始　研究将复合材料应用于桥梁工程。拟建的直布罗陀　　　海峡桥连接欧洲西班牙和非洲大陆的摩洛哥，其中　　　有一方案为芬塔锡尔莱一奥利维诺斯线，两岸间距　　为１５ｋｍ，是可能的最短线路，最大水深为９００ｍ，要　　求主跨最小必须为８４００ｍ，有人建议采用碳纤维复　　合材料（ＣＦＲＰ）代替钢索，可使桥的自重减轻４／　　　５。希腊佩特雷大学于２００５年开发出的采用复合　材料拉挤方管拼装而成的轻便桥梁，该桥跨度为　　　　１１．６ｍ，宽度为４．２ｍ，高度为１．２ｍ，可满足３０ｔ的车　　　辆荷载要求，而其白重仅为１３．５ｔ，其承载能力与其　　自重相比远优于传统建筑材料Ｊ。彭特雷西纳桥采　　用复合材料拉挤型材拼装而成，全桥由２段１２．５ｍ　　　　　　　　　　　　　　　　　　跨度的桥梁组成，每跨桥梁通行道路两边有高　　１．４８ｍ的桁架梁。桥梁总宽度为１．９３ｍ，梁间净宽　　　　度为１．５０ｍ。每跨桥重１．６５ｔ（ＦＲＰ材料１．２ｔ、桥面　　　格０．３ｔ、钢支座及锚固件０．１５ｔ），可用直升机轻松移　　　除和安装而无损伤Ｊ。该桥仅需要五种型号的ＦＲＰ　　　　　　　拉挤型材建造，采用区分拉压杆件的ｘ形桁架梁，　以提高结构效率并减小节点荷载。　　　复合材料拉挤型材中的纤维主要沿轴向，且纤　维含量高，受力性能较高，可直接作为受力构件，也　可以与其他材料组合受力。但拉挤型材的横向强度　　和剪切强度较低，可在拉挤成型工艺中复合一定数　　　量的毡或对拉挤型材进行纤维缠绕，对其力学性能　进行改善。复合材料型材的基体主要采用不饱和聚　酯树脂，另外还有环氧树脂、乙烯基树脂、热固性甲　　　　基丙酸树脂、改性酚醛树脂、阻燃性树脂等，增强材　　料主要是玻璃纤维及其制品，如无捻粗纱、连续纤维　毡等。复合材料拉挤型材具有强度高、变形率低、热　　　　　变形温度高、吸水率低、保温隔热系数低、耐腐蚀性　　　强、环境影响小等诸多优点。采用复合材料拉挤型　材设计建造桁架结构桥梁具有广阔的应用前景。该　　　　　　　　设计方法对于结构形状的限制较小，可以预先拉　　　　　　　　　　挤形成标准构件，对于运输需要考虑的长度没有　限制，同时，因其现场组装方便，适用于应急桥梁　的建造。　　—　收稿日期：２０１４￣２１２　　　　本文作者还有郭颖，宋国伟和邹瑾文。　　　　　　　　　　作者简介：熊慧中（１９７４一），男，工程硕士，主要从事公路桥梁设计、咨询、检测和监理工作，ｘｉｏｎｇｈｕｉｚｈｏｎｇ＠１２６．ｃｏｒｎ。　玻璃纤维增强复合材料在轻质人行天桥上的应用　　２０１４年５月　该轻质玻璃钢天桥的施工除可在现场进行施工　外，还可直接将工厂预制好的玻璃钢桥架运往施工　　　　　现场进行吊装、架设即可，无需复杂的施工机具，具　有施工便捷、施工周期短等特点。较传统混凝土桥、　钢桥而言，复合材料桁架桥造价较低，具有显著的优　　势与市场竞争力，因而可用于应急桥、人行桥、快速　　　桥等，具有广阔的应用前景。　　４结　论　　　　由上述分析结果可知，该玻璃钢桥梁与传统桥　　　梁相比具有重量轻、强度高、可工业化生产、拼装迅　　　　　速、耐腐蚀性强、免维护的显著优点。可用于战争、　　地震等灾害发生时的桥梁抢建抢修工程，实现河流、　峡谷等恶劣自然条件下桥梁的快速架设。　　　　　从结构上看该玻璃钢桥梁具有较大的安全裕　度、较高的自振频率和较强的抗冲击能力，同时可充　　　　　分发挥玻璃钢拉挤型材的结构优势，具有较高的安　　全系数。　参考文献　　　　［１］ＵＭｅｉｅｒ（李正仁译）．关于在直布罗陀海峡最窄处建造碳纤维　强化复合材料桥的建议［Ｊ］．国外桥梁，１９９０，（４）．　　［２］杨允表，石洞．复合材料在桥梁工程中的应用［Ｊ］．桥梁建筑，　１９９７（４）．　　　　　　［３］谢祖平，马广德．玻璃钢材料及结构在桥梁工程中的应用［Ｊ］．　　上海公路，２００８（３）．　　　　［４］邹祖讳．复合材料的结构与性能［Ｍ］．北京：科学出版社，１９９９．　　　　　［５］曾宪桃，车惠民．复合材料ＦＲＰ在桥梁工程中的应用及其前景　　［Ｊ］．桥梁建设，２０００（２）．　　’　　　　　　　ＡＰＰＬＩＣＡＴＩｏＮｏＧＬＡＳＳＦＩＢＥＲＲＥＩＮＦＯＲＣＥＤＰＬＡＳＴＩＣｏＮＴＨＥＤＥＳＩＧＮ　　　　　ｏＦＬＩＧＨＴＷＥＩＧＨＴＰＡＳＳＥＮＧＥＲＢＲＩＤＧＥ　—　　　　　　　　—　ＸＩＯＮＧＨｕｉｚｈｏｎｇ，ＳＨＡＮＷｅｉ，ＷＡＮＧＰｉｎｇ，ＺＨＡＮＧＤａｙｏｎｇ　　　　　　　　（１．ＮｏｒｔｈｅａｓｔＦｏｒｅｓｔｒｙＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｃｏｎｓｕｌｔｉｎｇ＆ｄｅｓｉｇｎｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｈａｒｂｉｎ１５００４０，Ｃｈｉｎａ；　　　　　　　　２．ＰｅｔｒｏＣｈｉｎａＤａｇａｎｇＯｉｌＦｉｅｌｄＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＣｏｍｐａｎｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ３００２８０，Ｃｈｉｎａ）　　　　　　　　　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｕｅｔｏｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓｓｕｃｈａｓｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ，ｈｉｇｈ－ｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｄａｍｐｉｎｇ，ａｎｔｉ－ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ，ｇｌａｓｓｆｉｂｅｒｒｅｉｎ．　　　　　　　　　　　　　—　ｆｏｒｃｅｄｐｌａｓｔｉｃ（ＦＲＰ）ｈａｓｂｅｅｎｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎｂｒｉｄｇｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｓｅｖｅｒｉｎｇｉｎｅｘｔｒｅｍｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｔｈｉｓｗｏｒｋｄｅ　　　　　　　　　　　　　　　　ｓｉｇｎｅｄａ１０ｍ＋１０ｍｓｐａｎｐａｓｓｅｎｇｅｒｂｒｉｄｇｅｗｈｉｃｈｍａｉｎｌｙｅｍｐｌｏｙｓｔｈｅｐｕｌｔｒｕｓｉｏｎＦＲＰ，ａｎｄｖｅｒｉｆｉｅｄｉｔｓｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　　　　　　　　　　　　　　　　　ｒｅｓｐｏｎｓｅｔｏｔｈｅｓｔａｔｉｃｌｏａｄ，ｆｒｅｅｖｉｂｒａｔｉｏｎａｎｄｅａｒｔｈｑｕａｋｅｉｍｐａｃｔｌｏａｄｂｙｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗ　　　　　　　　　　　　　　　　ｔｈａｔｔｈｅｂｒｉｄｇｅｈａｓｌｏｗｗｅｉｇｈｔ，ｗｉｔｈｈｉｇｈｓａｆｅｔｙｍａｒｇｉｎａｎｄｔｈｅｎａｔｕｒａｌ￣ｅｑｕｅｎｃｙｏｆｖｉｂｒａｔｉｏｎ，ａｎｄｃａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｓｈｏｒｔｅｎｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｐｅｒｉｏｄｏｆｔｈｅｓｃｅｎｅ．Ｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｒｅｓｕｌｔｓｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒｗｏｕｌｄｂｅａｃｅｒｔａｉｎｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｓｉｇｎｉｆｉ－　　　　　　ｃａｎｃｅｆｏｒｔｈｅＦＲＰｂｒｉｄｇｅｄｅｓｉｇｎ．　　　　　　　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｇｌａｓｓｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｐｌａｓｔｉｃ；ｐａｓｓｅｎｇｅｒｂｒｉｄｇｅ；ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ；ｂｒ　　ｉｄｇｅｄｅｓｉｇｎ