FRP 拉挤型材桁架桥静动力性能研究

1 引言
FRP（纤维增强复合材料）是一种新型建筑结构材料，具有自重轻、强度高、耐腐蚀性好的特点，将其应用于桥梁工程领域可方便施工和运输，实现快速架设，并减少后期维护成本。1982 年北京密云建成了世界上首座 FRP 公路桥，当时采用的是手糊工艺，生产效率较低，较性能不稳定。随着 FRP生产工艺的不断发展，性能稳定、生产效率高的FRP拉挤型材在土木工程结构中得到越来越多应用。
FRP 拉挤型材轴向受力性能优越，适合用于桁架结构，能够获得较高的利用效率和结构性能。国际上，瑞士、日本、俄罗斯、美国等国家均有 FRP 桁架桥的研究与应用，但对于实桥结构的性能的测试和研究并不多。Keller 等人对瑞士的Pontresina 桁架桥进行了动力性能及长期性能的研究，该桥分为两跨，分别采用螺栓连接和胶栓混接节点；研究表明胶栓混接桥跨的自振频率高于螺栓连接桥跨，而采用螺栓连接桥跨的阻尼比较大；在1997 年和 2005 年的两次对该桥进行了实桥测试，对比表明此桥主体结构性能良好。Sasaki等人对日本静冈县的一座 FRP 桁架公路桥（跨度 8.0m）进行了 9 年的跟踪研究，结构响应基本稳定，说明此FRP 桥梁的长期性能良好。Hejlla等人对桁架桥用
的大尺寸 FRP 组合梁进行了研究，提出采用粘贴碳纤维布的方式来提高刚度，此成果应用于英国牛津郡 West Hill 桥中。
在国内，FRP 桥梁工程的应用近年正从加固补强逐渐转向新建桥梁中的 FRP 结构构件，并已开了展 FRP 桥板、FRP-混凝土组合梁、栏杆、索、大跨结构和桥梁动力特性及舒适度等方面的研究，部分成果已应用于工程实践，如：2006 年建成的第一座采用碳纤维索的斜拉桥,2010 年在石家庄建成的 FRP-混凝土组合梁桥等，但仍未有主体全部采用 FRP 型材的桁架桥。本文通过 FRP 拉挤型材桁架桥全桥结构加载实测和有限元分析，研究了全 FRP 桁架桥结构的静
力和动力性能。
2 FRP 拉挤型材桁架桥工程
2.1 工程简介
FRP 拉挤型材桁架桥工程建于重庆市彭水县太原乡，按人行桥设计标准进行设计，由北京茅以升科技教育基金会发起建设，以“茅以升公益桥”命名，为国内首座“茅以升公益桥”。该桥采用中承式桁架桥梁体系，跨径 20m，桥面宽度 2.0m，桁架全高 3.3m，净空 2.8m；设计使用荷载 5kN/m2。该桥地处偏僻山区，故将桁架分为三段在工厂预制，运至现场进行拼装架设。整桥结构如图 1 所示。2.2 FRP 拉挤型材性能FRP 拉挤型材采用环氧树脂和无碱玻璃纤维制成，纤维体积含量约为 60%。对型材成品进行原位取样后，依据 GB/T 1447-2005《纤维增强塑料拉伸性能试验方法》和 GB/T 1448-2005《纤维增强塑料压缩性能试验方法》标准进行了材性试验，得到其压缩强度平均值为 350.5MPa（纵向）和130.3MPa（横向），拉伸强度平均值为 650.3MPa（纵向）和 32.2MPa（横向），拉伸弹性模量为 41.2MPa（纵向）和 8.6MPa（横向）。
2.3 结构体系
桁架的主要构件有上下弦杆、竖杆、斜腹杆和横向连杆以及桥面板。上下弦杆使用双槽型型材背向组合截面，将方形截面竖杆夹在中间进行连接，斜腹杆采用交叉形式，斜腹杆的截面宽度为竖杆的一半，两榀桁架间采用槽型型材连接下弦杆，并支撑桥面板，上弦杆采用角型材拉结。桥面板使用十孔肋板。全桥共使用了 7 种不同截面的结构型材，如图 2 所示。桥梁在拼装中设置 50mm 预拱。