《交通运输科学技术新成果推广目录》（２０２０）——第二部分桥梁《GFRP-混凝土-钢组合梁桥设计施工关键技术研究》

本期项目简介

主要完成单位：深圳市市政设计研究院有限公司、 东南大学

主要完成人：陈宜言、 何晓晖、 张海龙、佟兆杰、 宋晓东、 黄侨、 于芳、 朱勤、 任远、 代亮、 陈涛、 叶明月

项目简介

    近年来,我国桥梁取得了显著的成就。但是由于超载、环境侵蚀、擅自变更设计图纸、施工中质量控制不到位等问题,越来越多的桥梁在后期运营中需要进一步的维修加固来满足使用需求。如果没有桥梁技术的变革,政府和社会将面临庞大桥梁维修加固的资金需求。FRP作为一种高质量材料,在桥梁加固领域已经得到广泛应用,在新建领域也出现了GFRP-钢组合梁桥、GFRP梁桥等。但是由于GFRP材料低弹模、高强度的特点,现有的新建结构GFRP用量大,结构刚度低,初期建造成本高昂。因此亟须寻找一种降低结构造价、提高结构耐久性的方案。

    GFRP-混凝土-钢组合梁桥由GFRP-混凝土组合板和钢梁组成,组合板与钢梁间通过抗剪连接件连接。在横桥向,荷载由GFRP-混凝土组合桥面板承担;在纵桥向,荷载由GFRP-混凝土-钢组合梁承担。整个结构受力明确,各种材料充分发挥各自的材料特性。本项目结合深圳市政设计研究院有限公司设计的合肥市郎溪路工程E匝道桥———国内首座预应力GFRP-混凝土-钢组合连续梁桥设计项目,开展了简支板弯曲、简支板疲劳、连续板弯曲、简支梁弯曲、连续梁弯曲、剪力件抗剪研究,掌握了该种桥型的计算理论、设计方法、施工建造技术要点,为推广应用GFRP-混凝土-钢组合结构奠定了基本条件(见图1)。

　　图1GFRP-混凝土-钢组合梁桥

    FRP材料与混凝土和钢的组合结构在公路行业正在逐步推广应用,目前较多地应用在桥梁结构的加固方面。随着研究的逐步深入,人们对结构耐久性等认识的深入,FRP材料与混凝土和钢的组合结构将在其适用的范围内不断得到应用。GFRP-混凝土-钢组合梁桥为跨线桥梁、城市桥梁、复杂地形条件下的桥梁建设提供了一种可选择的桥梁结构方案,耐久性好、环保、组装便利、可工厂化预制、便于运输,具有广泛的适用性,并可用于高耐久性要求的特殊场景。

项目创新点

　　创新点1:开发了一种GFRP-混凝土组合桥面板新型结构,提出了GFRP-混凝土胶结砾石界面的最佳覆盖率,解决了混凝土与GFRP板的连接问题,并显著改善GFRP-混凝土组合板的力学性能。以往GFRP-混凝土板设计中缺少对纵桥向受力及钢筋、GFRP、混凝土协调的考虑。综合考虑桥梁各方面受力性能需求及各材料特点,开发了一种配筋GFRP-混凝土组合板,基于12片组合板的静力、疲劳试验,验证了该结构的可行性,并提出了适合于工程实际的GFRP-混凝土界面处理方式。

　　创新点2:构建了GFRP-混凝土桥面板及其钢混组合梁桥的计算理论及方法,设计并建成了国内首座预应力GFRP-混凝土-钢组合连续梁桥。以往的研究理论缺少配筋GFRP-混凝土组合板及GFRP-混凝土-钢组合梁计算方法的研究。课题组进行了简支及连续板静力试验、简支板疲劳试验、简支及连续组合梁静力试验,通过试验、有限元及理论模型的相互验证,建立了组合板及组合梁的全过程计算理论,并将该计算理论用于国内首座预应力GFRP-混凝土-钢组合连续梁桥设计中。

　　创新点3:创立了GFRP-混凝土-钢组合梁桥的施工工艺及检验评定关键技术。基于工程实际情况、材料制作特点及试验件制作经验,优化了工程应用方案,建立了新型组合梁桥的施工工艺及检验评定方法,指导了合肥市郎溪路工程E匝道桥建造。

同类项目比较

　　本项目成果达到了国际先进水平。与传统的钢-混组合梁桥相比,GFRP材料的加入,将有效提高桥面板的耐久性,改善组合板的受力性能,延长桥梁整体的使用寿命。与GFRP-钢组合梁桥相比,本项目开发的GFRP-混凝土-钢组合梁桥极大的降低了GFRP的材料用量,有效降低了初期建造成本,增强了采用纤维增强复合材料的新建桥梁的经济性。与同类项目比较如表1所示。

应用案例

　　深圳市市政设计研究院有限公司合肥设计院设计的合肥市郎溪路工程第三标段E匝道桥的第二联采用了GFRP-混凝土-钢组合梁桥的结构形式,该结构形式也是国内首座预应力GFRP-混凝土-钢组合连续梁桥(见图2),该桥为单箱单室组合梁桥,跨径组合为25m+35m+25m,桥面宽度为8郾5m。GFRP板位于桥面板底部,在提高桥面板耐久性的同时,有效提高了组合梁桥横桥向的承载力。此外,依据工程实际,对GFRP板的截面形式进行优化,使其更适应大规模工程应用,如:为了提高板与板间的拼接精度,在肋板相交的位置设置定位板;为了方便纵桥向钢筋的架设,在GFRP肋板顶部开槽;为了增加两个肋板间GFRP板的刚度,降低GFRP底板厚度,在底板上设置小型加劲肋等。

社会效益与经济效益

　　GFRP-混凝土-钢组合梁桥可以显著提升桥梁的耐久性、疲劳寿命、抗超载能力,并简化桥上施工流程,加快施工速度。此外,与GFRP-钢组合梁桥相比,由于GFRP用量的降低,其初期成本可以有效降低。

　　本项目的研究填补了GFRP-混凝土-钢组合梁桥的研究空白,大幅提升了我国设计制造GFRP组合结构的技术水平,为推广应用GFRP-混凝土-钢组合结构奠定了基本条件。GFRP作为一种高品质材料,将可以促进桥梁技术进步,开拓桥梁技术领域。显著提高桥梁的使用寿命,保证桥梁的健康可持续性,降低桥梁维修、养护工作量及其带来的交通、社会影响。该研究成果拥有较大的社会效益。