該橋設(shè)計可看作由節(jié)點(diǎn)和其連接的構(gòu)件所形成的模塊之間的組裝, 因此, 可通過改變寬度方向模塊數(shù)量的方法來調(diào)整橋梁寬度。而要增大橋梁跨度,則需通過增大2 層縱梁間連接構(gòu)件的長度來增大桁架結(jié)構(gòu)層的高度, 以保證整橋剛度的要求。通過改變復(fù)合材料拉擠型材構(gòu)件的尺寸, 改變橋梁實(shí)際尺寸, 使其適用于不同的環(huán)境。
與傳統(tǒng)材料相比, FRP 材料彈性模量較低, 桁架構(gòu)件上的應(yīng)力遠(yuǎn)沒有達(dá)到所限最大應(yīng)變時的應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值, 所以失效只會出現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)處。節(jié)點(diǎn)的失效除了材料斷裂, 還包括塑性變形, 因為那會導(dǎo)致桁架構(gòu)件上彎曲或扭轉(zhuǎn)荷載的發(fā)展, 使構(gòu)件在節(jié)點(diǎn)處發(fā)生松動。所以節(jié)點(diǎn)的設(shè)計需保證處于彈性范圍內(nèi)。
結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用桁架雖然較為傳統(tǒng), 但是能為結(jié)構(gòu)提供更高的彎曲剛度, 同時又是最節(jié)省材料的形式, 并且可以通過有限元分析軟件進(jìn)行便捷的分析。該橋結(jié)構(gòu)的所有構(gòu)件均可直接觀測, 并且可應(yīng)用檢測儀器對結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測。施工方面,該橋梁結(jié)構(gòu)可在工廠預(yù)制好, 直接運(yùn)到現(xiàn)場安裝, 施工便捷; 也可將輕便的管材運(yùn)至現(xiàn)場, 在現(xiàn)場將桿件拼裝形成橋梁。由于復(fù)合材料桁架橋具有輕質(zhì)、拼裝容易等優(yōu)點(diǎn), 目前美國也開始研發(fā)此類橋梁用于高山、峽谷以及偏遠(yuǎn)地區(qū)的橋梁建設(shè)。
3.2 復(fù)合材料平面桁架橋
彭特雷西納橋位于瑞士阿爾卑斯山海拔1790m處, 橫跨彭特雷西納的Flaz灣( 見圖6)。該橋為臨時性橋, 主要用于冬天滑雪季節(jié), 因為入春以后水位升高, 該橋需被移開, 直到每年秋季再重新安裝。彭特雷西納橋建于1997年, 到2005年冬天已被安裝移除8 次。該橋梁的概念設(shè)計主要受3個因素限制:① 水面上方凈空小, 要求承載結(jié)構(gòu)位于人行通道之上;②每年需進(jìn)行安裝/ 拆卸的循環(huán);③制造商可提供的復(fù)合材料拉擠型材形狀尺寸。復(fù)合材料的選擇主要基于其自重輕, 符合安裝/ 拆卸循環(huán)的要求, 還有其預(yù)期幾乎為零的維護(hù)費(fèi)用。
彭特雷西納橋采用復(fù)合材料拉擠型材拼裝而成, 全橋由2 段12.5 m 跨度的橋梁組成, 每跨橋梁通行道路兩邊有高1.48 m 的桁架梁( 見圖7)。橋梁總寬度為1.93 m, 梁間凈寬度為1.50 m。每跨橋重1.65 t( FRP 材料1.2 t、橋面格柵0.3 t、鋼支座及錨固件0.15 t), 可用直升機(jī)輕松移除和安裝而無損傷(見圖8)。該橋僅需要5種型號的FRP 拉擠型材建造, 采用區(qū)分拉壓桿件的X形桁架梁, 以提高結(jié)構(gòu)效率并減小節(jié)點(diǎn)荷載。
該橋根據(jù)瑞士結(jié)構(gòu)規(guī)范SIA161(SIA1990) 按人行橋荷載設(shè)計, 需承受4 kN/ m2的均布荷載和1個10 kN 的集中荷載。另外, 根據(jù)規(guī)范, 相應(yīng)于1790 m 海拔高度需要考慮9 kN/ m2的雪荷載, 此雪荷載將成為控制荷載。但是, 為了保證橋梁的通行, 積雪通常會被迅速清除, 所以根據(jù)橋梁所有者的要求, 設(shè)計假定雪荷載僅為1.2 kN/ m2, 此荷載只相當(dāng)于30 cm 厚壓實(shí)積雪。
2跨橋體的桁架節(jié)點(diǎn)分別使用錨固和粘接。錨固節(jié)點(diǎn)可看作為半固接, 具有很小的轉(zhuǎn)動能力; 粘接節(jié)點(diǎn)則作為全固接節(jié)點(diǎn), 無轉(zhuǎn)動能力。粘接劑為環(huán)氧樹脂, 粘接處復(fù)合材料表面的處理包括丙酮清洗和除污, 對表面層進(jìn)行機(jī)械刮磨, 直至最上層纖維暴露出來, 隨后重新清洗并除污。
因為粘接首次用于主要承載連接, 所以另加了備用螺栓作為安全儲備。粘接本身具有足夠的剛度, 螺栓不用擔(dān)任荷載傳遞工作, 但螺栓仍然具有另外2 個用途: 粘接加工時便于節(jié)點(diǎn)固定; 抵消輕微預(yù)應(yīng)力導(dǎo)致的剝離應(yīng)力, 雖然預(yù)應(yīng)力可能因為復(fù)合材料蠕變而在一段時間后消失。螺栓緊固過程中在緊固面放置間隔管, 防止管件壓碎。
4 結(jié) 語
輕質(zhì)復(fù)合材料桁架橋具有重量輕、強(qiáng)度高、可工業(yè)化生產(chǎn)、拼裝迅速、耐腐蝕性強(qiáng)、免維護(hù)的顯著優(yōu)點(diǎn)。可用于戰(zhàn)爭、地震等災(zāi)害發(fā)生時的橋梁搶建搶修工程, 實(shí)現(xiàn)河流、峽谷等惡劣自然條件下橋梁的架設(shè), 對場地的適應(yīng)性強(qiáng), 對于應(yīng)急救災(zāi)的快速、機(jī)動具有重要的作用, 可為應(yīng)急部門儲備。
該輕質(zhì)復(fù)合材料桁架橋也可用于永久橋梁的建設(shè), 直接將工廠預(yù)制好的復(fù)合材料桁架橋運(yùn)往橋址區(qū)進(jìn)行吊裝、架設(shè)即可, 無需復(fù)雜的施工機(jī)具, 施工周期短; 在峽谷等運(yùn)輸車輛通行不便的條件下, 也可將預(yù)制好的復(fù)合材料桿件運(yùn)往橋址區(qū)后, 再進(jìn)行桁架結(jié)構(gòu)的拼裝, 施工便捷。較傳統(tǒng)混凝土橋、鋼橋,復(fù)合材料桁架橋造價較低, 具有顯著的優(yōu)勢與市場競爭力, 因而可用于人行橋、施工臨時棧橋等, 具有廣闊的應(yīng)用前景。
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