该桥设计可看作由节点和其连接的构件所形成的模块之间的组装, 因此, 可通过改变宽度方向模块数量的方法来调整桥梁宽度。而要增大桥梁跨度,则需通过增大2 层纵梁间连接构件的长度来增大桁架结构层的高度, 以保证整桥刚度的要求。通过改变复合材料拉挤型材构件的尺寸, 改变桥梁实际尺寸, 使其适用于不同的环境。
与传统材料相比, FRP 材料弹性模量较低, 桁架构件上的应力远没有达到所限最大应变时的应力标准值, 所以失效只会出现在节点处。节点的失效除了材料断裂, 还包括塑性变形, 因为那会导致桁架构件上弯曲或扭转荷载的发展, 使构件在节点处发生松动。所以节点的设计需保证处于弹性范围内。
结构设计中采用桁架虽然较为传统, 但是能为结构提供更高的弯曲刚度, 同时又是最节省材料的形式, 并且可以通过有限元分析软件进行便捷的分析。该桥结构的所有构件均可直接观测, 并且可应用检测仪器对结构状态进行持续监测。施工方面,该桥梁结构可在工厂预制好, 直接运到现场安装, 施工便捷; 也可将轻便的管材运至现场, 在现场将杆件拼装形成桥梁。由于复合材料桁架桥具有轻质、拼装容易等优点, 目前美国也开始研发此类桥梁用于高山、峡谷以及偏远地区的桥梁建设。
3.2 复合材料平面桁架桥
彭特雷西纳桥位于瑞士阿尔卑斯山海拔1790m处, 横跨彭特雷西纳的Flaz湾( 见图6)。该桥为临时性桥, 主要用于冬天滑雪季节, 因为入春以后水位升高, 该桥需被移开, 直到每年秋季再重新安装。彭特雷西纳桥建于1997年, 到2005年冬天已被安装移除8 次。该桥梁的概念设计主要受3个因素限制:① 水面上方净空小, 要求承载结构位于人行通道之上;②每年需进行安装/ 拆卸的循环;③制造商可提供的复合材料拉挤型材形状尺寸。复合材料的选择主要基于其自重轻, 符合安装/ 拆卸循环的要求, 还有其预期几乎为零的维护费用。
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12.5 m 跨度的桥梁组成, 每跨桥梁通行道路两边有高1.48 m 的桁架梁( 见图7)。桥梁总宽度为1.93 m, 梁间净宽度为1.50 m。每跨桥重1.65 t( FRP 材料1.2 t、桥面格栅0.3 t、钢支座及锚固件0.15 t), 可用直升机轻松移除和安装而无损伤(见图8)。该桥仅需要5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。
该桥根据瑞士结构规范SIA161(SIA1990) 按人行桥荷载设计, 需承受4 kN/ m2的均布荷载和1个10 kN 的集中荷载。另外, 根据规范, 相应于1790 m 海拔高度需要考虑9 kN/ m2的雪荷载, 此雪荷载将成为控制荷载。但是, 为了保证桥梁的通行, 积雪通常会被迅速清除, 所以根据桥梁所有者的要求, 设计假定雪荷载仅为1.2 kN/ m2, 此荷载只相当于30 cm 厚压实积雪。
2跨桥体的桁架节点分别使用锚固和粘接。锚固节点可看作为半固接, 具有很小的转动能力; 粘接节点则作为全固接节点, 无转动能力。粘接剂为环氧树脂, 粘接处复合材料表面的处理包括丙酮清洗和除污, 对表面层进行机械刮磨, 直至最上层纤维暴露出来, 随后重新清洗并除污。
因为粘接首次用于主要承载连接, 所以另加了备用螺栓作为安全储备。粘接本身具有足够的刚度, 螺栓不用担任荷载传递工作, 但螺栓仍然具有另外2 个用途: 粘接加工时便于节点固定; 抵消轻微预应力导致的剥离应力, 虽然预应力可能因为复合材料蠕变而在一段时间后消失。螺栓紧固过程中在紧固面放置间隔管, 防止管件压碎。
4 结 语
轻质复合材料桁架桥具有重量轻、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架设, 对场地的适应性强, 对于应急救灾的快速、机动具有重要的作用, 可为应急部门储备。
该轻质复合材料桁架桥也可用于永久桥梁的建设, 直接将工厂预制好的复合材料桁架桥运往桥址区进行吊装、架设即可, 无需复杂的施工机具, 施工周期短; 在峡谷等运输车辆通行不便的条件下, 也可将预制好的复合材料杆件运往桥址区后, 再进行桁架结构的拼装, 施工便捷。较传统混凝土桥、钢桥,复合材料桁架桥造价较低, 具有显著的优势与市场竞争力, 因而可用于人行桥、施工临时栈桥等, 具有广阔的应用前景。
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