GFRP材料在热力管道桥上的应用

鲁玉忠 黄毅 孟江

黄河勘测规划设计研究院有限公司 郑州450003

引言

近几年，我国城镇化进程加快，城市配套管线过河问题引起各方关注。一般市政管线依桥敷设或单独架设管道桥。对于较大直径热力管道依桥敷设或采用独立的钢桁架敷设，不但增加桥梁本身结构自重、增加投资，而且热力管道在桥上敷设还存在一定安全隐患，同时也影响城市景观。

FRP［1］是一种以高分子环氧树脂为基材，经一定工艺复合而成的复合材料。FRP材料在建筑领域国外早于国内，主要用于锚杆、混凝土结构受力筋，鲜有在桥梁拉索上的应用。

FRP质量密度仅为钢材的1/4，FRP桁架自重更轻，运输和架设难度更小；FRP型材具有高于钢材的抗腐蚀性能，能够保证长期使用的可靠性和提高结构的安全性，降低维护运营成本；FRP型材可以根据需要生产出不同颜色，保证耐久性同时增强了桥梁的景观效果。

1 工程概况

D529蒸汽管道是漯河市工业重要热源主干管，压力1.6MPa、温度250℃。根据规划管道过河与解放路沙河桥桥位共用线位。从安全、防洪、航运、工期、投资、景观等多方面论证，确定热力管道桥与沙河桥分幅设计、共用桥墩的方案。桥梁跨径组成为45m+45m+50m+50m+35m+35m，热力管道桁架横断面如图1所示。

2 桁架材料选用

管道桥与沙河桥共用桥墩，需要严格控制桥梁的自重。如采用钢材作为桁架，投资高、施工难度大、工期长及后期养护成本高。FRP材料其密度远低于钢材，且轻质、高强、耐腐蚀，这些特点使得该种材料非常适合本项目管道桥结构。随着FRP材料加工工艺和加工技术的发展，各种类型的纤维增强复合材料也开始在土木工程中得到了越来越广泛的应用。在工程领域，常见的纤维种类主要包括碳纤维（CFRP）、玻璃纤维（GFRP）、纺纶纤维（AFRP）以及其他各种纤维等。各材料应力-应变关系曲线如图2所示。各材料力学性能见表1。

图1 热力管道桁架横断面Fig.1 Cross section of heat pipeline truss

图2 FRP材料与钢材的应力-应变曲线Fig.2 Stress-strain curve of FRP material and steel

表1 桁架主要材料力学性能Tab.1 Mechanical properties of main materials of trusses

通过材料多方面综合性能指标的比选，GRFP材料具有较多的优势，是热力管道桥结构的合适选材。

同时对相同桥梁跨径组合下，钢桁架桥与GFRP桁架桥桥型方案进行比选，见表2。GFRP桁架桥除自重轻外，梁宽、梁高、养护、投资、工期等均具有优势。

表2 桥型方案比选Tab.2 Comparison and selection of bridge schemes

3 设计技术标准

3.1 设计安全等级

一级，结构重要性系数1.1。

3.2 设计荷载

GFRP自重按19kN/m3计算，钢材自重按78.5kN/m3计算。温度荷载按整体升温36℃，整体降温24℃，不考虑温度梯度影响。管道横向风力为3.04kN/m，桁架横向风力为（0.87+0.44）kN/m。

蒸汽管道试压状态按照400kg/m（试水管道350kg/m+施工荷载50kg/m）荷载计算，正常运营状态按照195kg/m（运营管道145kg/m+维护荷载50kg/m）荷载计算［2］。支座不均匀沉降按桥墩沉降5mm考虑。

4 主要材料指标

管道桥的上下弦杆、腹杆、管道支座采用GFRP型材。根据武汉理工大学复合材料结构检测实验室对GFRP拉挤型材成品力学性能指标进行检测结果，并考虑2.0的安全系数，GFRP主要力学指标见表3。

表3 GFRP主要力学指标Tab.3 Main mechanical indexes of GFRP

5 结构设计与计算

5.1 几何模型

蒸汽管道桥采用梁高1.95m的GFRP桁架结构，结构分析采用空间杆系通用有限元软件MIDAS7.80进行计算［3］，全桥共离散为2819个空间杆系单元，1431个节点。计算模型见图3。在桥台处设置5个固定支座，将管道固定在墩、台帽；管道底与桁架间每约3m设置活动支座及定向支座，全桥设置活动支座68个、定向支座8个。

图3 蒸汽管道桥有限元计算模型Fig.3 Finite element calculation model of steam pipeline bridge

5.2 计算结果

（1）杆件内力

杆件轴力见表4。

表4 杆件轴力（单位：kN）Tab.4 Axial force of rods（unit：kN）

（2）杆件应力

杆件应力见表5。

（3）整体稳定

试压工况下各模态临界系数统计见表6。

6 成桥试验与检测

选取的试验区域为管道桥第四跨（5号墩至6号墩轴线之间），选择的检测桥梁段跨长为50m。测点布置见图4。检测单位对管道安装过程中及成桥后的桁架挠度进行了测量，挠度实测值与理论计算值对比见表7。

表5 杆件应力（单位：MPa）Tab.5 Rod stress（unit：MPa）

表6 模态临界系数Tab.6 Modal critical coefficients

图4 检测点布置示意（单位：mm）Fig.4 Schematic diagram of detection point layout（unit：mm）

表7 竖向挠度Tab.7 Vertical deflection

7 结语

GFRP材料在桁架桥上的应用为市政管线跨越河流提供了很好的解决方案。本工程2016年12月建成运营，为同类型工程设计积累了宝贵的经验。