拉挤玻璃钢主梁在混凝土桥面快速更换中的轻质结构体系研究与应用

《Infrastructures》：Pultruded GFRP Girders for the Replacement of Deteriorated Concrete Bridges Giuseppe Campione and Michele Fabio Granata

为解决因老化、钢筋锈蚀导致的短、中跨混凝土桥梁桥面板劣化问题，并寻求一种可充分利用原有桥墩和基础的快速更换方案，Giuseppe Campione和Michele Fabio Granata开展了基于拉挤玻璃钢(GFRP)主梁的轻质结构体系研究。通过初步设计和三维有限元数值模拟，他们评估了该体系的强度、适用性和可行性。研究表明，在梁高跨比1/10至1/6时，可将特征荷载下的最大挠度控制在L/300至L/400，适用于10-25米跨径。该方案显著降低了结构质量和地震需求，为在不加固下部结构的情况下实现桥面的快速、高效替换提供了可复制的设计框架和模块化施工策略。

　　

随着时间推移，许多钢筋混凝土桥梁，特别是那些邻近海洋或处于腐蚀性环境的桥梁，正遭受着日益严重的损伤，其中最突出的问题就是钢筋锈蚀。对于短、中跨桥梁而言，整个上部结构（即桥面板）的劣化尤为常见。当桥面损坏到无法修复时，通常的做法是将其更换。但传统的混凝土桥面沉重，施工周期长，且往往需要同时加固或更换桥墩、基础和支座，这不仅工程量大、成本高，还对交通造成长时间中断。有没有一种方法，能够像“换衣服”一样，在保留原有桥梁“骨架”（下部结构）的同时，快速、轻便地换上新的、更耐久的“外衣”（桥面）呢？

这正是发表于《Infrastructures》期刊上的一项研究所要探索的。该研究提出了一种创新的解决方案：利用拉挤成型的玻璃纤维增强聚合物(GFRP)主梁构建轻质桥面系统，用以替换那些老化的混凝土桥面。GFRP材料以其轻质、高强、耐腐蚀和易于快速施工安装而闻名。研究人员设想，如果能用一种比混凝土轻得多的GFRP桥面替换掉原有沉重的桥面，不仅能大大降低结构自重，减少对原有桥墩和基础的作用力，使其无需加固即可继续使用，还能显著加快更换速度，最小化交通中断。这在抗震地区尤其具有战略意义，因为降低的结构质量直接减小了地震需求。

为了验证这一设想的可行性和制定高效的设计方案，研究人员采取了两阶段研究策略。首先，基于现行的GFRP桥梁设计规范，对GFRP桁架桥面系统进行了初步设计，重点关注了主梁的强度、刚度、稳定性以及连接策略。接着，他们通过建立详细的三维有限元(3D FE)模型，对初步设计的方案进行了数值模拟分析，以精确评估其在永久荷载和可变交通荷载下的全局变形、荷载分布和应力状态，特别是构件间的相互作用和连接性能。

主要的研究技术方法包括：

1. 1.
   基于规范的结构设计方法：依据ASCE/SEI 74、CEN规范等最新GFRP桥梁设计标准和指南，对GFRP桁架构件的受拉、受压强度及局部屈曲承载力进行分析和验证，提出了针对压缩强度与弹性模量之间的经验关系式。
2. 2.
   三维有限元数值模拟：构建了详细的3D有限元模型，模拟GFRP桥面系统在实际荷载下的整体行为，评估其变形、应力分布以及荷载传递机制，为初步设计提供了精细化验证。
3. 3.
   实验数据关联与对比分析：收集和整理了来自Yang et al.、Zhu et al.、Higgoda et al.、Chen et al.等多篇文献中的GFRP桁架结构实验数据，将其与解析设计方法和数值模拟结果进行对比，以验证所提设计方法的可靠性。

研究结果

1. 强度与局部屈曲设计：研究比较了Eurocomp、ASCE/SEI 74和AASHTO等规范中关于圆形空心截面(GFRP)受压构件临界应力的计算公式。通过对大量实验数据的拟合，提出了一种新的、与实验数据吻合更好的压缩强度经验公式：。该公式表明压缩强度_m与纵向压缩弹性模量₁存在直接关系，为初步设计提供了简便估算依据。

2. 挠度与高跨比关系：通过数值分析发现，在特征荷载组合下，当GFRP主梁的深度与跨径之比在1/10到1/6之间时，其最大挠度可被限制在约L/300至L/400的范围内。这一挠度限值满足多数公路桥梁的适用性要求。

3. 高效跨径范围：研究确定了所提出的GFRP桁架桥面系统在强度和适用性方面具有较高效率的跨径范围为10米至25米。这覆盖了短、中跨桥梁的主要应用场景。

4. 连接策略的重要性：研究强调连接（无论是螺栓连接还是粘结连接）是整个GFRP结构体系中的最薄弱环节。分析指出，螺栓连接会因钻孔引入应力集中而显著降低承载力，而粘结连接则可能面临脱粘、剥离等问题。因此，连接设计是确保结构整体性能和施工便利性的关键。

5. 轻量化的优势：研究证实，与传统的混凝土桥面相比，GFRP桥面系统的重量显著降低。这种自重的减轻不仅使得现场吊装和施工更为便捷，无需重型设备，更重要的是，它降低了下部结构（桥墩、基础和支座）所承受的水平力和地震需求，从而使得在不进行加固的情况下继续使用原有下部结构成为可能。

研究结论与意义

本研究系统性地提出并验证了一种基于拉挤GFRP主梁的轻质桥面系统，用于快速更换损坏的混凝土桥面。该方案的核心优势在于“轻、快、省”：

• •
  结论1：所提出的GFRP桥面系统是技术可行的。在合理的截面比例（高跨比1/10-1/6）和跨径范围（10-25m）内，其强度和刚度（挠度控制）能够满足公路桥梁的严格要求。
• •
  结论2：该方案具有显著的结构和施工优势。GFRP材料的轻质性大大降低了结构自重，这不仅减少了下部结构的内力，使其在大多数情况下无需加固，还简化了施工，缩短了工期，能实现桥面的快速替换，对交通影响小。
• •
  结论3：研究为工程实践提供了实用的设计框架。通过整合初步解析设计和详细三维有限元分析的两阶段方法，并结合对现有实验数据的总结，研究提出了针对GFRP桁架构件强度和稳定性的设计建议，并强调了连接设计的至关重要性。这为类似项目的推广和应用提供了可复制的技术路径。

这项研究的重要意义在于，它将GFRP桥梁的应用从目前主流的、荷载较轻的人行桥领域，成功拓展至荷载要求更严格的公路桥领域。它为解决全球范围内大量老旧混凝土桥梁的维护和更新难题，提供了一种创新、高效且经济的替代方案。通过“保留旧基础，更换新桥面”的策略，该研究不仅延长了既有桥梁基础设施的使用寿命，还为实现可持续、低影响的交通基础设施更新开辟了新的道路。