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從上世紀 70 年代開始，F(xiàn)RP 就開始在橋梁工程中嘗試應(yīng)用。英國、美國和以色列先應(yīng)用這種新型材料作為建筑結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)中的主要構(gòu)件。70 年代后期，我國也開始對GFRP 橋梁進行研究。當(dāng)時大多采用的是FRP。1982 年，北京密云建成了跨徑20.7 米、寬9.2 米的GFRP 簡支蜂窩箱梁公路橋，為上座FRP 車行橋，證明了FRP 作為承重構(gòu)件的可行性。1986 年，重慶建成一座FRP 斜拉人行橋，推動了FRP 用于大跨度橋梁的應(yīng)用。
近年來，隨著FRP 在結(jié)構(gòu)工程中被逐漸接受，F(xiàn)RP 在橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用迅速發(fā)展，各地有各種結(jié)構(gòu)形式的FRP 橋梁相繼建成，目前已經(jīng)超過100 座，例如：1992 年在英國蘇格蘭建成的Aberfeldy 人行橋為全FRP 斜拉橋；2001 年在西班牙建成的 Lleida 橋為拱橋；2001 年在英國建成的Halgavor 橋為懸索橋；美國的Clear Crack 橋為FRP 型材梁橋；2004 年西班牙建成的Asturias 橋為FRP 箱梁混凝土組合梁橋，在這些應(yīng)用中FRP橋施工速度快、重量輕、耐腐蝕性好、易于維護等優(yōu)點得到了很好地體現(xiàn)。因此，在北京某跨路的人行天橋中擬采用FRP 結(jié)構(gòu)，進行工程的試點。
雖然 FRP 材料強度較高，設(shè)計中強度容易滿足，而FRP 的彈性模量相對較小，尤其是GFRP，在跨度較大的人行橋中主要為橋梁跨中變形控制。此外，人行天橋需要滿足行人舒適度的要求，主要為對豎向振動頻率的控制。本文根據(jù)設(shè)計要求，對箱梁方案和吊橋方案進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過有限元分析對結(jié)構(gòu)變形和自振頻率進行分析計算，并依此對結(jié)構(gòu)方案進行優(yōu)化。
1、設(shè)計條件
此工程為過街人行天橋，位于北京市某郊區(qū)中心地帶，周圍為現(xiàn)代化商業(yè)中心。跨越雙向六車道和綠化帶，以及兩側(cè)非機動車道，全橋總長46.45m，根據(jù)使用要求，不能設(shè)柱，在機動車道與非機動車道隔離帶處可以設(shè)柱，因此此橋共3 跨，中跨較大，為28m，兩邊跨為8.2m 和8.25m。由于此橋位于商業(yè)集中地區(qū)，甲方要求此橋具有較好的外觀，能起到一定的景觀效果，形成當(dāng)?shù)氐臉酥拘跃坝^。同時希望經(jīng)濟、可靠，在施工階段對主路的交通影響小。
結(jié)構(gòu)設(shè)計條件根據(jù)《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》(CJJ69-95)中規(guī)定確定，取人群荷載按5kN/m2；結(jié)構(gòu)的變形控制為人群荷載作用下的跨中大豎向撓度不超過L/600 ( L 為計算跨徑)；同時為保證通行的舒適性，要求上部結(jié)構(gòu)豎向自振頻率不小于3Hz。
方案1：連續(xù)梁橋
在概念設(shè)計階段，提出了兩個設(shè)計方案，分別采用 FRP 進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。
1.1 設(shè)計方案
方案 1 為連續(xù)梁橋，橋墩采用混凝土材料，橋面體系采用GFRP。下部為主梁，表面為光滑曲線；上部為金屬質(zhì)感圍護和裝飾結(jié)構(gòu)，從一側(cè)開放通透過渡到另一側(cè)虛實結(jié)合；墩柱采用V 字型，體現(xiàn)現(xiàn)代感。建成的效果圖橋梁風(fēng)格獨具匠心，橋面裝飾旨在營造動感的時空隧道。
主梁采用GFRP-混凝土組合箱形梁，橫縱截面如圖6 所示。橋面寬4m，中間3 個腹板高900mm，外側(cè)兩腹板高300mm。箱形截面采用12mm 厚拉擠GFRP 板拼裝，通過拉擠角件粘接。上翼緣和腹板采用一層拉擠板，下翼緣由兩層拉擠板粘貼。箱梁下表面粘貼1 層0.167mm 厚CFRP。沿跨度方向每4m間距設(shè)置橫向加勁肋防止GFRP 板局部失穩(wěn)，橫向加勁肋采用和腹板相同材料。為了增加截面剛度，在GFRP 箱形梁上鋪設(shè)80mm 厚C30 輕骨料混凝土?；炷梁拖湫瘟褐g的剪力通過圖6 中所示的剪力連接件傳遞，剪力連接件采用拉擠工型GFRP?；炷翆又邪礃?gòu)造配φ8-300 鋼筋。由圖6 可以看到，為獲得足夠的剛度，橋面體系截面高度較大。