混合FRP-混凝土-钢双壁管式桁架桥：设计、施工与试验
Hybrid FRP-concrete-steel double-skin tubular truss bridge: design, construction and testing
摘要整理
纤维增强复合材料（FRP）因其高强度重量比、优异的耐腐蚀性和形状灵活性等优势，在建筑工程中应用日益广泛。混合结构通过将FRP与钢、混凝土等传统材料结合，可实现高性能与经济性的统一。本研究基于双壁管式柱（DSTC）概念，开发了一种新型混合双壁管式桁架（DSTT）桥梁体系，由轻质双壁管式拱（DSTA）、双壁管式柱和双壁管式梁（DSTB）组成，配合轻质复合甲板系统。 首先，对含硅灰的FRP约束超高强混凝土（UHSC）柱进行了18组轴压试验，研究了未约束混凝土强度和FRP层数的影响。结果表明，约束UHSC的轴应力-应变曲线呈双线性特征，现有设计模型能较好预测其应力-应变行为。其次，进行了中等规模DSTA试验，研究了FRP管厚度、钢管位置（同心/偏心）和加载方式的影响。试验表明DSTA的承载能力明显高于等截面钢筋混凝土拱，且具有良好的延性。同心钢管位置最优，使拱轴弯矩在正负弯矩间变化。采用OpenSees软件进行了数值模拟，纤维梁柱单元能准确预测DSTA在极限荷载前的性能。 基于试验和理论研究，设计了12.5 m跨度单线铁路DSTT桥。设计采用FRP约束混凝土柱的现有方法，并针对双壁管式构件进行了适当调整。对DSTA和DSTC采用非均匀约束混凝土应力-应变模型，对DSTB忽略约束效应。采用有限元分析确定桥接处应力，用于GFRP包裹设计。 施工采用分段法进行。钢构件焊接后插入GFRP管，段间通过焊接连接。GFRP管采用预浸料（Pre-preg）和湿铺工艺两种方式连接，Pre-preg系统易于施工但需加热固化，湿铺系统难度大但无需加热。混凝土分两阶段浇筑，流动性良好，无明显气孔。 试验中，DSTT桥加载至2.2 MN（设计使用荷载的78.9%），荷载-跨中挠度呈线性弹性。钢管应变测量表明钢材利用率仅为屈服强度的30%，反映设计的保守性。单根DSTT加载至破坏，极限荷载明显高于设计值。数值模型准确捕捉了全局荷载-挠度行为，但对接处复杂应力状态的模拟精度不足。研究提出了DSTT桥设计方法和数值模型，为后续优化设计奠定基础。