彎曲拉擠型材及橋梁

2020-12-08 騰訊網

　　彎曲拉擠型材橋梁（20m）

　　清華大學土木工程系馮鵬教授課題組近期開展了一項全複合材料彎曲拉擠型材橋梁車載試驗。這是一座利用彎曲拉擠成型技術製成的20m全複合材料橋梁。總重7.3噸，其質量僅為尺寸相同鋼橋的1/3-1/4。

　　從複合材料拉擠型材出現開始，由於其直線式的生產工藝特性，難以做出彎曲的拉擠型材。近年來，業界通過不斷地嘗試和改進拉擠生產工藝，終於實現了比較穩定且連續的彎曲拉擠成型構件的生產。

　　什麼是彎曲拉擠成型技術呢？

　　首先

　　我們來了解一下複合材料

　　平直杆件

　　拉擠型材生產工藝

　　01

　　複合材料拉擠型材

　　複合材料拉擠型材( Pultruded Fiber Reinforced Polymer)是複合材料中的一種類別，它是由增強纖維和樹脂基體通過一定比例混合合成的。生產工藝是將纖維束或纖維織物通過紗架連續餵入，經過一個樹脂膠槽將纖維浸漬，再穿過熱成型磨具後進入拉引機構，形成連續的FRP製品。

　　常規直線拉擠生產工藝

　　（From：Strongwell.com）

　　拉擠型材生產車間

　　常規截面拉擠型材

　　拉擠成型工藝的發展

　　目前國內外對於常規截面平直杆件的生產製造已經基本成熟，並且能夠滿足現行產品標準的相關要求，逐漸開始向異型截面發展，以適應現代結構和外形多元化設計的需求。

　　異型截面拉擠型材

　　以上拉擠型材均為等截面平直杆件，截面與壁厚相對較小。在拉擠成型生產工藝中，隨著構件截面尺寸和厚度增大，容易加劇固化不穩定或局部固化、纖維裸露表面起毛、裂紋增多、構件扭曲變形等問題，使大截面拉擠型材的生產存在很大的技術難度。而模具成型和直線拉擠的生產線的限制，幾乎沒有彎曲拉擠型材。

　　02

　　化直為曲的彎曲拉擠成型技術

　　彎曲拉擠成型技術在常規直線拉擠生產工藝的基礎上，模具進行起弧處理，在兩個牽引頭之間樹脂未完全固化階段設置滾筒，並通過兩個牽引頭的夾角實現連續的曲線生產軌跡，工藝示意如下圖：

　　彎曲拉擠工藝示意圖

　　03

　　彎曲拉擠型材特性

　　彎曲拉擠型材具備常規拉擠型材輕質高強、耐腐蝕等性能的同時，還豐富了複合材料拉擠型材構件形式，增強了造型和截面的可設計性。經過對彎曲拉擠型材樣品的原位取樣試驗驗證結果，得到彎曲拉擠型材纖維含量高達72.5%，其拉擠方向（縱向）拉伸強度超過700MPa，橫向拉伸強度約為60MPa。基本力學性能指標穩定且高於常規拉擠型材杆件。

　　如果說

　　從直線拉擠型材到曲線拉擠型材

　　是一種技術革命，

　　那麼

　　彎曲拉擠型材與橋梁的結合

　　又會有怎樣的火花呢？

　　04

　　彎曲拉擠橋梁的特點

　　1.結構設計方面

　　複合材料拉擠型材強度高，模量低，結構設計中基本以撓度控制，承載力儲備充足，卻也無法充分發揮拉擠型材性能。

　　彎曲拉擠型材橋梁承載力富餘的前提下，相當於預起拱，即根據彎曲拉擠型材在結構中所受上部荷載作用下產生的撓度，在生產階段進行相應的拉擠型材彎曲曲率設計，預留與撓度方向相反的起拱高度。

　　在結構設計方面將原本由撓度主要控制轉化成承載力控制，充分發揮材料力學性能的同時，還可以實現更大跨度的設計。

　　2. 其他特點

　　輕質高強

　　耐腐蝕性好，後期維護方便

　　造型美觀，形式可設計性

　　生產效率高，裝配式結構

　　施工方便，工期短，對交通和環境影響較小

　　05

　　彎曲拉擠橋梁車載試驗

　　20m彎曲拉擠橋梁車載試驗

　　該彎曲拉擠型材橋梁採用多室箱梁結構，由11個彎曲拉擠的工字形曲梁通過螺栓並聯腹板拼裝而成。腹板厚15mm，翼緣厚10mm。

　　測試前，每輛叉車提前進行空車過磅稱重，按照均布荷載計算值7kN/m2，總承重30.9T進行加載。從實際橋面空間角度看，最多可容納206人，而此次加載相當於500人同時站在人行橋面上，並於卸載後撓度恢復至初始狀態。

　　06

　　拉擠曲梁相關力學性能

　　1. 拉擠曲梁彎曲性能試驗

　　12m曲梁彎曲性能試驗

　　測試結果：12m跨度拉擠曲梁在簡支邊界條件下採用三點彎加載方式，發現彎曲拉擠曲梁具備良好的變形能力，得到跨中豎向極限承載力均值為582.7kN，撓度可達到217mm。

　　2. 有限元模擬

　　使用有限元軟體對彎曲拉擠構件進行彈性階段的模擬，可較好的預測不同荷載下組合截面構件的變形。

　　07

　　拉擠型材橋梁工程案例

　　茅以升公益橋

　　在2012年6月，重慶市彭水苗族土家族自治縣太原鄉落成了國內第一座「茅以升公益橋」，解決了貧困山區400多名小學生和3000多村民出行困難，該橋由清華大學主要參與設計，除節點採用鋼螺栓連接，其餘全部構件均為複合材料，這也是中國第一座全複合材料桁架橋。

　　全國首座全複合材料桁架橋

　　（右圖為馮鵬教授在竣工典禮致辭）

　　拉擠型材-混凝土組合梁橋

　　建造時間：2010年

　　結構形式：系杆拱

　　跨度：8.9+26.7+8.9m

　　結構形式：單塔斜拉橋

　　跨度：8+16m

　　拉擠型材人行橋

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