FRP復(fù)合材料在橋梁中的應(yīng)用

林 茂

(天津城建設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300122)

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FRP復(fù)合材料在橋梁中的應(yīng)用

林 茂

(天津城建設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300122)

介紹了FRP復(fù)合材料在橋梁加固、修復(fù)及改造中的發(fā)展應(yīng)用歷程，并從FRP預(yù)應(yīng)力筋、FRP索、FRP組合結(jié)構(gòu)等角度，闡述了FRP復(fù)合材料在新建橋梁中的應(yīng)用現(xiàn)狀，探討了該材料的防火與耐久性問題，指出FRP復(fù)合材料具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。

FRP復(fù)合材料，橋梁，F(xiàn)RP組合結(jié)構(gòu)，耐久性

1 概述

FRP纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Fiber Reinforced Plastic，簡稱“FRP”)應(yīng)用于橋梁工程中具有眾多優(yōu)勢，如：自重輕，恒載小，相對承載力高；可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，適合于工廠預(yù)制；抗腐蝕能力強(qiáng)；耐超載；易安裝，施工快捷，運(yùn)輸方便；GFRP具有透波、無磁、絕緣等功能特性，CFRP則有無磁、低電阻等功能特性等。

近年來，F(xiàn)RP 加工成型技術(shù)快速發(fā)展，拉擠、纏繞、RTM(樹脂傳遞模塑)、真空導(dǎo)入等工業(yè)化成型工藝可制造尺寸較大的、具有穩(wěn)定性能的標(biāo)準(zhǔn)化FRP 構(gòu)件，為FRP橋梁大量應(yīng)用提供了基礎(chǔ)條件。

FRP復(fù)合材料最早應(yīng)用于橋梁加固、改造工程，隨著對材料研究的深入以及材料價(jià)格的降低，已開始應(yīng)用于新建橋梁的主要受力部位。

2 FRP在橋梁加固、修復(fù)和改造中的應(yīng)用

20世紀(jì)80年代中期，瑞士和德國開始采用CFRP加固橋墩和梁體，美國北嶺地震、日本阪神地震以后，人們開始認(rèn)識到采用FRP材料加固受損橋梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性，由此，該項(xiàng)技術(shù)得到大規(guī)模推廣應(yīng)用，隨后，美日歐等國先后頒布了FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范。

位于美國緬因州布斯灣的Knickerbocker大橋(如圖1所示)全長165 m，于2010年進(jìn)行改造，加固工程規(guī)模龐大，其中，橫梁外殼由FRP材料構(gòu)成，內(nèi)部填充混凝土，外殼的重量僅為鋼的1/3、混凝土的1/10，便于運(yùn)輸及快速架設(shè)，且壽命更長，價(jià)格卻與混凝土橫梁基本相同。

3 FRP在新建橋梁中的應(yīng)用

目前，F(xiàn)RP材料已成功應(yīng)用于新建橋梁的主要受力部位，包括FRP預(yù)應(yīng)力筋、FRP索以及FRP橋板、FRP組合梁等。

3.1 FRP預(yù)應(yīng)力筋和FRP索

將多股連續(xù)纖維以環(huán)氧樹脂作為基底材料進(jìn)行膠合即得到FRP預(yù)應(yīng)力筋，經(jīng)過特制的模具擠壓、拉拔成型后，其強(qiáng)度約為普通鋼筋的6倍，重量為普通鋼筋的1/5，且具有高強(qiáng)、輕質(zhì)、耐腐蝕性強(qiáng)、低松弛、抗疲勞、非磁性等諸多優(yōu)點(diǎn)，可避免預(yù)應(yīng)力筋銹蝕對結(jié)構(gòu)帶來的損傷，降低結(jié)構(gòu)的全壽命成本，同時(shí)還可應(yīng)用于無磁環(huán)境要求的特殊工程。日本是第一個(gè)在混凝土橋中應(yīng)用CFRP和AFRP預(yù)應(yīng)力筋的國家。

將連續(xù)的長纖維單向編織成繩索狀，再用樹脂浸潤固化即得到FRP索，隨著大跨橋梁技術(shù)的進(jìn)步，F(xiàn)RP纜索開始被研究人員所重視。目前工程中多采用CFRP替代傳統(tǒng)的鋼材用作斜拉橋拉索。1996年，瑞士Stork公路斜拉橋首次將CFRP材料的斜拉索應(yīng)用于實(shí)際工程。

3.2 FRP拉擠型材結(jié)構(gòu)

FRP拉擠型材成型種類豐富，單向受力性能優(yōu)異，F(xiàn)RP構(gòu)件之間可通過螺栓連接或者粘結(jié)、榫接。1992年，蘇格蘭建成第一座全FRP材料的人行斜拉橋——Aberfeldy橋(如圖2所示)，橋梁主跨63 m，寬2.2 m，主塔、主梁、橋面板、欄桿均采用GFRP拉擠型材，AFRP斜拉索外裹聚乙烯保護(hù)，較傳統(tǒng)混凝土斜拉橋、鋼斜拉橋費(fèi)用大大降低，且至少20年免維修，這座橋的成功應(yīng)用大大推動(dòng)了FRP大跨橋梁的研究。隨后，美國、日本、俄羅斯、西班牙等十余個(gè)國家相繼開始建設(shè)全FRP橋梁。俄羅斯的阿普泰克公司自2004年至今已經(jīng)建設(shè)了十五座全FRP橋梁。而瑞士Pontresina的一座全FRP桁架橋修建于1997年，目前已經(jīng)正常使用了近20年。

隨著拉擠工藝的進(jìn)步與發(fā)展，批量化快速生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定的大截面高性能結(jié)構(gòu)型材成為可能，我國于2002年在重慶市修建了一座全FRP材料的桁架橋梁——茅以升公益橋，橋長20 m，寬2 m。

3.3 FRP組合結(jié)構(gòu)

為充分發(fā)揮FRP材料輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)一步提高材料利用率，將FRP材料和其他傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料如混凝土、鋼材等，通過一定的方式組合起來形成FRP組合結(jié)構(gòu)。目前，橋梁工程中常見的FRP組合結(jié)構(gòu)主要有FRP與混凝土組合結(jié)構(gòu)、FRP與鋼材組合結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在研究與應(yīng)用領(lǐng)域出現(xiàn)的FRP與混凝土組合結(jié)構(gòu)主要有FRP約束混凝土、FRP—混凝土組合梁、FRP橋面板等幾種形式。我國于2010年建成的大廣高速6號橋，橋跨布置為(20+4×25+20)m，全寬8 m，是FRP組合結(jié)構(gòu)首次應(yīng)用于公路橋梁的主梁部位。

4 FRP附屬及裝飾結(jié)構(gòu)

FRP復(fù)合材料應(yīng)用于橋梁附屬結(jié)構(gòu)如欄桿、人行道板時(shí)可大大降低結(jié)構(gòu)重量，減少工程造價(jià)，尤其在懸索橋這一類纜索承重橋梁中具有較強(qiáng)的競爭力，圖3為FRP材料的人行道板應(yīng)用于斜拉橋上。

FRP材料比較容易做成各種造型，同時(shí)耐久性也比較好，常被用于橋梁裝飾結(jié)構(gòu)，如北京某橋梁結(jié)構(gòu)的外部裝飾(如圖4所示)。

5 FRP材料防火問題

FRP材料的防火問題一直是橋梁設(shè)計(jì)師關(guān)心的問題，樹脂材料本身不可燃，但高溫會(huì)影響樹脂的力學(xué)性能，可通過樹脂改性提高其耐高溫性能。試驗(yàn)研究表明，F(xiàn)RP試件在60 ℃～90 ℃環(huán)境下仍具有較高的承載力。一般情況下，路面防火通過在FRP橋面板上面鋪裝混凝土表面層進(jìn)行防護(hù)，F(xiàn)RP構(gòu)件表面涂覆防火涂層。橋下火災(zāi)通過設(shè)置防火隔離層進(jìn)行防護(hù)。同時(shí)，在施工過程中需避免明火。

6 FRP材料耐久性問題

FRP材料的耐久性問題包括徐變、紫外線老化、耐鹽、耐凍、耐酸堿等等方面，而在以上所述的耐久性問題當(dāng)中徐變最為重要。

清華大學(xué)教授曾對以上FRP材料耐久性問題進(jìn)行試驗(yàn)研究，為期三年的FRP橋板徐變試驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)RP橋梁在長期荷載作用下徐變較顯著，需通過設(shè)置預(yù)拱度等方式消除徐變撓度。紫外老化對于FRP橋梁長期性能具有一定影響，可通過設(shè)置最小構(gòu)件厚度進(jìn)行控制，并通過設(shè)計(jì)涂層進(jìn)行防護(hù)。酸堿鹽等化學(xué)介質(zhì)中，只有堿對玻璃纖維有所影響，可通過富樹脂層隔離，其余化學(xué)介質(zhì)均無顯著影響。

7 結(jié)語

2010年，清華大學(xué)教授曾組織對國際土木工程復(fù)合材料學(xué)會(huì)會(huì)員進(jìn)行調(diào)查，其中，88%的會(huì)員認(rèn)為FRP橋梁是目前最重要的研究方向。FRP復(fù)合材料構(gòu)件的材料費(fèi)和施工費(fèi)目前高于傳統(tǒng)材料，但其具有的輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕的優(yōu)點(diǎn)使其全壽命成本較低，具有較強(qiáng)的推廣價(jià)值及廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 馮 鵬.復(fù)合材料在土木工程中的發(fā)展與應(yīng)用[J].玻璃鋼/復(fù)合材料，2014(9)：99.

[2] 湯洪雁，王秀艷.FRP復(fù)合材料在橋梁工程中的應(yīng)用與發(fā)展[J].城市道橋與防洪,2016(3)：182-183.

Application of FRP composite material in bridge

Lin Mao

(TianjinCityConstructionDesignInstituteCo.,Ltd,Tianjin300122,China)

The paper introduces the development application history of FRP composite material in bridge reinforcement, maintenance and transformation, describes its application status in newly-built bridge from aspects of FRP prestressed reinforcement, FRP cable and FRP composite structure, explores its firefighting and durability problems, and finally points out advantages of FRP composite material, such as light quality, high strength and corrosion resistance.

FRP composite material, bridge, FRP composite structure, durability

1009-6825(2016)20-0105-02

2016-05-09

林 茂(1979- )，男，高級工程師

TU528.043

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