纖維增強復(fù)合材料橋梁結(jié)構(gòu)2019年度研究進展

葉華文 唐詩晴 段智超 楊哲 冉川

摘 要：纖維增強復(fù)合材料（FRP）因其卓越性能適應(yīng)現(xiàn)代橋梁結(jié)構(gòu)大跨、輕質(zhì)、耐久的發(fā)展需求，近年來被廣泛應(yīng)用于橋梁工程。為促進復(fù)合材料橋梁領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計的發(fā)展，從FRP材料性能、構(gòu)件和橋梁結(jié)構(gòu)3個層次對近年來FRP在橋梁工程中的研究和應(yīng)用進行回顧，闡述FRP材料結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計理念，并對FRP材料在橋梁加固、組合構(gòu)件、全橋結(jié)構(gòu)等方面的相關(guān)研究進行總結(jié)與評述。結(jié)果表明：現(xiàn)階段橋梁用FRP仍局限于舊橋加固，新建大跨橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)用潛力巨大，需提高材料的力學(xué)性能、降低成本、制定產(chǎn)品質(zhì)量檢測標準，建立材料結(jié)構(gòu)一體化的設(shè)計、施工、監(jiān)測規(guī)范體系和工程應(yīng)用模式。

關(guān)鍵詞：纖維增強復(fù)合材料;復(fù)合材料橋梁;橋梁加固;組合構(gòu)件;材料結(jié)構(gòu)一體化

中圖分類號：U444 ? 文獻標志碼：R ? 文章編號：2096-6717（2020）05-0192-09

收稿日期：2020-04-14

基金項目：國家自然科學(xué)基金（51208430）

作者簡介：葉華文（1982- ）男，博士，副教授，主要從事鋼橋疲勞行為研究，E-mail：hbha2000@163.com。

Received：2020-04-14

Foundation item：National Natural Science Foundation of China （No. 51208430）

Author brief：Ye Huawen （1982- ）， PhD， associate professor， main research interest： fatigue behavior of steel bridge， E-mail： hbha2000@163.com.

Abstract： Fiber-reinforced polymer（FRP） has been widely used in modern bridge engineering in recent years due to the excellent material properties that can adapt to the development needs of modern bridge structures towards large spans， light weight， and durability. In order to promote the development of structural forms and designs in the field of bridges using composite materials， this article reviews the research and application of FRP in bridge engineering in recent years from three levels of FRP material properties， structural components and bridge structures. The design concept of FRP material-structure integration is elaborated in detail， and the relevant research of FRP materials in bridge reinforcements， composite components and bridge structures are summarized and commented.The results show that， the current application of FRP in bridge engineering is still limited in the rehibitation and has great potentials in implementing long-span bridges. It is necessary to improve FRP performance and reduce costs as well as formulate product quality inspection standards. Moreover，systematic codes and engineering applications should be established for design， construction and monitor based on the material-structure integration.

Keywords：fiber-reinforced polymer; composite bridges; bridge strengthening; composite component; material-structure integration

復(fù)合材料是以樹脂、橡膠、陶瓷、水泥和金屬等基體為連續(xù)相，以剛性粒塊和纖維等增強體為分散相，通過適當?shù)闹苽浞椒▽⒃鰪婓w均勻性地分散于基體材料中，形成一個綜合性能優(yōu)于任一單一成分的復(fù)合體系。應(yīng)用復(fù)合材料的歷史源遠流長，人類最先采用的天然有機復(fù)合材料木材和竹材，即由纖維素纖維（提供抗拉強度）和基質(zhì)（提供抗壓強度）組成。在黏土中加入稻草或秸稈曬制或燒制磚塊是人類有意識設(shè)計和使用復(fù)合材料的開始，在此基礎(chǔ)上發(fā)展到今天隨處可見的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。20世紀40年代，隨著玻璃纖維增強塑料（俗稱玻璃鋼）的出現(xiàn)，正式有了復(fù)合材料（Composite Material）這一名稱，復(fù)合材料隨之得到飛速發(fā)展，如圖1所示。后來陸續(xù)出現(xiàn)了高強度、高模量纖維與合成樹脂、碳、石墨、陶瓷、橡膠等非金屬基體或鋁、鎂、鈦等金屬基體復(fù)合，構(gòu)成各具特色的復(fù)合材料，在航空航天、艦船、建筑等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。航空航天領(lǐng)域已經(jīng)形成了較完整的復(fù)合材料工業(yè)體系，波音787機體重量的50%為碳纖維制造[1]，如圖2所示?？湛惋w機的復(fù)合材料使用量也在逐年快速增加。由于采用了材料結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計理念，如圖3所示，應(yīng)用復(fù)合材料的飛機在材料、制造和運營過程中具有超過傳統(tǒng)飛機的商業(yè)競爭力和廣闊的應(yīng)用前景。

纖維增強復(fù)合材料的推廣與普及為橋梁工程提供了新的發(fā)展方向和更大的創(chuàng)新空間，現(xiàn)階段橋梁工程常用的復(fù)合材料主要是樹脂基的纖維增強聚合物（Fiber Reinforced Polymer，F(xiàn)RP），包括玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維及玄武巖纖維等增強聚合物，F(xiàn)RP材料適應(yīng)了現(xiàn)代橋梁結(jié)構(gòu)大跨、輕質(zhì)、耐久的需求，成為砌體、混凝土和鋼材等傳統(tǒng)建筑材料之外的重要工程材料。根據(jù)其組成特點，F(xiàn)RP的強度、彈性模量、耐久性和特殊功能等關(guān)鍵材料性能方面可根據(jù)需要進行設(shè)計，這是傳統(tǒng)的混凝土和鋼材難以比擬的。因此，復(fù)合材料橋梁給橋梁結(jié)構(gòu)的新形式和新設(shè)計理念提供了機會，也給現(xiàn)有工程管理體制提出了巨大挑戰(zhàn)。筆者從FRP材料性能、構(gòu)件和橋梁結(jié)構(gòu)3個層次對近年來FRP在橋梁工程中的研究和應(yīng)用進行回顧，總結(jié)近年來復(fù)合材料橋梁應(yīng)用的研究與實例。

1 橋梁用FRP材料性能

1.1 FRP靜力性能

FRP是將纖維和樹脂基體通過一定制備工藝固化后形成的具有特定形狀和性能的結(jié)構(gòu)材料，如圖4所示。其中，纖維一般包括碳纖維、芳綸纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維等，樹脂包括環(huán)氧樹脂、乙烯基樹脂、不飽和聚酯樹脂等。FRP是力學(xué)性質(zhì)不同的纖維和樹脂按照設(shè)定的比例和條件復(fù)合而成的新材料，纖維與樹脂之間有明顯的界面存在，其力學(xué)性能一般基于組分線性迭加復(fù)合原則，如圖5所示。纖維材料的抗拉強度和拉伸模量很大程度上決定了FRP的力學(xué)性能，一般根據(jù)這兩項基本指標進行區(qū)分，彈性模量越高，成本越高，各類纖維性能價格（2018年統(tǒng)計）見表1。高性能纖維材料的生產(chǎn)基本上被日本和歐洲的少數(shù)幾家公司控制，圖6所示為日本東麗公司的CFRP系列產(chǎn)品。

與傳統(tǒng)建筑材料力學(xué)性能相比，F(xiàn)RP力學(xué)性能主要表現(xiàn)為以下三方面特點：

1）線彈性。由于纖維可近似看作線彈性材料，所以FRP的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系基本上也呈線彈性特征，不存在屈服平臺，如圖7所示。

2）各向異性。FRP力學(xué)性能呈現(xiàn)明顯的各向異性，抗拉強度和彈性模量與纖維方向和含量有很大關(guān)系，如圖8、圖9所示。由于很多FRP是單向纖維，所以，垂直于纖維方向的性能相對較差，如抗剪強度，成為制約其發(fā)展的一個因素。

3）可設(shè)計性。FRP制品性能由組成材料、配合比、制備工藝和應(yīng)用需要等確定。力學(xué)性能可根據(jù)纖維的不同來選擇，結(jié)構(gòu)形式可根據(jù)工程需要進行設(shè)計。在基體和增強體結(jié)合形成材料的同時，也獲得構(gòu)件或結(jié)構(gòu)，是可進行材料結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計的材料。

1.2 FRP疲勞性能

由于FRP的材料特性，其疲勞破壞過程與鋼材有很大區(qū)別。如圖10所示，疲勞破壞的臨界狀態(tài)首先表征為開裂，實際上仍能承載，纖維有顯著的止裂效應(yīng)。因此，F(xiàn)RP抗疲勞性能優(yōu)異，按最大疲勞應(yīng)力，鋼疲勞強度一般是30%～50%的抗拉強度，而CFRP疲勞強度可達到70%～80%的抗拉強度，如圖11所示[3]。

1.3 FRP耐久性能

作為一種新型工程材料，F(xiàn)RP在服役條件下，如腐蝕、溫度、輻射等作用下的力學(xué)性能演化是關(guān)注的重點，Liu等[4]對1 900多組FRP在各種環(huán)境下加速老化實驗的結(jié)果進行分析發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)RP對常溫下（100 ℃以下）的腐蝕環(huán)境不敏感，耐久性能很好，但溫度超過100 ℃后力學(xué)性能快速下降[5]，如圖12所示。

2 橋梁用FRP構(gòu)件的研究與應(yīng)用

根據(jù)不同的使用要求，典型的FRP制品形式可分為片材（布、薄板等）、筋材（光面、肋紋、纏繞等）、索材（平行索、絞索）、型材（具有一定截面形狀的制品，如管材、工字型材等）、網(wǎng)格材（包括硬質(zhì)的網(wǎng)格和柔性的格柵）等[6]，如圖13所示。輕質(zhì)高強的FRP材料具有良好的耐久性和抗疲勞性能，已經(jīng)在橋梁構(gòu)件中得到廣泛應(yīng)用，主要形式表現(xiàn)在兩個方面：1）用于提高剛度和承載能力的加固構(gòu)件;2）與鋼或混凝土結(jié)合，形成性能更優(yōu)的組合構(gòu)件。

2.1 FRP加固構(gòu)件

FRP最早被廣泛應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域，可封閉裂縫，有效提升極限承載能力。橋梁加固用FRP主要是片材和筋材。周朝陽等[7]對CFRP布、邢麗麗等[8]對AFRP加固混凝土梁進行試驗研究。薛偉辰等[9]對AFRP筋與不同加固基體的粘結(jié)強度進行了系統(tǒng)的拉拔試驗研究。吳智深等[10]開發(fā)了BFRP網(wǎng)格/筋加固技術(shù)，已在南京長江大橋的加固修復(fù)中得到成功應(yīng)用。然而，大量橋梁病害研究表明：既有舊橋普遍存在的問題是剛度不足，導(dǎo)致開裂或變形過大，直接粘貼FRP加固時由于應(yīng)力滯后效應(yīng)，F(xiàn)RP材料的應(yīng)力水平一般不超過其抗拉強度的20%，加固效率很低。因此，對FRP材料施加預(yù)應(yīng)力是提高加固效率和改善加固效果的有效途徑之一，如彭暉等[11]提出了嵌入式錨固的預(yù)應(yīng)力CFRP板加固系統(tǒng)。由于CFRP抗拉強度和彈性模量都高，所以預(yù)應(yīng)力CFRP加固技術(shù)得到快速發(fā)展，近年來中國已有工程應(yīng)用實例，如圖13所示。

在FRP加固鋼結(jié)構(gòu)方面，葉華文等[12-13]基于自主研發(fā)的預(yù)應(yīng)力CFRP板錨固及張拉系統(tǒng)，采用多預(yù)應(yīng)力水平CFRP板加固受損鋼梁，通過疲勞試驗和理論分析，評估無粘結(jié)CFRP板加固受損鋼梁疲勞性能，提出簡便實用的疲勞壽命計算理論和分析方法。Chen等[14]對CFRP加固受損鋼管和鋼板的裂紋擴展及疲勞壽命進行試驗研究與分析。這些研究結(jié)果[13-15]都表明預(yù)應(yīng)力FRP能顯著提高損傷鋼結(jié)構(gòu)的剩余壽命。近年來，在預(yù)應(yīng)力FRP技術(shù)的基礎(chǔ)上，一些學(xué)者引入傳感器，如光纖，形成智能復(fù)合材料。周智等[16]采用自主研發(fā)的滿足拉擠成型工藝的OFBG-CFRP智能碳纖維復(fù)合板對混凝土梁進行預(yù)應(yīng)力加固，并實時監(jiān)測CFRP板應(yīng)變。鄧朗妮等[17]研制智能碳纖維（CFRP-OFBG）板，對鋼筋混凝土梁進行嵌入式加固，試驗結(jié)果表明CFRP-OFBG板在智能監(jiān)測方面有良好的適用性，為今后結(jié)構(gòu)加固與監(jiān)測一體化提供了重要參考。

2.2 FRP組合構(gòu)件

FRP組合構(gòu)件在新建橋梁中得到越來越廣泛的應(yīng)用，主要表現(xiàn)為3種形式：

1）FRP與混凝土或鋼結(jié)合，形成多材料復(fù)合受力單元。最常見的是FRP混凝土組合梁構(gòu)件，上部混凝土承受壓力、下部FRP拉擠型材承受拉力[18]。史慶軒等[19]開展了FRP鋼混凝土組合柱的研究。祝明橋等[20]提出一種鋼FRP組合平面桁架。這些FRP組合梁柱在試驗中性能優(yōu)異，但受制于材料成本、施工工藝和設(shè)計規(guī)范，在實橋中的應(yīng)用很少。

2）FRP作為橋梁結(jié)構(gòu)的主要受力構(gòu)件之一，如FRP拉索。與傳統(tǒng)鋼絲索相比，F(xiàn)RP索耐腐蝕，疲勞強度也高于鋼索，因此，應(yīng)用于大跨度的斜拉橋或懸索橋中可降低索自重，有利于結(jié)構(gòu)受力。1996年Urs Meier在瑞士溫特圖爾（Winterthur）獨塔斜拉橋 Storchenbrucke橋（63 m+61 m，公路橋）采用了2根35 m CFRP拉索，近30年來對CFRP索的應(yīng)力監(jiān)測表明了其狀態(tài)良好，如圖14所示。江蘇大學(xué)也修建了CFRP索斜拉橋[21]。強士中等[22]基于國家863計劃項目進行主跨3 500 m級CFRP主纜懸索橋原型設(shè)計研究，發(fā)現(xiàn)CFRP主纜的動力特性是控制因素。由于FRP抗剪強度遠低于抗拉強度，阻礙FRP拉索大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵問題是錨固系統(tǒng)，諸葛萍等[23]、汪昕等[24]提出了性能較好的錨具設(shè)計，實橋應(yīng)用仍需繼續(xù)研究。

3）FRP型材作為橋面結(jié)構(gòu)或橋墩船撞防護。熊治華等[25]對GFRP 橋面板的制作與受力性能進行研究，提出了大規(guī)模工程應(yīng)用的建議。劉偉慶等[2]提出了復(fù)合材料橋梁防船撞系統(tǒng)，并應(yīng)用于多項實際工程中。

由于FRP制造工藝和材料性能的特點，難免存在缺陷或損傷，這些缺陷或損傷對FRP結(jié)構(gòu)的靜強度、疲勞性能和穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。因此，F(xiàn)RP構(gòu)件損傷無損檢測方法、檢測標準以及測試設(shè)備是FRP構(gòu)件正常服役的保證，航空航天行業(yè)已經(jīng)出臺了一些規(guī)范，在橋梁結(jié)構(gòu)上仍缺乏關(guān)注。

目前，針對FRP組合構(gòu)件開展了一系列研究工作，在制作工藝、基本力學(xué)性能、耐久性、工程應(yīng)用等多方面積累了大量的經(jīng)驗和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，推動了其發(fā)展。在現(xiàn)有成果基礎(chǔ)上，F(xiàn)RP構(gòu)件的推廣應(yīng)用還需解決兩方面問題：1）FRP構(gòu)件與傳統(tǒng)建筑材料構(gòu)件連接構(gòu)造的可靠性與耐久性;2）FRP構(gòu)件標準化設(shè)計與制造、性能測試標準和技術(shù)。

3 全FRP橋梁結(jié)構(gòu)

近30年來，F(xiàn)RP材料用于橋梁主要受力構(gòu)件的工程實例越來越多。1986年重慶交通學(xué)院（現(xiàn)重慶交通大學(xué)）在校門口修建了一座主跨27 m的全部用GFRP制作的獨塔單索面斜拉人行橋，造型優(yōu)美，是中國第一座全FRP橋梁，可惜后來因故拆除。圖15為位于威爾士的士里爾海港大橋（Rhyl Harbour Bridge）[26]，其主體結(jié)構(gòu)采用玻璃纖維和碳纖維混合增強材料，從而減輕重量、節(jié)省施工周期并節(jié)能環(huán)保。圖16是紐約市2019年完工的第一座FRP人行天橋，全長約70 m，桁架和橋面均采用FRP材料。緬因大學(xué)先進結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料中心2019年研發(fā)的拱橋主拱采用FRP管，跨度可達24 m，如圖17所示，研發(fā)的AIT CT梁系統(tǒng)由FRP筒組成，比鋼材輕50%，比混凝土梁輕75%，可明顯降低施工成本。圖18為幾十座全FRP橋梁結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計情況，由圖18可見，目前FRP橋梁主要是荷載較小的人行橋，材料主要是GFRP，在公路橋上的應(yīng)用很少。由于相同跨度下FRP橋比鋼橋或混凝土橋自重輕，其動力行為很可能是設(shè)計控制狀態(tài)。Wei等[27]對大量的FRP、鋼及混凝土人行橋的動力特性（自振頻率和阻尼比）進行分析和測試發(fā)現(xiàn)，相同情況下FRP橋梁的阻尼比傳統(tǒng)材料橋梁高2.5倍，自重輕8.6倍，對動載激勵更敏感。

對于傳統(tǒng)橋梁結(jié)構(gòu)，已經(jīng)具有分工明確的材料、設(shè)計、制造和檢測系統(tǒng)，這樣的設(shè)計制度基于有限的、確定的材料種類，如有限的不同強度等級的混凝土和鋼材。對于性能可設(shè)計的FRP材料，只有將材料與結(jié)構(gòu)進行一體化設(shè)計，統(tǒng)一考慮材料、設(shè)計、制造和檢測，才能發(fā)揮FRP的優(yōu)異性能，體現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)全壽命周期內(nèi)的自組織、自修復(fù)、自檢和材料循環(huán)利用的多功能優(yōu)勢，如圖19所示?；诓牧辖Y(jié)構(gòu)一體化設(shè)計理念的FRP橋梁會對現(xiàn)有橋梁領(lǐng)域的規(guī)范體系、管理系統(tǒng)、施工方法等產(chǎn)生深遠的革命性影響。

4 結(jié)論與展望

FRP因輕質(zhì)高強、可設(shè)計性和高耐久性等特性已經(jīng)在航空航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在橋梁工程中，高性能FRP結(jié)構(gòu)的研發(fā)與應(yīng)用是提升舊橋服役性能、實現(xiàn)超大跨橋梁的方案，日益得到關(guān)注。目前，F(xiàn)RP橋梁的發(fā)展仍局限于作為鋼和混凝土構(gòu)件的補充或替代品，與大規(guī)模應(yīng)用有較大差距，產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨一些亟待解決的問題，主要表現(xiàn)在FRP產(chǎn)品單一，產(chǎn)學(xué)研用相互脫節(jié)，產(chǎn)品推廣應(yīng)用困難，研發(fā)投入少且分散，缺乏完善的行業(yè)規(guī)范標準。因此，還應(yīng)進行以下研究工作：

1） FRP產(chǎn)品性能的提升和成本降低。與航天級FRP產(chǎn)品相比，橋梁用FRP存在主要力學(xué)指標（如抗拉強度、抗剪強度和彈性模量）偏低，而造價較高，阻礙了其在大跨橋梁中的推廣應(yīng)用。FRP構(gòu)件與傳統(tǒng)建筑材料構(gòu)件的連接構(gòu)造也是FRP產(chǎn)品需要考慮的問題，尤其是其可靠性與耐久性。

2） FRP產(chǎn)品質(zhì)量檢測方法與標準。橋梁工程往往涉及到巨大的經(jīng)濟投入， 因此，確保FRP構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的質(zhì)量滿足規(guī)定要求極為重要，目前專門針對FRP的專業(yè)產(chǎn)品檢測標準和檢測方法仍屬空白。

3） 基于材料結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計的FRP橋梁設(shè)計、施工和監(jiān)測規(guī)范體系。目前中國已發(fā)布的復(fù)合材料相關(guān)的國家標準基本上針對FRP材料性能，缺少基于材料結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計的相關(guān)規(guī)范。按傳統(tǒng)橋梁規(guī)范進行設(shè)計和施工，F(xiàn)RP橋梁的優(yōu)勢將消失殆盡，因此，發(fā)展趨勢是逐步改變傳統(tǒng)設(shè)計理念，基于全壽命周期建立適應(yīng)材料結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計的工程應(yīng)用模式。參考文獻：

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（編輯 章潤紅）