橋梁工程中FRP復(fù)合材料的發(fā)展與應(yīng)用

蔣以華

（南寧市建筑規(guī)劃設(shè)計集團有限公司,廣西南寧530012）

目前,在橋梁工程領(lǐng)域,鋼筋混凝土或預(yù)應(yīng)力混凝土是當前橋體的基本結(jié)構(gòu)形式,其中因鋼筋銹蝕而引起的結(jié)構(gòu)退化或功能缺陷等問題是影響橋梁服役年限的重要因素。針對該問題,FRP材料（纖維增強復(fù)合材料）在橋梁工程中得到了成功應(yīng)用并成為解決鋼筋銹蝕問題的一種有效措施[1-2]。自20世紀40年代問世以來,FRP材料便在各個領(lǐng)域得到了迅速發(fā)展,如航空、醫(yī)療、車輛以及造船等行業(yè)。而在土木與建筑工程領(lǐng)域,憑借其輕質(zhì)、高強以及耐久性優(yōu)異等特性,FRP材料也于七八十年代開始得到初步應(yīng)用,且深受業(yè)內(nèi)人員的青睞,主要包括碳纖維(CF)、玻璃纖維(GF)及芳綸纖維(AF)復(fù)合材料等。當前,FRP材料的自身加工工藝日趨成熟,而國內(nèi)公路、鐵路等建設(shè)項目規(guī)模仍持續(xù)增長,因此FRP材料在工程建設(shè)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力巨大,研究FRP材料在橋梁工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀具有重要現(xiàn)實意義。

1 FRP復(fù)合材料及其特點

1.1 FRP的組成

FRP是傳統(tǒng)纖維和樹脂融合的產(chǎn)物,兩者共同決定了FRP材料的各項性能。其中,纖維具有加強功能,能有效分擔受力,如碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維等。樹脂主要用于包裹纖維使之形成整體,起到傳力以及黏結(jié)的功能,并保護纖維不受機械損傷與化學侵蝕。另外,樹脂中可適當加入一定的添加劑,以改善性能。

1.2 FRP的性能特點

（1）物理性質(zhì)。FRP材料的密度較低,僅為常規(guī)鋼筋的1/5左右,其熱膨脹系數(shù)呈現(xiàn)各向異性,橫縱向的性能區(qū)別取決于纖維和樹脂的種類及比例。

（2）力學性能。纖維與樹脂類別及摻加量的不同造成了FRP材料的力學性能差異。FRP材料僅由單一纖維構(gòu)成時,其沿順纖維方向的抗拉強度更大,且呈現(xiàn)線彈性變化趨勢,且其抗壓能力普遍不如抗拉性能,如碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維的抗壓強度,分別僅為各自抗拉強度的約4/5、1/2、1/5[3]。

（3）持時特性。在長期的受力條件下,FRP材料經(jīng)受較長時間作用后將引起破壞,即發(fā)生徐變斷裂,其中玻璃纖維對此最為敏感。當FRP材料受力中長度維持固定時,其應(yīng)力將不斷變小,即發(fā)生應(yīng)力松弛,其中芳綸纖維的松弛率最大。另外,FRP材料中的纖維能進行內(nèi)力再分配,更好地承擔拉應(yīng)力,故抗疲勞性能較強,其中碳纖維與芳綸纖維的抗疲勞性能均已超過高強鋼絲,但高溫高濕環(huán)境將不利于FRP材料性能的發(fā)揮[4]。

（4）耐久性能。一般而言,作為非金屬材料,FRP材料適用于酸堿等各種復(fù)雜環(huán)境條件,較傳統(tǒng)鋼筋的耐腐蝕能力更強,可視情況用于鋼筋替換作業(yè)。但不同的腐蝕環(huán)境也會一定幅度影響不同F(xiàn)RP材料的性能,如相比碳纖維與芳綸纖維,玻璃纖維的耐酸堿性能相對較弱,而芳綸纖維對紫外線或潮濕條件更敏感等。

2 FRP復(fù)合材料的應(yīng)用形式

（1）FRP片材。FRP片材一般指復(fù)合布或復(fù)合板。復(fù)合布大多為單向纖維組成,應(yīng)用時可直接以樹脂浸潤后進行粘貼。復(fù)合板一般先由工廠進行樹脂浸潤以及固化定型等工序,施工時再粘貼樹脂。

（2）FRP棒材。 FRP棒材一般指復(fù)合索和復(fù)合筋。復(fù)合索包括絞線型與發(fā)辮型,由長纖維單向編織成索狀,經(jīng)由樹脂浸潤形成整體。復(fù)合筋是將纖維絲浸潤后經(jīng)拉擠工序制得,纖維摻量越大,拉擠工序越難開展,但所得復(fù)合筋的強度將越大。實踐中,復(fù)合筋中的纖維摻量一般為63%左右。

（3）FRP型材。 FRP型材分為格柵、管狀、蜂窩等。FRP格柵中纖維垂直交織,經(jīng)由樹脂浸潤形成整體。FRP管是先將纖維絲浸潤樹脂,再遵循相應(yīng)的方式纏裹至襯膽外面,靜置固化成型。FRP蜂窩板包括上下兩側(cè)復(fù)合板與中間的夾心材料,其構(gòu)造上充分借助復(fù)合板的強度優(yōu)勢,具備優(yōu)異的力學性能。

3 FRP復(fù)合材料在橋梁工程中的應(yīng)用

3.1 FRP片材的應(yīng)用

FRP片材在混凝土結(jié)構(gòu)加固中應(yīng)用廣泛[5],其中碳纖維復(fù)合片材的抗拉強度較高,常見于橋梁結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域。相比以往的常規(guī)加固方法,FRP片材加固施工較為便捷,加固效果顯著,能有效增強構(gòu)件的承載能力,且不增加額外的自重與截面面積,同時能適應(yīng)不同的加固環(huán)境。在實際應(yīng)用中,FRP片材在加固時可針對受彎、 受剪及抗震等不同工況。

3.1.1 受彎加固

在構(gòu)件受彎工況下,利用FRP片材進行加固,能借助FRP材料的抗拉能力增強承載力,復(fù)合布或復(fù)合板均可采用,施工時片材宜與構(gòu)件軸向相同。采用FRP片材開展加固時,其設(shè)計機制仍為極限法,即極限工況下的應(yīng)力按照線彈性關(guān)系而定,而應(yīng)變則取構(gòu)件在極限工況時的相應(yīng)數(shù)值。結(jié)構(gòu)所受載荷應(yīng)在纖維片材加固前除去,如無法完全卸載,則應(yīng)考慮二次受力效應(yīng)。另外,為充分利用FRP片材的高強性能,可對片材施加一定的預(yù)應(yīng)力后再實施結(jié)構(gòu)加固,從而更有效地降低構(gòu)件變形撓度,進一步緩解裂縫的發(fā)生與發(fā)展。

3.1.2 受剪加固

梁體構(gòu)件受剪時易產(chǎn)生裂縫,而將FRP片材布設(shè)于梁的側(cè)面,可有效提升構(gòu)件承載力,并使構(gòu)件剛度得到強化。應(yīng)用中FRP片材應(yīng)垂直于構(gòu)件軸向進行布設(shè),具體可采取封閉式、U形或側(cè)面式等粘貼方案。將FRP片材用于構(gòu)件抗剪加固時,其實施效果取決于加固方式、錨固方案、片材用量以及纖維取向等,構(gòu)件加固后最終的破壞形式包括斜拉、彎曲、剝離或片材拉斷等,實踐中大多為幾種破壞模式的組合。

3.1.3 抗震加固

FRP片材用于抗震主要是對柱進行環(huán)向加固,恢復(fù)受損位置的承載力,提升抗震強度,片材應(yīng)當對柱的箍筋加密區(qū)進行連續(xù)粘貼。借助復(fù)合布約束混凝土的環(huán)向變位屬于一種被動式加固,即當混凝土軸向壓力增大,橫向膨脹力將使得外包FRP材料發(fā)生一定程度的外伸,使之產(chǎn)生徑向的收縮力,其環(huán)向約束效果受柱結(jié)構(gòu)膨脹特點以及外包復(fù)合布的環(huán)向剛度影響。在FRP復(fù)合布約束柱構(gòu)件過程中,其受力過程主要如下：初始階段,混凝土發(fā)生線彈性變形,外包復(fù)合布變形較少,應(yīng)力約束值低；當柱變形趨于顯著時,外包復(fù)合布的環(huán)向應(yīng)變變大,繼而產(chǎn)生較大的環(huán)向約束力,達到提升柱構(gòu)件強度、增加延性變形的目的。

3.2 FRP棒材的應(yīng)用

3.2.1 RC結(jié)構(gòu)增強筋

由于FRP材料的抗腐蝕性能優(yōu)于普通鋼筋,因此在某些環(huán)境惡劣的條件下,可考慮采用FRP復(fù)合筋替代傳統(tǒng)的鋼筋,從而保證RC（鋼筋混凝土）結(jié)構(gòu)的耐久性,如在鋼筋混凝土梁或橋面板中,將FRP筋作為主要受力筋進行配置,可提升服役年限。但FRP筋彈性模量較小,且其與混凝土之間的粘結(jié)性不同于傳統(tǒng)鋼筋,因此FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)的承載性能較之普通RC結(jié)構(gòu)存在差異。相關(guān)研究表明[6],FRP筋混凝土的裂縫發(fā)生規(guī)律、應(yīng)力傳遞模式以及極限承載力等均與傳統(tǒng)RC結(jié)構(gòu)不同。具體而言,FRP筋混凝土梁可能發(fā)生兩種脆性破壞模式,分別為混凝土受壓破壞以及FRP筋拉斷破壞,其中混凝土受壓破壞的延性優(yōu)于后者。在極限承載力計算方面,FRP筋混凝土梁與傳統(tǒng)RC梁差別不大,但其主要影響因素為裂縫寬度與撓度,因此應(yīng)當將更多的FRP筋布設(shè)于受拉部位。

3.2.2 PC結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力筋

FRP筋具備高強的性能,將其施加一定的預(yù)應(yīng)力不但能充分發(fā)揮其力學特性,而且可實現(xiàn)FRP筋混凝土梁抗裂能力的提升。目前,FRP預(yù)應(yīng)力筋在實踐中可用于PC（預(yù)應(yīng)力混凝土）構(gòu)件體內(nèi)或體外。

FRP筋的抗壓與抗剪性能稍差,因此施加預(yù)應(yīng)力時,其錨固性能將成為關(guān)鍵一環(huán)。當下錨具形式較為多樣化,基于受力原理主要分為機械夾持型與黏結(jié)型,并形成相應(yīng)的錨固體系,但總體而言,FRP筋預(yù)應(yīng)力錨固工藝還處于初級階段,遠不如傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力鋼筋錨固工藝的成熟度。

FRP筋彈性模量較低,其發(fā)生破壞時沒有顯著的塑性變化特點,故在受力特性上,FRP筋預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)PC結(jié)構(gòu)具有較大的不同。當FRP筋用于構(gòu)件體內(nèi)時,結(jié)構(gòu)梁的受力特性存在三種可能的過程：最大應(yīng)力大于混凝土抗壓強度,混凝土受壓破壞；最大應(yīng)力小于等于混凝土抗壓強度,FRP筋受拉斷裂,此時混凝土處于塑性變形,結(jié)構(gòu)梁的受彎承載能力應(yīng)根據(jù)等效應(yīng)力塊進行分析；最大應(yīng)力遠小于混凝土抗壓強度,此時梁的配筋率低,破壞時混凝土應(yīng)力處于線性發(fā)展階段,此時結(jié)構(gòu)梁的受彎承載能力應(yīng)根據(jù)工作應(yīng)力分析[7]。

FRP筋的抗腐蝕性能突出,因此作為體外預(yù)應(yīng)力筋或無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋時,FRP預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的應(yīng)用潛力巨大。相關(guān)研究指出,在受力特性方面,無粘結(jié)FRP預(yù)應(yīng)力混凝土梁與預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁,以及體外預(yù)應(yīng)力FRP筋混凝土梁與體外預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁,均呈現(xiàn)類同的發(fā)展特點,故計算方式也類同,其最為重要的是需要對無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋或者體外預(yù)應(yīng)力筋的極限應(yīng)力進行明確。

FRP筋在發(fā)生破壞時沒有顯著的塑性變化特點,延性較差,不利于結(jié)構(gòu)的安全應(yīng)用?；诖?實踐中較多專家提出了改進措施,例如使用混雜FRP筋（此類混雜筋屈服點明確、極限應(yīng)變?nèi)≈递^大）、局部結(jié)構(gòu)中應(yīng)用FRP預(yù)應(yīng)力或者體內(nèi)外預(yù)應(yīng)力筋結(jié)合等方法。

3.2.3 纜索承重橋的受力構(gòu)件

對于懸索橋、斜拉橋、系桿拱橋等纜索承重橋而言,其中的主要豎向受力構(gòu)件大多設(shè)置于結(jié)構(gòu)外部,且所處環(huán)境惡劣,并持久承受高應(yīng)力,對傳統(tǒng)鋼筋提出較大的挑戰(zhàn)。而FRP筋具備顯著的耐久性與抗疲勞性,且比強度是傳統(tǒng)高強鋼絲的5倍,因此替代傳統(tǒng)鋼筋作為主纜、斜拉索或吊桿等部件,將有效規(guī)避上述缺陷,并提升橋體跨越及承載能力[8]。例如,懸索橋傳統(tǒng)鋼主纜跨越極限約為5km,而應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料主纜將能使跨徑增至10km；斜拉橋的極限跨徑目前水平向投影約為1.2km,而應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料斜拉索將能使跨徑增至3.8km；同樣,受銹蝕與疲勞等影響,系桿拱橋中的吊桿服役年限一般設(shè)計為20年,而碳纖維復(fù)合材料吊桿憑借優(yōu)異的耐腐蝕性能,可極大提升系桿拱橋的使用壽命。

3.3 FRP型材的應(yīng)用

3.3.1 FRP格柵

在室外較為惡劣的環(huán)境工況中,橋面板時常發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象,影響通行安全。為化解橋面冰塊,目前大多應(yīng)用化冰鹽,但這易引起橋面板中的鋼筋網(wǎng)片發(fā)生銹蝕,故將由樹脂浸潤形成整體的FRP格柵進行替代,可避免銹蝕發(fā)生,延長不利環(huán)境下橋面板的使用壽命。

3.3.2 FRP蜂窩板

橋面板中的鋼筋銹蝕較為普遍,除采用FRP格柵替代外,也可直接運用FRP橋面板[9]。FRP橋面板的應(yīng)用形式主要為蜂窩板,其特點有：具有優(yōu)異的抗腐蝕和耐久性,在海洋、鹽堿侵蝕等惡劣的環(huán)境中能保證使用功能,維修養(yǎng)護成本低；自重較輕,能減少對橋梁墩柱的荷載作用,利于保證安全；屬于彈性材質(zhì),抗疲勞性能強,在橋面通行車輛超載的情況下也不致于發(fā)生脆性破壞,且能在變形后恢復(fù)初始狀況,不會造成后續(xù)使用的困擾。

3.3.3 FRP管

將混凝土灌注于FRP管中,即可形成FRP管混凝土組合結(jié)構(gòu)[10],該種結(jié)構(gòu)耐久性優(yōu)異,且其中的FRP管可直接作為模板使用,在不便于支模的結(jié)構(gòu)施工中應(yīng)用廣泛。FRP管混凝土組合結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)鋼管混凝土的隔聲隔熱性能更佳,既擁有FRP材料的特殊性能,同時也兼?zhèn)浠炷敛牧系目箟耗芰εc低成本優(yōu)勢。FRP管混凝土組合結(jié)構(gòu)在經(jīng)過科學設(shè)計與合理組合后,擁有十分優(yōu)異的力學特性,目前很多發(fā)達國家均對其受力性能、纖維類別、構(gòu)造形式以及纏繞方向等進行了深入研究,如為增強FRP管的局部穩(wěn)定能力,可在管內(nèi)設(shè)置一定間距的FRP肋等。

4 結(jié)語

FRP材料的輕質(zhì)高強、抗腐蝕、耐久性優(yōu)良等特性能滿足橋梁工程建設(shè)的大多數(shù)要求,在橋梁建設(shè)領(lǐng)域中的應(yīng)用潛力巨大。但FRP材料的彈性模量較低,抗剪能力和延性均比傳統(tǒng)鋼筋更差,因此在橋梁工程的實際應(yīng)用中仍有較多缺陷需要克服。另外,相關(guān)研究者雖然對FRP材料進行了大量研究與實踐應(yīng)用嘗試,取得了較多的發(fā)展成果,但在FRP材料的生產(chǎn)成本、生產(chǎn)標準以及應(yīng)用規(guī)范等方面仍需進一步完善,這是未來FRP材料在橋梁工程應(yīng)用中需要突破的重點方向。