纖維復(fù)合材料在橋梁工程中的應(yīng)用研究

孫照武

( 煙臺(tái)市市政養(yǎng)護(hù)中心，山東煙臺(tái) 264000)

隨著交通行業(yè)的蓬勃發(fā)展，人們要求橋梁具有更好的營(yíng)運(yùn)功能與更長(zhǎng)的服役時(shí)間，然而傳統(tǒng)鋼筋混凝土橋梁較易產(chǎn)生一系列病害問(wèn)題［1］，如鋼筋銹蝕、混凝土開(kāi)裂等，嚴(yán)重影響橋梁的正常功能，并造成安全隱患，縮短使用年限。對(duì)此，人們對(duì)橋梁的防銹蝕以及防開(kāi)裂等問(wèn)題研究運(yùn)用了較多的對(duì)策，但總體難以獲得滿意的實(shí)施效果。基于上述的橋梁病害問(wèn)題，近些年人們開(kāi)始將目光轉(zhuǎn)向新型的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP），纖維復(fù)合材料造橋工藝由此得到了研究與發(fā)展，并取得了初步的應(yīng)用成果。

自20 世紀(jì)40 年代問(wèn)世以來(lái)，F(xiàn)RP 材料便在各個(gè)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(qiáng)以及耐久性優(yōu)異等特性，F(xiàn)RP 材料也于七八十年代開(kāi)始得到初步應(yīng)用［2］，且深受業(yè)內(nèi)人員的青睞，該時(shí)期較多涉及的是CFRP、GFRP 及AFRP 材料（分別為碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維），同時(shí)也包括其他形式，如高性能纖維增強(qiáng)等。在混凝土構(gòu)件中，考慮將玻璃纖維束代替鋼筋具有特定的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，該方面的研究起步也較早。1982 年，在北京密云縣世界上第一座復(fù)合材料公路橋建設(shè)落成［3］，采用手糊玻璃鋼蜂窩箱梁形式，跨徑20.7m，寬9.2m，設(shè)計(jì)載重約80t。

目前，在工程結(jié)構(gòu)應(yīng)用領(lǐng)域，F(xiàn)RP 材料的應(yīng)用是一個(gè)研究熱點(diǎn)。與此同時(shí)，復(fù)合材料在自身的工業(yè)加工與成型工藝（如拉擠、RTM、纏繞等）方面取得了長(zhǎng)足的發(fā)展［4］，這一方面使得其生產(chǎn)成本得到有效降低，另一方面其材料性能品質(zhì)則不斷獲得提升，高性能纖維材料涌現(xiàn)，從而為建設(shè)工程領(lǐng)域的復(fù)合材料應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。另外，隨著我國(guó)科技水平與經(jīng)濟(jì)能力的不斷發(fā)展，公路、鐵路等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)浪潮并未停止，且仍保持較大的建設(shè)規(guī)模，使得復(fù)合材料在橋梁工程中的應(yīng)用研究既有相當(dāng)?shù)默F(xiàn)實(shí)意義，也有一定的戰(zhàn)略價(jià)值。

1 纖維復(fù)合材料的基本特性

纖維復(fù)合材料也叫FRP 材料，是一種新型復(fù)合材料，從上世紀(jì)開(kāi)始，F(xiàn)RP 橋梁便逐漸成為許多國(guó)家和地區(qū)橋梁建設(shè)的重要方向。該復(fù)合材料是傳統(tǒng)纖維和樹(shù)脂融合的產(chǎn)物，二者在性能上相互補(bǔ)充、取長(zhǎng)補(bǔ)短，形成協(xié)同效果。在橋梁建設(shè)中的FRP 材料，其主體主要采用的是環(huán)氧樹(shù)脂與乙烯基聚酯，增強(qiáng)纖維主要包括碳纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維及芳綸纖維等。其中，樹(shù)脂可使纖維連結(jié)成為整體，并保護(hù)纖維不受機(jī)械損傷與化學(xué)侵蝕。具體來(lái)說(shuō)，F(xiàn)RP 材料的特點(diǎn)如下。

（1）耐腐蝕。使用壽命方面，纖維復(fù)合材料是傳統(tǒng)鋼筋和混凝土的2 倍［5］，可以在酸堿等環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間工作。將其用于橋梁結(jié)構(gòu)的加固維修時(shí)，能夠避免傳統(tǒng)鋼筋使用年限較久后存在的銹蝕問(wèn)題，極大地提高了橋梁的服役年限，有效減少維修或改建頻次，降低拆改建工程量，節(jié)約工程成本。

（2）強(qiáng)度高。在拉伸強(qiáng)度方面，傳統(tǒng)鋼筋僅為碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的15% 左右［6］。在實(shí)踐中，將纖維制成復(fù)合材料筋束，也能有效提高抗拉強(qiáng)度。如復(fù)合材料筋束采用E 玻璃纖維粘結(jié)生產(chǎn)時(shí)，其抗拉強(qiáng)度約等同于高強(qiáng)鋼絲，而將芳綸纖維、碳纖維及S 玻璃纖維粘結(jié)組合時(shí)，其生產(chǎn)的筋束的抗拉強(qiáng)度甚至比高強(qiáng)鋼絲更大。

（3）容重輕。以往工程中的鋼筋質(zhì)量較大，導(dǎo)致建造的橋梁自重較大，而當(dāng)下不斷增大的人車通行量極大加劇了橋梁的負(fù)擔(dān)，由此導(dǎo)致的因承載能力不足而引起的事故時(shí)有發(fā)生。相比鋼筋，纖維復(fù)合材料更加輕質(zhì)，容重僅為前者的1/5～1/4。將纖維復(fù)合材料用于橋梁建設(shè)，既便于生產(chǎn)和操作，也在較大程度上減輕了橋梁自重。

（4）抗疲勞特性好。以高強(qiáng)鋼絲作為對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)，芳綸纖維和碳纖維復(fù)合材料的抗疲勞特性均優(yōu)于前者，而E 玻璃纖維復(fù)合材料的抗疲勞特性雖稍差于前者，但也比普通鋼絲更優(yōu)［7］。在交變應(yīng)力的條件下，一般金屬材質(zhì)的疲勞強(qiáng)度不到靜荷強(qiáng)度的1/2，而纖維復(fù)合材料由于其內(nèi)部纖維與基體所形成的整體能夠一定程度上抵抗裂縫的拉應(yīng)力，故而該數(shù)值提升至約75%，且纖維能進(jìn)行內(nèi)力再分配，更好地承擔(dān)拉應(yīng)力。同時(shí)材料延性較好，有明顯的破壞征兆，利于保證安全。

2 FRP 材料在橋梁工程中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

在實(shí)踐中，橋梁所處環(huán)境較差，使用年限較久，受力條件復(fù)雜，且具有不可重復(fù)和不可完全試驗(yàn)等特點(diǎn)，相比一般結(jié)構(gòu)物，其制約因素更多，體量也更大，對(duì)安全性、耐久性及適用性的要求更高。同時(shí)，其施工和維護(hù)要求也相對(duì)更高。對(duì)于橋梁的上述特殊條件，纖維復(fù)合材料均能較好地滿足要求。

近年來(lái)，在構(gòu)成FPR 橋梁或橋梁部件的增強(qiáng)復(fù)合材料中，應(yīng)用較為頻繁的是碳纖維、玻璃纖維(E 玻璃和高強(qiáng)玻璃) 以及玄武巖纖維，這些型材可采用工業(yè)化成型技術(shù)( 如拉擠、纏繞、RTM) 批量生產(chǎn)，標(biāo)準(zhǔn)化程度高，能滿足大工程量的使用需求。與傳統(tǒng)橋梁相比，由上述高性能纖維復(fù)合材料制造的FPR 橋梁具有以下應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

（1）架設(shè)速度快。采用FPR 材料建造橋梁能極大提高施工速度，對(duì)于跨線橋、市政橋梁等具有較好的適用性，同時(shí)將其應(yīng)用于橋梁改擴(kuò)建或偏僻地區(qū)橋梁建造中也具有良好的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益，并在災(zāi)后快速反應(yīng)與應(yīng)急能力提升方面表現(xiàn)出一定的應(yīng)用前景。例如，俄羅斯某城市中心區(qū)的人行天橋建設(shè)，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)施工需要2d，而采用FPR 施工時(shí)僅2h 即能完成［8］。另外，由FPR 建造的橋梁在抗災(zāi)方面也有較好的表現(xiàn)，其快速反應(yīng)與應(yīng)急能力較傳統(tǒng)橋梁更優(yōu)。

（2）抗腐蝕能力強(qiáng)。傳統(tǒng)鋼筋混凝土橋梁的銹蝕老化現(xiàn)象非常普遍，輕者影響橋梁正常使用功能和通行能力，重則引起嚴(yán)重的質(zhì)量安全事故。而FPR 材料在抗腐蝕方面表現(xiàn)優(yōu)異，其纖維與基體均為耐腐蝕材料，能保證結(jié)構(gòu)正常服役，不受腐蝕影響，保證橋梁在長(zhǎng)期使用條件下的可靠性，從而既保證橋梁安全，也能節(jié)省相當(dāng)程度的后期維修保養(yǎng)費(fèi)用，在景觀橋建設(shè)領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)顯著［9］。

（3）抗超載和抗疲勞。纖維復(fù)合材料在受力條件下體現(xiàn)為彈性變形，且在超載后仍能恢復(fù)初始狀況，不造成后期使用困擾。同時(shí)，其疲勞極限也遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)材料，對(duì)于受動(dòng)載作用下的橋梁結(jié)構(gòu)十分適用。傳統(tǒng)的橋梁結(jié)構(gòu)在受載時(shí)，往往通過(guò)一定程度的延性變形來(lái)實(shí)現(xiàn)安全富裕度，故在同等設(shè)計(jì)條件下，F(xiàn)RP 橋梁的承載能力將優(yōu)于傳統(tǒng)材料橋梁。因此，纖維復(fù)合材料的抗超載和抗疲勞能力，可有效提升我國(guó)交通體系的適應(yīng)水平，在實(shí)際應(yīng)用中意義重大。

（4）抗震能力強(qiáng)。一方面，F(xiàn)RP 材料自身承載力富裕度大，有利于保證橋體結(jié)構(gòu)的抗震能力；另一方面，F(xiàn)RP 材料輕質(zhì)高強(qiáng)，能設(shè)計(jì)出同等承載力下截面更小的構(gòu)件，降低橋體自重，減小地震慣性力，從而增強(qiáng)其抗震性能。另外，在震后的橋梁修復(fù)與重建領(lǐng)域，F(xiàn)RP 材料攜帶方便，安裝快捷，能有效提高施工效率，這對(duì)于偏遠(yuǎn)地區(qū)的橋梁建設(shè)而言具有顯著優(yōu)勢(shì)。

（5）可實(shí)現(xiàn)更大跨度的建造。傳統(tǒng)采用鋼筋和混凝土建造的橋梁跨度受自重限制，跨度越大，自重的影響也越大，難以實(shí)現(xiàn)更大跨度的建造，無(wú)法滿足大跨度的建設(shè)需求。而FRP 材料輕質(zhì)高強(qiáng)，大幅提升FRP 橋梁跨度時(shí)，其橋體自重增幅有限，自重影響較小，是實(shí)現(xiàn)大跨度建設(shè)的理想材料。因此，在超大跨度橋梁建設(shè)領(lǐng)域，F(xiàn)RP 橋梁成為一個(gè)重要的發(fā)展途徑。

3 FRP 材料在橋梁工程中的應(yīng)用方式

3.1 橋梁結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固

橋梁混凝土結(jié)構(gòu)在經(jīng)歷較長(zhǎng)的使用年限后，往往存在一定的開(kāi)裂、破損、鋼筋銹蝕及滲水等病害，導(dǎo)致承載力不足，給后續(xù)使用帶來(lái)一定的安全隱患。為此，可將FRP 片材（具體可為纖維布或FRP 板）粘貼于橋梁混凝土構(gòu)件表面，從而達(dá)到加固構(gòu)件的目的。

FRP 片材加固橋梁混凝土結(jié)構(gòu)的工藝己經(jīng)較為成熟，目前己有較多的工程應(yīng)用與研究案例，如李勇等［10］ 依托某在役簡(jiǎn)支板橋的加固案例，分別研究了玄武巖纖維布單獨(dú)加固、碳纖維布單獨(dú)加固以及兩者結(jié)合進(jìn)行加固的橋梁性能改善效果；謝群［11］針對(duì)橋梁遇到的破損與老化等問(wèn)題，介紹了碳纖維材料的加固修補(bǔ)工藝，實(shí)現(xiàn)了橋梁性能的提升。

3.2 FRP 筋混凝土與預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁

FRP 材料可以通過(guò)拉擠或拉纏工藝方法，制成其他各種形式，比如筋材、索材和網(wǎng)格材，并可在結(jié)構(gòu)應(yīng)用中直接替代鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼筋，制成FRP 筋混凝土橋梁或FRP 筋預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁。FRP 筋或FRP 筋預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)綜合性能優(yōu)異，擁有抗腐蝕、抗疲勞等特性，在沿海的強(qiáng)腐蝕條件或堿漬環(huán)境中也能使用，尤其是其非磁性的特點(diǎn)，對(duì)于需要無(wú)磁性的項(xiàng)目而言十分適用。目前，在工程結(jié)構(gòu)的耐久性研究與應(yīng)用方面，F(xiàn)RP 筋及預(yù)應(yīng)力FRP 筋混凝土結(jié)構(gòu)憑借其材料特性，逐漸成為一個(gè)重要的發(fā)展方向。

3.3 FRP 筋輕質(zhì)橋梁

FRP 材料不僅在大跨度橋梁建造方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在一些中小跨度的輕質(zhì)橋梁建設(shè)方面也有理想的效果，其中大多為桁架橋或梁板橋?；谳p質(zhì)高強(qiáng)的特性，F(xiàn)RP 材料可以根據(jù)橋梁實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)計(jì)和加工，并在施工現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法采用大型起重設(shè)備的情況下，亦能通過(guò)人工安裝的方式實(shí)現(xiàn)建造。通常FRP 材料由工廠預(yù)制好相關(guān)構(gòu)件，再運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行裝配施工即可，大大提高了施工進(jìn)度。

另外，F(xiàn)RP 材料可塑性好、便于自由設(shè)計(jì)，可以根據(jù)不同的工程需要設(shè)計(jì)各類新意的造型，再結(jié)合其較強(qiáng)的可著色性能，可形成色彩豐富且造型獨(dú)特的輕質(zhì)景觀橋梁，并在建筑廊橋、軍事便道及侵蝕環(huán)境等方向有較好的應(yīng)用效果［12］。

3.4 FRP 橋面板

FRP 橋面體系在FRP 型材的橋梁應(yīng)用領(lǐng)域中占據(jù)相當(dāng)?shù)谋戎?。采用FRP 材料制成的橋面板具有傳統(tǒng)鋼筋混凝土橋面板所不具備的一系列特性［13］，具體為：FRP 橋面板由工廠預(yù)制成型，再運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)裝配施工，提高施工效率；FRP 橋面板具有優(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(hù)成本低；FRP 橋面板自重較輕，能減少對(duì)橋梁墩柱的荷載作用，利于保證安全；FRP 橋面板為彈性材質(zhì)，抗疲勞性能強(qiáng)，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(huì)造成后續(xù)使用的困擾。

3.5 FRP 組合構(gòu)件

將纖維復(fù)合材料與其他的鋼材、混凝土等建材進(jìn)行合理設(shè)計(jì)與結(jié)合，可形成新型的FRP 組合構(gòu)件，其同時(shí)兼具幾種材料的優(yōu)異性能。在FRP 組合構(gòu)件中，F(xiàn)RP 材料具備多種功能，其不但參與受力，也作為施工模板，同時(shí)能起到保護(hù)鋼筋與混凝土的作用。在常見(jiàn)的FRP 組合構(gòu)件中，F(xiàn)RP 管混凝土［14］是在纖維復(fù)合材料塑料管中進(jìn)行混凝土灌注而形成的，比傳統(tǒng)鋼管混凝土的隔聲隔熱性能更佳；FRP- 混凝土組合梁［15］擁有FRP 材料的特殊性能，同時(shí)也兼?zhèn)浠炷敛牧系目箟耗芰εc低成本優(yōu)勢(shì)，其箱型截面形式的組合梁己經(jīng)得到業(yè)內(nèi)的廣泛研究。

FRP 組合構(gòu)件在經(jīng)過(guò)科學(xué)設(shè)計(jì)與合理組合后，能擁有十分優(yōu)異的力學(xué)特性，目前很多發(fā)達(dá)國(guó)家均對(duì)此進(jìn)行了深入研究與初步應(yīng)用。我國(guó)在該領(lǐng)域的起步較晚，但己經(jīng)開(kāi)展了相關(guān)研究工作，距離大規(guī)模的實(shí)際應(yīng)用仍需要長(zhǎng)足的發(fā)展。

4 FRP 橋梁的發(fā)展前景

FRP 橋梁的特性，注定使其擁有許多傳統(tǒng)鋼筋混凝土橋梁所難以具備的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)其進(jìn)一步的深化研究和落地應(yīng)用，將有望突破以往橋梁建設(shè)領(lǐng)域的發(fā)展瓶頸，豐富橋梁應(yīng)用形式，提升橋梁建設(shè)水平?；诋?dāng)前的FRP 橋梁應(yīng)用情況，展望FRP 橋梁在未來(lái)的發(fā)展前景，主要有如下幾點(diǎn)。

（1）將纖維復(fù)合材料作為橋梁建造材料和承重構(gòu)件具有可操作性，且應(yīng)用前景廣闊。新穎的建橋材料往往帶來(lái)造橋技術(shù)的進(jìn)步，纖維復(fù)合材料具備的抗腐蝕、輕質(zhì)高強(qiáng)等特點(diǎn)都是傳統(tǒng)鋼筋混凝土所不具備的，隨著其生產(chǎn)工藝的成熟，F(xiàn)RP 橋梁的建造成本將持續(xù)下降，在未來(lái)必將得到更進(jìn)一步的推廣。

（2）FRP 復(fù)合材料筋束的抗拉強(qiáng)度高，將其用于斜拉橋的拉索能有效發(fā)揮其抗拉特性［16］，這一方面可作為FRP 材料應(yīng)用于橋梁工程的主要途徑之一。

（3）在受損橋梁的維修加固領(lǐng)域，采用FRP 復(fù)合材料的成本較低，加固效果顯著，具有較好的推廣價(jià)值。

（4）FRP 材料輕質(zhì)高強(qiáng)，橋體自重影響很小，可能成為未來(lái)超大跨度橋梁實(shí)現(xiàn)跨度突破的一種關(guān)鍵材料。

5 結(jié)語(yǔ)

在復(fù)合材料的工業(yè)應(yīng)用方面，F(xiàn)RP 材料的抗腐蝕、耐久性優(yōu)良、輕質(zhì)高強(qiáng)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。而從工程結(jié)構(gòu)方面出發(fā)，復(fù)合材料是一種新型復(fù)合材料，容重輕、抗疲勞特性好，是當(dāng)前建橋材料的有效補(bǔ)充。

但在目前的工程實(shí)際應(yīng)用中，F(xiàn)RP 復(fù)合材料也存在一些不足，如FRP 橋梁的初期建設(shè)成本較大，工業(yè)界與工程界對(duì)于復(fù)合材料的認(rèn)識(shí)缺乏共通性以及復(fù)合材料的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)與應(yīng)用規(guī)范尚未統(tǒng)一等，這使得當(dāng)前我國(guó)的FRP 橋梁發(fā)展受到一定程度的阻礙。相信在未來(lái)，克服上述主要不足后，F(xiàn)RP 復(fù)合材料在橋梁工程中的應(yīng)用將迎來(lái)更好的發(fā)展。