FRP復(fù)合新材料的特性及在橋梁施工中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

楊 凱,張雅麗,吳文杰

(1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 渭南 714000;2.甘肅鐵科建設(shè)工程咨詢(xún)有限公司,甘肅 蘭州 730030)

纖維增強(qiáng)聚合物(FRP)材料已成為生產(chǎn)混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋的替代材料,特別是在腐蝕性環(huán)境中,主要是因?yàn)樗鼈兙哂泻芨叩哪透g性。FRP纖維具有強(qiáng)度高、重量輕、耐腐蝕、尺寸穩(wěn)定、導(dǎo)熱系數(shù)低、不導(dǎo)電、電磁透明、耐沖擊、壽命周期長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)[1]。FRP復(fù)合材料是作為基體或粘合劑的聚合樹(shù)脂與作為增強(qiáng)相的強(qiáng)韌纖維組件進(jìn)行組合與鋼在物理和機(jī)械性能方面有很大差異,因此需要對(duì)FRP鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的施工提供獨(dú)特的指導(dǎo)[2]。

1 FRP復(fù)合新材料的特性

FRP復(fù)合材料由兩部分組成:纖維和基體。纖維的主要功能是承載荷載,為FRP提供剛度、強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性和其他結(jié)構(gòu)性功能[3]。FRP復(fù)合材料中的纖維必須具有高彈性模量、高極限強(qiáng)度、纖維間強(qiáng)度變化小、在處理過(guò)程中強(qiáng)度穩(wěn)定性高、纖維間直徑和表面尺寸均勻性好等特點(diǎn)?；w確保纖維的位置和排列,防止在制造和操作過(guò)程中損壞復(fù)合材料的耐久性以及防止環(huán)境影響。它還負(fù)責(zé)各個(gè)纖維上的載荷分布[4]。在工程建設(shè)中,涉及纖維種類(lèi)較多主要包括:碳纖維(CFRP)、玻璃纖維(GFRP)、芳綸纖維(AFRP)和玄武巖纖維(BFRP)等4種FRP復(fù)合材料,其主要性能如表1所示。

表1 各種纖維的性能

1.1 碳纖維

碳是由石油瀝青、人造絲或聚丙烯腈原絲產(chǎn)生的。聚丙烯腈碳纖維復(fù)合材料(CFRP)因其具有高質(zhì)量和高強(qiáng)度的特點(diǎn)而被用于結(jié)構(gòu)加固[5]。碳纖維具有很高的拉伸強(qiáng)度和彈性模量,它們不易受到惡劣環(huán)境和高溫的影響。碳纖維有兩種:高強(qiáng)度纖維(HS)和高彈性模量纖維(HM)。碳纖維的主要缺點(diǎn)是價(jià)格較高。它們的價(jià)格往往是玻璃纖維的10～30倍[6]。

1.2 玻璃纖維

(1)耐堿玻璃纖維—用硅酸鋯制成的耐堿玻璃。它能抵抗混凝土中的堿性環(huán)境,但成本要高得多[7];

(2)無(wú)堿玻璃—無(wú)堿、高電阻玻璃,由鋁鈣硼硅酸鹽制成。電子玻璃因其強(qiáng)度和電阻在工業(yè)上被稱(chēng)為通用纖維,它是玻璃鋼復(fù)合材料工業(yè)中最常用的纖維;

(3)高強(qiáng)度玻璃纖維—由鎂鋁硅酸鹽制成的高強(qiáng)度玻璃。用于需要高強(qiáng)度、高剛度、耐極端溫度和耐腐蝕性的場(chǎng)合[8]。

1.3 芳綸纖維

芳綸是由聚合物芳香族聚酰胺制成的合成纖維。芳綸在紫外線照射下會(huì)迅速降解,因此必須對(duì)其進(jìn)行涂層或涂漆。AFRP也能吸收水分。強(qiáng)度和剛度隨水接觸或高濕度環(huán)境而降低。將纖維浸漬在環(huán)氧樹(shù)脂或乙烯基酯基體中可防止水分滲入。芳綸纖維具有最佳的拉伸強(qiáng)度與密度比。芳綸纖維密度最低,比玻璃纖維密度低40%左右[10]。

1.4 玄武巖纖維

玄武巖纖維是纖維增強(qiáng)聚合物和結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的一種相對(duì)較新的材料[11]。它的化學(xué)成分與玻璃纖維相似,但具有更好的強(qiáng)度特性,與大多數(shù)玻璃纖維不同,它對(duì)堿、酸和鹽的侵蝕具有很高的抵抗力,這使它成為混凝土、橋梁和海岸線結(jié)構(gòu)的良好候選材料[12]。與碳纖維和芳綸纖維相比,具有應(yīng)用溫度范圍更廣(-269～+650 ℃)、抗壓強(qiáng)度更高、抗剪強(qiáng)度更高的特點(diǎn)。

2 FRP復(fù)合新材料在橋梁施工中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

研究選擇了一種創(chuàng)新的預(yù)制玻璃纖維增強(qiáng)聚合物(FRP)結(jié)構(gòu)絕緣(SIP)板作為橋梁建造面板[14]。耐腐蝕FRP鋼筋格柵和SIP模板集成在非常大的模塊化面板中。結(jié)構(gòu)形式充分利用了玻璃鋼復(fù)合材料的可裁剪性和輕質(zhì)性,提高了施工速度和安全性[15]。

FRP SIP板是預(yù)制裝配的現(xiàn)成組件,通常用于腐蝕性環(huán)境中的地板格柵,形成由2層(頂部和底部)組成的三維格柵(見(jiàn)圖1)。主要承載構(gòu)件為38 mm工字鋼,中心間距為100 mm,在垂直于交通方向(橫向)安裝。3部分橫桿,中心間距為100 mm,沿平行于交通(縱向)的方向穿過(guò)工字鋼腹板上的預(yù)鉆孔,提高各加固層的平面剛度,并約束核心混凝土,以確保與結(jié)構(gòu)工字鋼的機(jī)械兼容性。頂部和底部加固層使用2部分垂直連接件進(jìn)行集成,連接件的中心間距為100 mm。形成連接件的2個(gè)部件的形狀為環(huán)氧樹(shù)脂粘合到工字鋼上,然后固定在一起。模板由3.2 mm厚和1.22 m長(zhǎng)的環(huán)氧樹(shù)脂板組成,這些板與底層的工字鋼粘結(jié)在一起[16]。

圖1 預(yù)制FRP SIP面板

每個(gè)SIP面板的寬度為7.06 m,典型長(zhǎng)度為2.44 m(見(jiàn)圖1),質(zhì)量約為23.7 kg/m2。寬度與橋面的寬度相對(duì)應(yīng),每側(cè)減去127 mm,以便在現(xiàn)場(chǎng)形成傳統(tǒng)的滴水邊緣缺口。使用大尺寸和輕質(zhì)面板,可以在4個(gè)錨固點(diǎn)用起重機(jī)的單鉤輕松地將SIP鋼筋放置在橋梁上[17]。相鄰面板通過(guò)0.30 m重疊以非機(jī)械方式連接,通過(guò)偏移頂部和底部光柵層形成,從而在縱向上保持一定程度的連續(xù)性,具體如圖2(a)所示。插入3.2 mm厚的條帶覆蓋SIP板對(duì)板對(duì)接接頭,以防止混凝土在澆筑過(guò)程中泄漏。當(dāng)使用鋼梁時(shí),每2.44 m通過(guò)不銹鋼螺栓將每個(gè)SIP裝置固定在頂部法蘭上,用6.3 mm厚的FRP墊圈將底部加強(qiáng)層固定到位,具體如圖2(b)所示。當(dāng)在大梁和橋面之間尋求復(fù)合作用時(shí),可在面板中心提供縱向和橫向間距為10 cm的預(yù)鉆孔,以容納焊接剪力釘。面板不需要起拱來(lái)匹配使用修整機(jī)形成的路拱。端板的長(zhǎng)度和布局設(shè)計(jì)適合實(shí)際的橋梁長(zhǎng)度和伸縮縫。由于玻璃鋼易于鋸切,因此可以在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)整,具體如圖2(c)所示。

(a)面板連接

使用輕質(zhì)玻璃鋼保持架,大大簡(jiǎn)化了搬運(yùn)和安裝操作,同時(shí)消除了現(xiàn)場(chǎng)鋼筋捆扎,縮短了安裝時(shí)間。從研發(fā)到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施FRP橋面是制造商以及工程師協(xié)調(diào)進(jìn)行的,與承包方一起計(jì)劃施工作業(yè),以盡量減少時(shí)間和工作量[18]。從SIP面板安裝到玻璃鋼筋混凝土橋面和欄桿的施工。一般在5 d內(nèi)完成,而不是承包商建造的類(lèi)似鋼橋通常需要2～3周。甲板面板的安裝在第1 d由6名工人在6 h內(nèi)完成。第2 d,安裝了36個(gè)軌柱籠,形成了甲板細(xì)節(jié)(伸縮縫、倒角、滴水邊),并設(shè)置了精整機(jī)。第3 d完成橋面澆筑和修整。其余2 d用于安裝明柱混凝土連續(xù)罐籠和模板,最后澆筑[19]。

3 結(jié)語(yǔ)

鋼筋可以用FRP復(fù)合材料代替,特別是在混凝土結(jié)構(gòu)暴露于環(huán)境負(fù)荷增加的情況下。使用極限狀態(tài)是FRP加固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的決定標(biāo)準(zhǔn)。FRP復(fù)合材料在橋梁工程中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯。經(jīng)大量的應(yīng)用發(fā)現(xiàn),該FRP復(fù)合材料可廣泛適用于新建橋梁,也適用于加固舊橋梁。本研究介紹了一種新型預(yù)制FRP筋在快速橋面施工中的應(yīng)用方案,采用非常大尺寸和輕質(zhì)的模塊式固定板,包括一個(gè)雙層格柵和環(huán)氧樹(shù)脂粘合模板,設(shè)計(jì)用于提高施工性能,消除了模板和現(xiàn)場(chǎng)綁鋼筋的需要,節(jié)約了時(shí)間成本[20]。

本方案對(duì)橋梁施工設(shè)計(jì)及新型復(fù)合材料的應(yīng)用提供重要參考。