纤维复合材料在桥梁工程中应用

2022-09-21 16:46:50 来源:写作指导

摘要:桥梁工程往往处于恶劣的环境中,且制约因素多、受力条件复杂,传统的钢筋与混凝土等建桥材料逐渐显现出不足,如跨度难以实现突破、桥梁使用耐久性较差、维修养护成本高等。作为一种新型复合材料,纤维复合材料(FRP)具有优异的综合性能,能很好地满足桥梁建设的多数需求。基于此,该文在介绍FRP材料基本特性的基础上,总结了其在桥梁工程中的应用优势,着重阐述了FRP材料在桥梁工程中的具体应用方式。最后,对FRP复合材料的未来发展趋势提出了几点展望。

关键词:纤维复合材料;桥梁工程;材料特性;应用研究

随着交通行业的蓬勃发展,人们要求桥梁具有更好的营运功能与更长的服役时间,然而传统钢筋混凝土桥梁较易产生一系列病害问题[1],如钢筋锈蚀、混凝土开裂等,严重影响桥梁的正常功能,并造成安全隐患,缩短使用年限。对此,人们对桥梁的防锈蚀以及防开裂等问题研究运用了较多的对策,但总体难以获得满意的实施效果。基于上述的桥梁病害问题,近些年人们开始将目光转向新型的纤维增强复合材料(FRP),纤维复合材料造桥工艺由此得到了研究与发展,并取得了初步的应用成果。自20世纪40年代问世以来,FRP材料便在各个领域得到了迅速发展,如航空、医疗、车辆以及造船等行业。而在土木与建筑工程领域,凭借其轻质、高强以及耐久性优异等特性,FRP材料也于七八十年代开始得到初步应用[2],且深受业内人员的青睐,该时期较多涉及的是CFRP、GFRP及AFRP材料(分别为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维),同时也包括其他形式,如高性能纤维增强等。在混凝土构件中,考虑将玻璃纤维束代替钢筋具有特定的应用优势,该方面的研究起步也较早。1982年,在北京密云县世界上第一座复合材料公路桥建设落成[3],采用手糊玻璃钢蜂窝箱梁形式,跨径20.7m,宽9.2m,设计载重约80t。目前,在工程结构应用领域,FRP材料的应用是一个研究热点。与此同时,复合材料在自身的工业加工与成型工艺(如拉挤、RTM、缠绕等)方面取得了长足的发展[4],这一方面使得其生产成本得到有效降低,另一方面其材料性能品质则不断获得提升,高性能纤维材料涌现,从而为建设工程领域的复合材料应用奠定了基础。另外,随着我国科技水平与经济能力的不断发展,公路、铁路等基础设施的建设浪潮并未停止,且仍保持较大的建设规模,使得复合材料在桥梁工程中的应用研究既有相当的现实意义,也有一定的战略价值。

1纤维复合材料的基本特性

纤维复合材料也叫FRP材料,是一种新型复合材料,从上世纪开始,FRP桥梁便逐渐成为许多国家和地区桥梁建设的重要方向。该复合材料是传统纤维和树脂融合的产物,二者在性能上相互补充、取长补短,形成协同效果。在桥梁建设中的FRP材料,其主体主要采用的是环氧树脂与乙烯基聚酯,增强纤维主要包括碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维及芳纶纤维等。其中,树脂可使纤维连结成为整体,并保护纤维不受机械损伤与化学侵蚀。具体来说,FRP材料的特点如下。(1)耐腐蚀。使用寿命方面,纤维复合材料是传统钢筋和混凝土的2倍[5],可以在酸碱等环境中长时间工作。将其用于桥梁结构的加固维修时,能够避免传统钢筋使用年限较久后存在的锈蚀问题,极大地提高了桥梁的服役年限,有效减少维修或改建频次,降低拆改建工程量,节约工程成本。(2)强度高。在拉伸强度方面,传统钢筋仅为碳纤维增强复合材料的15%左右[6]。在实践中,将纤维制成复合材料筋束,也能有效提高抗拉强度。如复合材料筋束采用E玻璃纤维粘结生产时,其抗拉强度约等同于高强钢丝,而将芳纶纤维、碳纤维及S玻璃纤维粘结组合时,其生产的筋束的抗拉强度甚至比高强钢丝更大。(3)容重轻。以往工程中的钢筋质量较大,导致建造的桥梁自重较大,而当下不断增大的人车通行量极大加剧了桥梁的负担,由此导致的因承载能力不足而引起的事故时有发生。相比钢筋,纤维复合材料更加轻质,容重仅为前者的1/5~1/4。将纤维复合材料用于桥梁建设,既便于生产和操作,也在较大程度上减轻了桥梁自重。(4)抗疲劳特性好。以高强钢丝作为对比标准,芳纶纤维和碳纤维复合材料的抗疲劳特性均优于前者,而E玻璃纤维复合材料的抗疲劳特性虽稍差于前者,但也比普通钢丝更优[7]。在交变应力的条件下,一般金属材质的疲劳强度不到静荷强度的1/2,而纤维复合材料由于其内部纤维与基体所形成的整体能够一定程度上抵抗裂缝的拉应力,故而该数值提升至约75%,且纤维能进行内力再分配,更好地承担拉应力。同时材料延性较好,有明显的破坏征兆,利于保证安全。

2FRP材料在桥梁工程中的应用优势

在实践中,桥梁所处环境较差,使用年限较久,受力条件复杂,且具有不可重复和不可完全试验等特点,相比一般结构物,其制约因素更多,体量也更大,对安全性、耐久性及适用性的要求更高。同时,其施工和维护要求也相对更高。对于桥梁的上述特殊条件,纤维复合材料均能较好地满足要求。近年来,在构成FPR桥梁或桥梁部件的增强复合材料中,应用较为频繁的是碳纤维、玻璃纤维(E玻璃和高强玻璃)以及玄武岩纤维,这些型材可采用工业化成型技术(如拉挤、缠绕、RTM)批量生产,标准化程度高,能满足大工程量的使用需求。与传统桥梁相比,由上述高性能纤维复合材料制造的FPR桥梁具有以下应用优势。(1)架设速度快。采用FPR材料建造桥梁能极大提高施工速度,对于跨线桥、市政桥梁等具有较好的适用性,同时将其应用于桥梁改扩建或偏僻地区桥梁建造中也具有良好的社会与经济效益,并在灾后快速反应与应急能力提升方面表现出一定的应用前景。例如,俄罗斯某城市中心区的人行天桥建设,传统的结构施工需要2d,而采用FPR施工时仅2h即能完成[8]。另外,由FPR建造的桥梁在抗灾方面也有较好的表现,其快速反应与应急能力较传统桥梁更优。(2)抗腐蚀能力强。传统钢筋混凝土桥梁的锈蚀老化现象非常普遍,轻者影响桥梁正常使用功能和通行能力,重则引起严重的质量安全事故。而FPR材料在抗腐蚀方面表现优异,其纤维与基体均为耐腐蚀材料,能保证结构正常服役,不受腐蚀影响,保证桥梁在长期使用条件下的可靠性,从而既保证桥梁安全,也能节省相当程度的后期维修保养费用,在景观桥建设领域优势显著[9]。(3)抗超载和抗疲劳。纤维复合材料在受力条件下体现为弹性变形,且在超载后仍能恢复初始状况,不造成后期使用困扰。同时,其疲劳极限也远大于传统材料,对于受动载作用下的桥梁结构十分适用。传统的桥梁结构在受载时,往往通过一定程度的延性变形来实现安全富裕度,故在同等设计条件下,FRP桥梁的承载能力将优于传统材料桥梁。因此,纤维复合材料的抗超载和抗疲劳能力,可有效提升我国交通体系的适应水平,在实际应用中意义重大。(4)抗震能力强。一方面,FRP材料自身承载力富裕度大,有利于保证桥体结构的抗震能力;另一方面,FRP材料轻质高强,能设计出同等承载力下截面更小的构件,降低桥体自重,减小地震惯性力,从而增强其抗震性能。另外,在震后的桥梁修复与重建领域,FRP材料携带方便,安装快捷,能有效提高施工效率,这对于偏远地区的桥梁建设而言具有显著优势。(5)可实现更大跨度的建造。传统采用钢筋和混凝土建造的桥梁跨度受自重限制,跨度越大,自重的影响也越大,难以实现更大跨度的建造,无法满足大跨度的建设需求。而FRP材料轻质高强,大幅提升FRP桥梁跨度时,其桥体自重增幅有限,自重影响较小,是实现大跨度建设的理想材料。因此,在超大跨度桥梁建设领域,FRP桥梁成为一个重要的发展途径。

3FRP材料在桥梁工程中的应用方式

3.1桥梁结构补强加固

桥梁混凝土结构在经历较长的使用年限后,往往存在一定的开裂、破损、钢筋锈蚀及渗水等病害,导致承载力不足,给后续使用带来一定的安全隐患。为此,可将FRP片材(具体可为纤维布或FRP板)粘贴于桥梁混凝土构件表面,从而达到加固构件的目的。FRP片材加固桥梁混凝土结构的工艺已经较为成熟,目前已有较多的工程应用与研究案例,如李勇等[10]依托某在役简支板桥的加固案例,分别研究了玄武岩纤维布单独加固、碳纤维布单独加固以及两者结合进行加固的桥梁性能改善效果;谢群[11]针对桥梁遇到的破损与老化等问题,介绍了碳纤维材料的加固修补工艺,实现了桥梁性能的提升。

3.2FRP筋混凝土与预应力混凝土桥梁

FRP材料可以通过拉挤或拉缠工艺方法,制成其他各种形式,比如筋材、索材和网格材,并可在结构应用中直接替代钢筋和预应力钢筋,制成FRP筋混凝土桥梁或FRP筋预应力混凝土桥梁。FRP筋或FRP筋预应力结构综合性能优异,拥有抗腐蚀、抗疲劳等特性,在沿海的强腐蚀条件或碱渍环境中也能使用,尤其是其非磁性的特点,对于需要无磁性的项目而言十分适用。目前,在工程结构的耐久性研究与应用方面,FRP筋及预应力FRP筋混凝土结构凭借其材料特性,逐渐成为一个重要的发展方向。

3.3FRP筋轻质桥梁

FRP材料不仅在大跨度桥梁建造方面具有独特优势,在一些中小跨度的轻质桥梁建设方面也有理想的效果,其中大多为桁架桥或梁板桥。基于轻质高强的特性,FRP材料可以根据桥梁实际需要进行设计和加工,并在施工现场无法采用大型起重设备的情况下,亦能通过人工安装的方式实现建造。通常FRP材料由工厂预制好相关构件,再运输至现场进行装配施工即可,大大提高了施工进度。另外,FRP材料可塑性好、便于自由设计,可以根据不同的工程需要设计各类新意的造型,再结合其较强的可着色性能,可形成色彩丰富且造型独特的轻质景观桥梁,并在建筑廊桥、军事便道及侵蚀环境等方向有较好的应用效果[12]。3.4FRP桥面板FRP桥面体系在FRP型材的桥梁应用领域中占据相当的比重。采用FRP材料制成的桥面板具有传统钢筋混凝土桥面板所不具备的一系列特性[13],具体为:FRP桥面板由工厂预制成型,再运至现场装配施工,提高施工效率;FRP桥面板具有优异的抗腐蚀和耐久性,在海洋、盐碱侵蚀等恶劣的环境中能保证使用功能,维修养护成本低;FRP桥面板自重较轻,能减少对桥梁墩柱的荷载作用,利于保证安全;FRP桥面板为弹性材质,抗疲劳性能强,在桥面通行车辆超载的情况下也不致于发生脆性破坏,且能在变形后恢复初始状况,不会造成后续使用的困扰。

3.5FRP组合构件

将纤维复合材料与其他的钢材、混凝土等建材进行合理设计与结合,可形成新型的FRP组合构件,其同时兼具几种材料的优异性能。在FRP组合构件中,FRP材料具备多种功能,其不但参与受力,也作为施工模板,同时能起到保护钢筋与混凝土的作用。在常见的FRP组合构件中,FRP管混凝土[14]是在纤维复合材料塑料管中进行混凝土灌注而形成的,比传统钢管混凝土的隔声隔热性能更佳;FRP-混凝土组合梁[15]拥有FRP材料的特殊性能,同时也兼备混凝土材料的抗压能力与低成本优势,其箱型截面形式的组合梁已经得到业内的广泛研究。FRP组合构件在经过科学设计与合理组合后,能拥有十分优异的力学特性,目前很多发达国家均对此进行了深入研究与初步应用。我国在该领域的起步较晚,但已经开展了相关研究工作,距离大规模的实际应用仍需要长足的发展。

4FRP桥梁的发展前景

FRP桥梁的特性,注定使其拥有许多传统钢筋混凝土桥梁所难以具备的应用优势,推动其进一步的深化研究和落地应用,将有望突破以往桥梁建设领域的发展瓶颈,丰富桥梁应用形式,提升桥梁建设水平。基于当前的FRP桥梁应用情况,展望FRP桥梁在未来的发展前景,主要有如下几点。(1)将纤维复合材料作为桥梁建造材料和承重构件具有可操作性,且应用前景广阔。新颖的建桥材料往往带来造桥技术的进步,纤维复合材料具备的抗腐蚀、轻质高强等特点都是传统钢筋混凝土所不具备的,随着其生产工艺的成熟,FRP桥梁的建造成本将持续下降,在未来必将得到更进一步的推广。(2)FRP复合材料筋束的抗拉强度高,将其用于斜拉桥的拉索能有效发挥其抗拉特性[16],这一方面可作为FRP材料应用于桥梁工程的主要途径之一。(3)在受损桥梁的维修加固领域,采用FRP复合材料的成本较低,加固效果显著,具有较好的推广价值。(4)FRP材料轻质高强,桥体自重影响很小,可能成为未来超大跨度桥梁实现跨度突破的一种关键材料。

5结语

在复合材料的工业应用方面,FRP材料的抗腐蚀、耐久性优良、轻质高强等特性能满足桥梁工程建设的大多数要求,在桥梁建设领域中的应用潜力巨大。而从工程结构方面出发,复合材料是一种新型复合材料,容重轻、抗疲劳特性好,是当前建桥材料的有效补充。但在目前的工程实际应用中,FRP复合材料也存在一些不足,如FRP桥梁的初期建设成本较大,工业界与工程界对于复合材料的认识缺乏共通性以及复合材料的生产标准与应用规范尚未统一等,这使得当前我国的FRP桥梁发展受到一定程度的阻碍。相信在未来,克服上述主要不足后,FRP复合材料在桥梁工程中的应用将迎来更好的发展。

作者:孙照武 单位:烟台市市政养护中心