论文部分内容阅读
摘要：介绍了复合材料（FRP）在建桥（如步道桥、公路桥、公路桥地板等）及 FRP 片材在修补加固桥梁方面的应用。
关键词：复合材料；桥；修补加固
前 言
桥梁是连接道路、方便行人和车辆通行的重要建筑。作为桥梁材料，古代主要依靠木材与石材，18 世纪后期，开始用钢铁及混凝土。现在，钢材及钢筋混凝土仍然是建桥的主要材料。桥梁对于河流多、山脉多和海岸线长的国家与地区来说，已是非常重要的建筑。可是，钢铁桥和钢筋混凝土桥由于长期遭受雨水和盐害侵蚀，极易生锈损害。尤其在临海地区，受海水腐蚀更为严重。又如，在冬季寒冷地区，桥上积雪阻碍通行，常用盐作融雪剂也会对桥造成腐蚀损害。为此，桥梁设计和建筑工作者们选择 FRP 用于建桥和修补加固桥梁，经过许多人的努力试制和应用，现在已取得显著效果。FRP 的优点是质量轻、强度高、耐腐蚀、非磁性、安装架设方便，对软质地基上也能架设、施工周期短和日常维护也方便；其缺点是成本高。据称，与同样规模的钢铁桥成本相比，FRP步道桥要高出 2 倍以上。另外，FRP 片材用于修补加固桥板、桥柱等例子很多，效果很好。特别是日本，自从阪神·淡路大地震后，许多桥梁被破坏或产生裂纹，采用 FRP 修补加固，與其他方法相比，省工省时，进度快，已取得引人注目的业绩。中国采用 FRP片材修补加固桥板和柱，近年来也取得可喜的成绩。建桥用 FRP 主要使用拉挤成型 FRP 型材，如 C 型材、工字材、管材、棒材等；对于大断面FRP 材，设备成型有困难，也可用人工手糊 FRP材。
1 FRP 步道桥
1.1 美国圣弗郎西斯科（原名旧金山）的FRP 步道桥在美国圣弗郎西斯科国立公园建立的 FRP 步道桥，英文名 Longspan prestek，是一座具有中心支承 21.4 m 距离的 FRP 制构架梁吊桥式的步道桥，FRP 质量为 3 t（桥总质量 5 t）。桥位于浴场附近，常有波浪水花飞溅。该桥主要采用玻璃纤维为增强材料，间苯二酸聚酯树脂为基体树脂，通过拉挤成型为 C 型槽状 FRP 型材及中空状 FRP 型材所建而成。据说，就在这座公园内，类似的 FRP 步道桥有多座，有的架设于沿海边的断崖外，有的架设于山脉的山顶处。在架设 FRP步道桥时，因构件质量轻，可用人工及直升飞机搬运与施工。
1.2 英国苏格兰的FRP步道桥
在英国苏格兰 Aberfeldy 高尔夫球场内的一条河流上架设的 FRP 步道桥，桥名为 AberfeldyFoot Bridge。该桥主塔高 18 m，桥长 113 m（由25 m + 63 m + 25 m 3 节组成），桥宽 2.2 m 为狭窄桥，全由 FRP 建成。据说，这座桥是世界上首次建成的最大 FRP 斜拉桥。该桥所用的张力绳索，是由芳纶制成。桥的梁、塔结构件，是采用拉挤 GFRP 型材制成。因斜拉桥为挠性建筑，采用吊挂式可实现相当长的桥体 FRP 步道桥。因是全 FRP 步道桥，质量轻，能在软质地基上架设，施工进度快，能满足公园业主关于减少建桥成本的要求。
1.3 美国伊利诺斯州的FRP步道桥在美国伊利诺斯州 Antionch 高尔夫球场内架设的 FRP 步道桥，桥名为 Antionch PedestrianBridge。桥长 13.5 m，桥宽 3 m，桥总质量 5 t，为构架式 FRP 步道桥。桥地板是木制的，可供行人、装运高尔夫棒球小车及高尔夫球场维持管理车辆通行。桥的构架是 FRP 制的，由 E-玻璃纤维为增强纤维材料和聚酯树脂为基体树脂，经拉挤成型制得 C 型槽 FRP 型材，再加工成 FRP构架。桥上还装有变形计，定期检测、观察桥的耐久变形情况。据说，这座桥专为在一般环境中，监控暴露的 FRP 结构长期耐久性能之目的而建造的。
1.4 中国制FRP步道桥
由武汉工业大学新材料研制厂制造的 FRP 步道桥，产品名为 GRP 非对称斜拉人行道。桥长27.4 m，桥宽 4.4 m，桥高 0.7 m，桥质量 8～9t，可 承质量 10 t。其特点是外型美观、强度高和吊装方便。这座桥已在重庆交通学院实用。
2 FRP 公路桥
2.1 美国维吉尼亚州的FRP公路桥在美国维吉尼亚州西部建立的 FRP 公路桥，桥名为 Laurel Lick Bridge。梁和桥地板都由FRP制成，地板为蜂窝状结构。增强纤维材料是采用三向 E-玻璃纤维织物、连续玻璃纤维毡及短切玻璃纤维毡；基体树脂选用聚酯树脂。此外，在 FRP 公路桥地板（20 cm 厚）上，还铺装薄层聚合物混凝土。
。2.2 美国维吉尼亚工科大学附近的FRP公路桥
在美国维吉尼亚工科大学附近有一条公路，每天交通量有约 1 000 辆车次通行，其中，学生上学用汽车占 95 %，其余为上班族用车。以前，这里有一座旧钢制桥，因年久腐蚀损坏，后改用FRP 桥。桥长 6 m，桥宽 7.2 m，主梁用高度为20 cm 盒型 FRP 工字梁制成。FRP 型材是采用碳纤维和玻璃纤维为增强纤维材料，采用乙烯基酯树脂为基体树脂，经拉挤成型法制成。因使用碳纤维，故提高了梁断面的刚性。由于碳纤维挠性好，所以用在 FRP 型材凸缘部位。把这样的桥梁 24 根并排使用。这座桥地板，选用了木制层压板。
2.3 美国俄亥俄州郊区的FRP公路桥
在美国俄亥俄州郊区架设的 FRP 公路桥，名叫 TECH21。桥长 10 m，桥宽 7.2 m。该桥有 3根主梁，因梁的断面大，现有拉挤设备无法成型制造，只好选用人工手糊成型。增强纤维材料选用 E-玻璃纤维；基体树脂选用不饱和聚酯树脂。梁为 U 型 FRP 梁。桥地板是将拉挤成型梯形断面的管子作为芯材，把它挟在 FRP 板中，采用夹层结构。这座桥通过 15 人作业。仅用 3 h 就在安装现场一气呵成。 3 公路桥用 FRP 桥地板
普通钢制公路桥、混凝土制公路桥，采用FRP 材质作为地板的应用例子也不少，尤其在美国北部一些州，那里冬季严寒，降雪多，常需要在桥地板上撒布盐作为融雪剂，以前用钢制地板或钢筋混凝土地板，容易被盐腐蚀损害，作为一项防腐蚀措施，才选用 FRP 桥地板。FRP 板也分两种，一种全由 FRP 制成；另一种是外轮廓由FRP 制成，而内部填充水泥沙浆或者填充硬质发泡聚氨酯树脂，以后一种用的较多。
4 FRP 片材在修补加固桥梁方面的应用
FRP 片材在修补加固桥梁方面的应用实例很多，尤其是近 10 a 来，因地震多，桥板、桥梁、
桥柱等产生裂纹不能使用。假如用钢板、钢筋混凝土修补加固，费工费时，施工不方便，而选用FRP 片材就很方便。现在，采用碳纤维片材、芳纶片材修补加固桥板、桥梁和桥柱非常盛行，已有专门的片材生产单位、修补加固施工单位及施工方法。中国采用FRP片材修补加固桥梁情况FRP 片材用于修补加固混凝土建筑物及桥板、桥柱等技术，在中国也犹如雨后春笋般蓬勃发展，并取得令人睹目的业绩。从事这项事业起步较早的单位有冶金部建筑研究总院工程结构研究所等院所和高校，在该项技术研究和推广应用中，作出显著成绩。据说，采用 FRP 片材已修复加固几百个工程项目，仅使用的碳纤维就多达200 t/a 以上。在 FRP 片材开发营销方面，杭州索奇先进复合材料有限公司出售的索奇牌碳纖维片材系列产品，如网格热压型、经向编织型、纬向编织型等各种规格品种，供用户选择使用，已取得很好效果。北京特希达科技有限公司与冶金工业部建筑研究总院，已于 2001 年 11 月取得“碳纤维片材修复补强混凝土结构工法”国家级工法证书。采用碳纤维片材加固的典型例子，有浙江宁波同三线高速公路立交桥、江苏镇澄运河大桥腹板、沪宁高速公路丹阳运河大桥等，不胜枚举。
5 结 语
FRP 已在步道桥、公路桥、桥地板和修补加固桥方面获得应用。充分发挥了 FRP轻质、高强、耐腐蚀、非磁性、施工设备简单、易施工等优点。但是也有不足之处，如成本高，像 FRP 步道桥与同样规模钢步道桥相比造价要高 2 倍以上；FRP 用于建造公路桥，还仅限于10 m 长以下短小桥，长桥、大桥仍受限制；加工制造大断面的 FRP 型材，还缺少大型拉挤设备，尚需业内人员不断研制和创新，任重道远。采用 FRP 片材修补加固桥板和桥柱成效明显，应用前景广泛，尤其是中国地域辽阔，公路和铁路线路很长，河流多桥也多，应加大力度推广应用。
关键词：复合材料；桥；修补加固
前 言
桥梁是连接道路、方便行人和车辆通行的重要建筑。作为桥梁材料，古代主要依靠木材与石材，18 世纪后期，开始用钢铁及混凝土。现在，钢材及钢筋混凝土仍然是建桥的主要材料。桥梁对于河流多、山脉多和海岸线长的国家与地区来说，已是非常重要的建筑。可是，钢铁桥和钢筋混凝土桥由于长期遭受雨水和盐害侵蚀，极易生锈损害。尤其在临海地区，受海水腐蚀更为严重。又如，在冬季寒冷地区，桥上积雪阻碍通行，常用盐作融雪剂也会对桥造成腐蚀损害。为此，桥梁设计和建筑工作者们选择 FRP 用于建桥和修补加固桥梁，经过许多人的努力试制和应用，现在已取得显著效果。FRP 的优点是质量轻、强度高、耐腐蚀、非磁性、安装架设方便，对软质地基上也能架设、施工周期短和日常维护也方便；其缺点是成本高。据称，与同样规模的钢铁桥成本相比，FRP步道桥要高出 2 倍以上。另外，FRP 片材用于修补加固桥板、桥柱等例子很多，效果很好。特别是日本，自从阪神·淡路大地震后，许多桥梁被破坏或产生裂纹，采用 FRP 修补加固，與其他方法相比，省工省时，进度快，已取得引人注目的业绩。中国采用 FRP片材修补加固桥板和柱，近年来也取得可喜的成绩。建桥用 FRP 主要使用拉挤成型 FRP 型材，如 C 型材、工字材、管材、棒材等；对于大断面FRP 材，设备成型有困难，也可用人工手糊 FRP材。
1 FRP 步道桥
1.1 美国圣弗郎西斯科（原名旧金山）的FRP 步道桥在美国圣弗郎西斯科国立公园建立的 FRP 步道桥，英文名 Longspan prestek，是一座具有中心支承 21.4 m 距离的 FRP 制构架梁吊桥式的步道桥，FRP 质量为 3 t（桥总质量 5 t）。桥位于浴场附近，常有波浪水花飞溅。该桥主要采用玻璃纤维为增强材料，间苯二酸聚酯树脂为基体树脂，通过拉挤成型为 C 型槽状 FRP 型材及中空状 FRP 型材所建而成。据说，就在这座公园内，类似的 FRP 步道桥有多座，有的架设于沿海边的断崖外，有的架设于山脉的山顶处。在架设 FRP步道桥时，因构件质量轻，可用人工及直升飞机搬运与施工。
1.2 英国苏格兰的FRP步道桥
在英国苏格兰 Aberfeldy 高尔夫球场内的一条河流上架设的 FRP 步道桥，桥名为 AberfeldyFoot Bridge。该桥主塔高 18 m，桥长 113 m（由25 m + 63 m + 25 m 3 节组成），桥宽 2.2 m 为狭窄桥，全由 FRP 建成。据说，这座桥是世界上首次建成的最大 FRP 斜拉桥。该桥所用的张力绳索，是由芳纶制成。桥的梁、塔结构件，是采用拉挤 GFRP 型材制成。因斜拉桥为挠性建筑，采用吊挂式可实现相当长的桥体 FRP 步道桥。因是全 FRP 步道桥，质量轻，能在软质地基上架设，施工进度快，能满足公园业主关于减少建桥成本的要求。
1.3 美国伊利诺斯州的FRP步道桥在美国伊利诺斯州 Antionch 高尔夫球场内架设的 FRP 步道桥，桥名为 Antionch PedestrianBridge。桥长 13.5 m，桥宽 3 m，桥总质量 5 t，为构架式 FRP 步道桥。桥地板是木制的，可供行人、装运高尔夫棒球小车及高尔夫球场维持管理车辆通行。桥的构架是 FRP 制的，由 E-玻璃纤维为增强纤维材料和聚酯树脂为基体树脂，经拉挤成型制得 C 型槽 FRP 型材，再加工成 FRP构架。桥上还装有变形计，定期检测、观察桥的耐久变形情况。据说，这座桥专为在一般环境中，监控暴露的 FRP 结构长期耐久性能之目的而建造的。
1.4 中国制FRP步道桥
由武汉工业大学新材料研制厂制造的 FRP 步道桥，产品名为 GRP 非对称斜拉人行道。桥长27.4 m，桥宽 4.4 m，桥高 0.7 m，桥质量 8～9t，可 承质量 10 t。其特点是外型美观、强度高和吊装方便。这座桥已在重庆交通学院实用。
2 FRP 公路桥
2.1 美国维吉尼亚州的FRP公路桥在美国维吉尼亚州西部建立的 FRP 公路桥，桥名为 Laurel Lick Bridge。梁和桥地板都由FRP制成，地板为蜂窝状结构。增强纤维材料是采用三向 E-玻璃纤维织物、连续玻璃纤维毡及短切玻璃纤维毡；基体树脂选用聚酯树脂。此外，在 FRP 公路桥地板（20 cm 厚）上，还铺装薄层聚合物混凝土。
。2.2 美国维吉尼亚工科大学附近的FRP公路桥
在美国维吉尼亚工科大学附近有一条公路，每天交通量有约 1 000 辆车次通行，其中，学生上学用汽车占 95 %，其余为上班族用车。以前，这里有一座旧钢制桥，因年久腐蚀损坏，后改用FRP 桥。桥长 6 m，桥宽 7.2 m，主梁用高度为20 cm 盒型 FRP 工字梁制成。FRP 型材是采用碳纤维和玻璃纤维为增强纤维材料，采用乙烯基酯树脂为基体树脂，经拉挤成型法制成。因使用碳纤维，故提高了梁断面的刚性。由于碳纤维挠性好，所以用在 FRP 型材凸缘部位。把这样的桥梁 24 根并排使用。这座桥地板，选用了木制层压板。
2.3 美国俄亥俄州郊区的FRP公路桥
在美国俄亥俄州郊区架设的 FRP 公路桥，名叫 TECH21。桥长 10 m，桥宽 7.2 m。该桥有 3根主梁，因梁的断面大，现有拉挤设备无法成型制造，只好选用人工手糊成型。增强纤维材料选用 E-玻璃纤维；基体树脂选用不饱和聚酯树脂。梁为 U 型 FRP 梁。桥地板是将拉挤成型梯形断面的管子作为芯材，把它挟在 FRP 板中，采用夹层结构。这座桥通过 15 人作业。仅用 3 h 就在安装现场一气呵成。 3 公路桥用 FRP 桥地板
普通钢制公路桥、混凝土制公路桥，采用FRP 材质作为地板的应用例子也不少，尤其在美国北部一些州，那里冬季严寒，降雪多，常需要在桥地板上撒布盐作为融雪剂，以前用钢制地板或钢筋混凝土地板，容易被盐腐蚀损害，作为一项防腐蚀措施，才选用 FRP 桥地板。FRP 板也分两种，一种全由 FRP 制成；另一种是外轮廓由FRP 制成，而内部填充水泥沙浆或者填充硬质发泡聚氨酯树脂，以后一种用的较多。
4 FRP 片材在修补加固桥梁方面的应用
FRP 片材在修补加固桥梁方面的应用实例很多，尤其是近 10 a 来，因地震多，桥板、桥梁、
桥柱等产生裂纹不能使用。假如用钢板、钢筋混凝土修补加固，费工费时，施工不方便，而选用FRP 片材就很方便。现在，采用碳纤维片材、芳纶片材修补加固桥板、桥梁和桥柱非常盛行，已有专门的片材生产单位、修补加固施工单位及施工方法。中国采用FRP片材修补加固桥梁情况FRP 片材用于修补加固混凝土建筑物及桥板、桥柱等技术，在中国也犹如雨后春笋般蓬勃发展，并取得令人睹目的业绩。从事这项事业起步较早的单位有冶金部建筑研究总院工程结构研究所等院所和高校，在该项技术研究和推广应用中，作出显著成绩。据说，采用 FRP 片材已修复加固几百个工程项目，仅使用的碳纤维就多达200 t/a 以上。在 FRP 片材开发营销方面，杭州索奇先进复合材料有限公司出售的索奇牌碳纖维片材系列产品，如网格热压型、经向编织型、纬向编织型等各种规格品种，供用户选择使用，已取得很好效果。北京特希达科技有限公司与冶金工业部建筑研究总院，已于 2001 年 11 月取得“碳纤维片材修复补强混凝土结构工法”国家级工法证书。采用碳纤维片材加固的典型例子，有浙江宁波同三线高速公路立交桥、江苏镇澄运河大桥腹板、沪宁高速公路丹阳运河大桥等，不胜枚举。
5 结 语
FRP 已在步道桥、公路桥、桥地板和修补加固桥方面获得应用。充分发挥了 FRP轻质、高强、耐腐蚀、非磁性、施工设备简单、易施工等优点。但是也有不足之处，如成本高，像 FRP 步道桥与同样规模钢步道桥相比造价要高 2 倍以上；FRP 用于建造公路桥，还仅限于10 m 长以下短小桥，长桥、大桥仍受限制；加工制造大断面的 FRP 型材，还缺少大型拉挤设备，尚需业内人员不断研制和创新，任重道远。采用 FRP 片材修补加固桥板和桥柱成效明显，应用前景广泛，尤其是中国地域辽阔，公路和铁路线路很长，河流多桥也多，应加大力度推广应用。