新型GFR組合橋梁的應用與發(fā)展

新型GFRP組合橋梁的應用與發(fā)展

李建中教授同濟大學橋梁工程系內(nèi)容介紹一、FRP－GFRP材料的特性及在橋梁中的應用二、新型GFRP組合橋梁的型式三、新型GFRP組合橋梁的實際應用四、GFRP組合橋梁今后的發(fā)展方向一、FRP材料的特性及在橋梁中的應用纖維增強材料(FiberReinforcedPlastics，簡稱FRP)，是以非金屬纖維(如玻璃纖維GFRP、芳綸纖維AFRP和碳纖維CFRP等)作增強材料，以樹脂(如不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂和乙烯基酯樹脂)作基體材料的復合材料。從80年代FRP開始在土木工程中應用以來，它就以其優(yōu)越的性能開始贏得土木工程師的青睞?，F(xiàn)在，F(xiàn)RP材料在橋梁中的應用也越來越得到人們的重視。1FRP－GFRP材料的特性重量輕，且僅有約20%的砼板重阻尼減振性好抵抗疲勞和腐蝕性能好可快速安裝，從而減少了施工時間和勞動力成本各向異性應力應變關系直至破斷均呈線性比強度高FRP的主要特性性能碳纖維紡綸纖維玻璃纖維鋼筋屈服強度(MPa)240～340極限強度(MPa)441028402350380～520彈性模量(GPa)23010969200～210延伸率1.92.44.016比重1.81.452.547.82FRP材料的形式FRP材料的產(chǎn)品FRP片材FRP布板材FRP棒材FRP索FRP筋FRP拉擠型材FRP模壓型材型材

FRP布由連續(xù)長纖維編織而成，通常是單向纖維布，且使用前不浸潤樹脂，施工時用樹脂浸潤粘貼。FRP片材FRP棒材FRP索：將連續(xù)的長纖維單向編織，形成繩索狀的制品，再用樹脂浸潤固化而成。FRP筋：采用拉擠工藝生產(chǎn)，在表面進行處理可以帶肋也可以不帶肋，既可以在混凝土中代替鋼筋，也可以作為預應力筋。FRP拉擠型材

FRP拉擠型材將纖維束或纖維織物通過紗架連續(xù)喂入，經(jīng)過一個樹脂膠槽將纖維浸漬，再穿過熱成型模具后進入拉引機構，形成連續(xù)的FRP制品，拉擠工藝可以生產(chǎn)出截面形狀復雜的連續(xù)型材，型材可以直接作為結構構件，也可以與其他材料組合。

模壓工藝是將預浸樹脂的纖維或織物，干燥后放入金屬模具中進行加溫加壓固化而成型。既可以是長纖維，也可以是短切纖維或纖維織物。此種型材尺寸準確、表面光潔、質量穩(wěn)定，通常在平面內(nèi)呈現(xiàn)為各向同性。FRP模壓型材

手糊成型是指在室溫低壓或無壓下用樹脂將纖維或織物粘接成型的方法，以前都是人工操作完成，因此稱為手糊。此法可生產(chǎn)出形狀復雜、纖維鋪陳方向隨意、大尺寸的FRP產(chǎn)品，但質量不易穩(wěn)定。手糊FRP產(chǎn)品用復合合材料料筋代代替普普通鋼鋼筋（（棒材材）用復合合材料料作預預應力力混凝凝土結結構的的力筋筋（棒棒材））將碳纖纖維復復合材材料索索用在在斜拉拉橋拉拉索中中（棒棒材））用纖維維復合合材料料加固固橋梁梁的上上下部部結構構（片片材））纖維復復合材材料－－混凝凝土組組合橋橋梁（（型材材）全纖維維復合合材料料橋梁梁（型型材））返回3FRP在橋梁梁工程程中的的應用用二、新型GFRP組合橋橋梁的的型式式1拉擠成成型組組合橋橋面板板GFRP組合橋橋梁橋面板板拉擠成成型組組合橋橋面板板蜂窩夾夾層組組合橋橋面板板主梁全FRP結構1拉擠成成型GFRP橋面板板e)Asset系統(tǒng)f)ACCS系統(tǒng)主要拉擠成型橋面型式a)Superdeck系統(tǒng)b)DuraSpan系統(tǒng)c)EZSpan系統(tǒng)d)Strongwell系統(tǒng)Superdeck系統(tǒng)此類系系統(tǒng)又又叫六六邊形形或H型橋面面板，，它是是由西西弗利利亞大大學（（WUV）和美美國陸軍軍建筑筑工程程研究究室（（USACERL）聯(lián)合合開發(fā)發(fā)和測測試的的。這這種新新的型型材既既可被用用作單單個的的梁單單元也也可組組裝起起來產(chǎn)產(chǎn)生正正交異異性的的橋面面板。。Superdeck系統(tǒng)橫橫截面面Superdeck系統(tǒng)實實物照照片試驗研研究西弗利利亞大大學（（WUV）對這這種截截面所所進行行的靜靜力和和疲勞勞測試試結果果表明明豎向向剛度度在2,000,000次疲勞勞加載載后無無明顯顯退化化，疲疲勞周周數(shù)和和靜力力撓度度無明明顯相相關關關系且且對橋橋面的的極限限強度度幾乎乎無影影響。。疲勞勞加載載前后后的極極限破破壞荷荷載都都大大大超過過了AASHTO規(guī)范的的HS20（71.1KN）和HS25(88.9KN)活載。。即使使是HS25活載，，該系系統(tǒng)的的極限限強度度安全全系數(shù)數(shù)也超過了了6，且靜靜力撓撓度滿滿足了了L/500的撓度度需求求。H型橋面面的疲疲勞測測試H型橋面面的破破壞荷荷載測測試DuraSpan系統(tǒng)是是由總總部在在北卡卡羅來來那州州的Raleigh的MartinMarietta復合材材料公公司于于1992年開發(fā)發(fā)并由由Creative拉擠公公司生生產(chǎn)的的。目目前有有兩種種Duraspan系統(tǒng)，，均可可承受受AASHTOHS25活載。。其具具體尺尺寸為為2)DuraSpan系統(tǒng)橋面連連接形形式這種橋橋面可可安裝裝在鋼鋼、砼砼和全全復合合材料料的縱縱梁上上，因因此相相應的的連接接也有有好幾幾種方方式。。但大大部分分的橋橋面采采用了了傳統(tǒng)統(tǒng)的剪剪力鍵鍵或蹬蹬筋連連接以以利用用其與與縱梁梁的組組合彎彎曲作作用。。此類類板梁梁連接接已經(jīng)經(jīng)進行行了水水平剪剪切和和橫向向彎曲曲的靜靜力和和疲勞勞測試試，效效果良良好。。與鋼縱縱梁的的連接接與砼縱縱梁的的連接接試驗研研究美國加加州大大學圣圣地亞亞哥分分校的的學者者對該該產(chǎn)品品進行行了疲疲勞測測試、、靜力力剛度度測試試、振振動測測試和和靜載載破壞壞測試試。除除此之之外，，特拉拉華大大學(UniversityofDelaware)也對此此種橋橋面及及其由由此組組成的的上部部結構構進行行了廣廣泛的的測試試。測測試包包括有有以下下五個個方面面：a層狀試試件的的拉壓壓測試試；b橋面接接頭的的靜力力、疲疲勞和和耐久久性測測試；；c橋面和和縱梁梁連接接的靜靜力和和疲勞勞測試試；d鋪裝層層的耐耐久性性測試試；e橋面本本身的的靜力力和疲疲勞測測試等等。橋面的的靜力力測試試橋面的的疲勞勞測試試橋面的的局部部疲勞勞測試試3)EZSpan系統(tǒng)EZSpan系統(tǒng)是是ARC（AtlanticResearchCorp.）和佐佐治亞亞理工工學院院（GeorgiaInstituteofTechnology）1999年開發(fā)發(fā)的一一種GFRP橋面板板。9英寸厚厚的面面板由由手糊糊的上上下兩兩層面面板和和拉擠擠成型型的三三角形形構架架芯管管膠結結組成成。每每個等等邊三三角形形構架架芯管管邊長長約8英寸，，用ARC生產(chǎn)的的浸潤潤聚乙乙烯樹樹脂的的三向向編織織無堿堿玻璃璃纖維維拉擠擠而成成，該該編織織纖維維貫穿穿整個個厚度度范圍圍，可可提供供優(yōu)異異的耐耐久性性能，，如將將其切切開成成平面面織物物片時時寬約約28英寸。。而面面板則則由浸浸潤聚聚乙烯烯樹脂脂的編編結無無堿玻玻璃纖纖維手手糊而而成。4)Strongwell系統(tǒng)從1998年春天天開始始，VirginiaTech和Strongwell公司開開發(fā)和和測試試了Strongwell系統(tǒng)。。此類類GFRP橋面板板也是是完全全采用用拉擠擠型材材粘貼貼而成成的。。所不不同的的是，，它由由GFRP拉擠方方管和和平板板粘結結組成成。整整個系系統(tǒng)的的厚度度可因因方管管的尺尺寸變變化而而變化化，范范圍從從120.7mm變化到到203.3mm，自重重為(90-117Kg/m2)，見下下圖。。Strongwell系統(tǒng)截截面6英寸拉拉擠方方管連連續(xù)玻玻璃纖纖維墊墊玻玻璃纖纖維粗粗紗試驗研研究VirginiaTech對此類類面板板作了了大量量的荷荷載測測試以以驗證證其可可行性性。測測試的的橋面面板為為3跨1.2米（交通通方向向），，寬4.2米，厚120毫米，由拉拉擠方方管和和上下下面板板組成成。方方管用用環(huán)氧氧樹脂脂膠結結并用用間距距0.3米，穿過管管壁的的玻璃璃纖維維桿連連接起起來，，而管管和板板間也也用環(huán)環(huán)氧樹樹脂膠膠結。。全板板支承承在1.2米間距的的4根W16×40的鋼梁梁上，，加載載板為為0.3×0.5米并放放在氯氯丁橡橡膠上上。測測試包包括強強度測測試，，剛度度測試試和強強度測測試完完成后后的疲疲勞測測試三三個方方面，，其截截面形形式和和測試試設置置見下下圖。。測試Strongwell系統(tǒng)斷面Stronwell系統(tǒng)橋面板的實驗驗室測試5)Asset系統(tǒng)Asset系統(tǒng)截面是由Mouchel(英國)，F(xiàn)iberline(丹麥)，KTH(瑞典)，IETCC(西班牙)，Skanska(瑞典)，HIM(荷蘭)和OxfordshireCountyCouncil(英國)等七個單位組成的的合作體共同研發(fā)發(fā)的。Asset系統(tǒng)截面是基于英英國BS5400規(guī)范中HA和HB類荷載取2米的跨度和40噸的荷載來設計的的。另外，截面的的高度和尺寸均要要滿足適于拉擠成成型的方便及與現(xiàn)現(xiàn)存橋梁具有相容容性。最終采用的的截面高度為225毫米，寬度包括搭搭接接頭為521毫米，并采用無堿堿玻璃纖維浸異酞酞聚合樹脂拉擠成成型，如下圖。試驗研究對Asset系統(tǒng)進行的實驗包包括小比例和大比比例的測試。在瑞瑞典KTH進行的小比例測試試提供了各種層狀狀纖維敷設方式的的力學屬性。測試試出來的性質包括括了拉、壓及剪切切的強度及模量。。同時，還對完全全浸潤的GFRP復合材料板進行了了小比例的耐久性性測試。大比例的測試則在在西班牙的IETCC進行，其測試項目目包括靜力彎曲和和剪切、疲勞（10,000,000次）、蠕變，沖擊擊等。通過以上測測試表明Asset截面的實際結構行行為與設計一致，，撓跨比小于1/300且靜力破壞模式主主要是支承附近的的腹板底部的剪切切破壞。Asset系統(tǒng)橋面板的實驗驗室測試6)ACCS系統(tǒng)ACCS（AdvancedCompositesConstructionSystem）系統(tǒng)又叫COMPOSOLITETM系統(tǒng),是一種先進的復合合材料建筑板，可可用作主要承載構構件。其模塊化的的建筑系統(tǒng)由一些些用拉擠法生產(chǎn)的的互鎖FRP構件所組成。其主要受力構件是是有開口肋的面板板，公稱尺寸為76.2mm厚609.6mm寬，此面板可以用用三向連接器，450連接器，栓釘（toggle）或掛鉤(hanger)等五種互鎖的拉擠擠FRP構件連接起來，見見圖。主要構件和和連接構件的尺寸寸見下頁圖。主要有美國的KSCI(KansasStructuralComposites,Inc.)系統(tǒng)、Hardcore系統(tǒng)和加拿大的纖纖維纏繞三角管系系統(tǒng)等。(a)(b)蜂窩夾層組合面板板（a）Hardcore（b）KSCI2蜂窩夾層組合橋面面板1)Hardcore系統(tǒng)特拉華的Hardcore公司制造的Hardcore橋面系統(tǒng)由上下表表層的蒙皮加上中中間的多重纏繞加加勁腹板所構成。。制造方法是真空空輔助樹脂浸漬模模塑成型工藝(SeemanCompositeResinInfusionMoldingProcess(SCRIMP))。這種橋面的主要特特點有：重量輕，，低恒載從而增大大活載承受能力，，無需更換下部結結構和基礎就可更更換和擴寬橋面，，易于運輸制造和和安裝，設計荷載載可達HS25，撓度標準達到L/800，2,000,000次疲勞測試能力優(yōu)優(yōu)異，耐久性良好好，具高的抗腐蝕蝕性，不受惡劣天天氣影響，不透水水，無破碎、生銹銹及腐爛的缺點，，而且全年均可施施工。Hardcore系統(tǒng)所采用的FRP材料為縫制的無堿堿玻璃纖維織物加加乙烯基樹脂，玻玻璃纖維織物被認認為在平面內(nèi)各向向同性，其主要力力學性能如表:2)KSCI系統(tǒng)Kansas結構復合材料公司司生產(chǎn)的KSCI系統(tǒng)屬于蜂窩夾層層組合結構，制造造方法是采用多向向鋪陳的GFRP夾心板接觸低壓成成型法生產(chǎn)成型。。此組合結構由厚厚2.29毫米（0.09英寸）的波紋形片片材加平面片材組組成單胞尺寸50.8×101.6毫米的蜂心，蜂心心單元均是由聚脂脂薄膜接觸模壓形形成。而表面板的的制作是首先將玻玻璃纖維織物放在在鋼模中，注入樹樹脂直至達到所需需厚度，再將蜂心心濕放入面板中，，施加真空以壓緊緊并凝固。由于主梁有砼、鋼鋼及FRP等幾種型式，相應應的組合型式也有有：GFRP橋面與砼縱梁相組組合GFRP橋面與鋼縱梁相組組合GFRP橋面與FRP縱梁相組合3與主梁的組合型式式返回三、新型GFRP組合橋梁在實際中中的應用新型GFRP組合橋梁1人行橋人行橋(全FRP結構)車行橋(組合FRP結構)2001年10月，在西班牙Lleida市以南3KM處，修建了一座穿穿過一條公路，一條鐵路路和新計劃的馬德德里和巴塞羅那間間的一條高速鐵路的人行橋。橋橋式是全GFRP拉擠成型的型材修修建的桁架?？缍?8米，矢高6.2米。（矢跨比大約約為6），寬3m。橋總重約為19噸。這座橋是世界界上用玻璃纖維材材料修建的最長的的拱橋。所有的截面都是使使用無堿玻璃纖維維和機織復合襯墊墊制作的，玻璃纖維的最小含量量為50％，膠結材料為異異酞聚合物。此橋橋總體見圖。丹麥1997年建成的Fiberline寬3.2m,總長40.3m主跨27,邊跨13索采用100mm100mmGFRP棒材,主梁和塔采用拉基基型材.在英國，最近也有有多座人行橋應用用了FRP材料。其中,在康沃爾郡近博德明市的的Halgavor橋(跨度為47m的)，用GFRP作為主要結構材料以修建跨跨越干線的橋。見見下圖。位于蘭開夏州的Ribble路橋蘭開夏州的Ribble路橋美國從90年代中期，開始發(fā)發(fā)展FRP人行橋，現(xiàn)在有超超過60座的復合材料人行橋。典典型的如美國密蘇里-羅拉大學2000年6月在校園內(nèi)設計并建造的人人行橋。該采用了拉擠成型的的FRP管組型材系統(tǒng)，橋長9.14米，寬2.74米，每根GFRP管為76毫米×76毫米，厚6.35毫米，這些管用環(huán)環(huán)氧樹脂粘為七層層并用螺栓將順著著和垂直于交通方向的管管連成橋面板。其其橫截面形式是4個沿橋縱向I型梁。我國也是較早開始始研究FRP橋梁的國家之一。。從1986年起到1993年共用手糊夾層的橋橋面板建造了8座復合材料混合式式人行橋。2車行橋西維吉尼亞大學建建筑設備中心，西西維吉尼亞交通局局，美國陸軍工程程研究實驗室及復合材材料研究所修建了了Superdeck的兩個樣板工程，，分別是1997年5月在西弗吉利亞州州的路易絲鎮(zhèn)修建建的LaurelLick橋和1997年7月到8月在泰勒鎮(zhèn)修建的的WickwireRun橋。第一個項目目更換了原來的木橋面和鋼梁而全全用寬翼緣（工字字形）的GFRP梁及橋面系統(tǒng)。橋橋面用的的Creative拉擠公司生產(chǎn)的具具有垂直于交通方方向的六邊形和雙雙梯形管截面的Superdeck系統(tǒng)。橋面全長6.1米，寬4.88米，并支承在六根根6.1米長間距0.76米的GFRP寬翼緣（工字形））梁上。第二座橋是西維吉吉尼亞州泰勒縣的的WickwireRun橋。它于1997年8月修建。應用了相相同的橋面板系統(tǒng)統(tǒng)。但此系統(tǒng)由4根間距1.83米的鋼縱梁支承。。此橋長9.14米，寬6.61米，見圖。主梁采用FRP的橋式2000年在加州Riverside縣的King’sStormwater建設航道橋。此橋為兩跨10.06米的連續(xù)梁橋，13.41米寬，由六塊橋面面板組成，用了19毫米的聚合物膠結結砼面層。該橋上上部結構高度要求求很低，故采用了梁板組合的的橋面板系統(tǒng)構成成。上部結構的總總高（包括19mm的覆蓋層）為562mm。其中梁梁高362mm，板厚181mm。縱梁為為線繞碳碳－環(huán)氧樹脂脂管內(nèi)填填輕質砼砼(CSS)。加州大學學圣地亞亞哥分校校還設計計了I－5/Gilman新型復合合材料斜斜拉橋(下頁圖)。此座137.2米的斜拉拉雙線公公路橋計計劃在Gilman車道處越越過州際際5號公路。。位于加加州大學學圣地亞亞哥分校校校園內(nèi)內(nèi)。用復合材材料修建建，用來來驗證CSS(碳纖維管管內(nèi)填砼砼系統(tǒng))和HTS(混合管梁梁系統(tǒng))概念在基基礎設施施中應用用的有效效性。此此橋橋塔塔為一高高57.9米的偏心心A型框架，，是一扇扇形雙索索面斜拉拉橋。上上部結構構總寬約約18.3米，高約約1.45米。由橫向玻玻璃纖維維和碳纖纖維加強強的橫梁梁連接兩兩個環(huán)形形碳－環(huán)環(huán)氧樹脂脂管并內(nèi)填砼的的縱梁并并支撐聚聚丙烯纖纖維加強強的砼橋橋面板從從而共同同構成上上部結構。在環(huán)環(huán)形碳－－環(huán)氧樹樹脂管內(nèi)內(nèi)有橫向向肋以傳傳遞管與與內(nèi)填砼砼之間的的所有力。這個個概念對對柱和梁梁均適應應。環(huán)形形碳－環(huán)環(huán)氧樹脂脂管內(nèi)填填普通砼砼可以提供三個個功能：：穩(wěn)定碳碳－環(huán)氧氧樹脂管管；幫助助構件承承受拉繩繩的壓應應力；為索的錨錨具提供供錨定。。管和橋橋面板的的連接是是通過剪剪力鍵實實現(xiàn)的。。上部結構的橫橫向梁用用混合管管梁系統(tǒng)統(tǒng)(HTS)。每隔2.4米一個跨跨騎在縱縱梁上。。一個FRP成