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纤维复合材料在桥梁工程中的现状、应用与前景

玄武岩纤维复合材料在桥梁工程中的现状、应用与前景

摘要:中国复合材料五十年的发展,无论是横比还是纵比,其骄人的业绩都是不争的事实,在各领域都取得了很大的进步。本文主要对玄武岩纤维复合材料在工程中的应用作一简单的介绍和展望。


一、纤维复合材料的历史和现状

        玄武岩纤维增强复合材料从上世纪四十年代问世以来, 在航空、航天、船舶、汽车、化工、医学和机械等领域已得到广泛的应用。在七八十年代,FRP以其高强、轻质、耐腐蚀等优点, 开始在土木与建筑工程结构中得到应用,并受到工程界的广泛关注,主要应用是玄武岩纤维、玻璃纤维、芳纶纤维以及其他一些高性能纤维增强的树脂基复合材料。
       我国于1958 年就开始探索在混凝土构件中用玄武岩纤维束代替钢筋,在1982 年在北京密云建成一座跨径20.7 m 的玻璃钢蜂窝箱梁公路桥, 设计荷载等级为汽- 15、挂- 80, 进行了现场荷载试验, 该桥为世界上第一座复合材料公路桥。这一时期,我国土木工程中复合材料的研究和应用居于世界前列。虽然此后玻璃钢在工程结构中的应用越来越多,但大多数都是附属性、临时性的构件, 生产工艺以手糊为主,材料为普通的玻璃纤维,因此没有形成规模化、产业化。同时, 多数的结构工程师不了解玄武岩纤维 材料, 也大大限制了它的应用和推广。
       近十多年来, 尤其在美国北岭地震和日本阪神大地震后, 玄武岩纤维 材料( 主要是片材) 加固补强混凝土结构技术在工程中得到了很好的应用。随着这项技术在世界各地的推广和发展, 玄武岩纤维 材料的轻质高强、耐腐蚀、施工性能好等优越性能被工程界逐渐认可, 开始以各种形式应用于各类土木与建筑结构工程中。目前, 玄武岩纤维 材料在工程结构中的应用和研究十分活跃,已逐渐形成一个新的学科研究热点。与此同时,复合材料工业中材料和工艺的发展也突飞猛进,高性能纤维材料的品质不断提高,价格相对降低,拉挤、缠绕、RTM等工业化工艺不断成熟,这些都为复合材料在土木工程中的应用铺平了道路。
   随着我国国民经济水平的发展,我国的基础设施的建设仍将大规模开展: 2020年前国家将投资5万亿建设铁路,2009年投资1万亿建设公路,2009年全国预计建设人行天桥3000多座。这些为复合材料在桥梁工程中的应用提供了广阔的市场。虽然,很多发达国家在桥梁中已经开始应用,但我国国内的应用发展缓慢,同时缺少针对桥梁工程开发的复合材料产品。广阔的市场前景与产品开发和市场推广的缺乏形成了巨大缺口。

二、复合材料在工程中的应用
1、高性能复合材料桥梁和桥梁构件
   由于桥梁的安全性、适用性、耐久性、施工要求和维护要求方面的结构需求,桥梁结构与其它建筑结构相比具有如下特点:不可重复,不可完全试验,荷载复杂,使用环境极端,使用期限长,制约因素多,体量较大。由于这些特殊要求使得复合材料能够在桥梁工程中具有更好的应用前景。

   从历史上看,每一次新材料应用于工程结构中都会带来革命性的变化,FRP桥梁被各国的研究者认为是FRP在结构中应用的又一新的发展方向,并进行了一系列的研究与应用工作。与初期的FRP桥梁应用不同,近年来的FRP桥梁是指采用拉挤、缠绕、RTM(树脂传递模塑)等工业化成形工艺的高性能碳纤维、高性能玻璃纤维(E玻璃和高强玻璃)、玄武岩纤维等增强复合材料型材构成的具有稳定力学性能和使用性能桥梁或桥梁部件,具有工业化、标准化的特点,能满足大用量的工程建设需要。这些桥梁可称为“高性能复合材料桥梁”,与传统桥梁相比,在以下几方面具有突出的优势。

(1)架设速度快。俄罗斯莫斯科中心城区的某人行桥采用FRP结构,其上部结构架设仅耗时2个小时,而常规的结构一般都需要2天;美国New York州某车行桥的改造,采用FRP结构替换技术,仅用2天,而常规方法则预计需要10天左右。因此,采用FRP桥梁体系可大大加快建设速度,应用于跨线桥、城市中心区桥、交通偏远区桥梁和在役桥梁翻新将具有很好的经济效益和社会效益。同时,在提高灾后应急能力以及快速反应能力方面也具有重要的应用前景。
(2)抗腐蚀能力强。构成FRP的纤维和基体材料都是耐腐蚀的非金属材料,在结构中应用可避免腐蚀破坏所带来的各种危害和损失。传统结构的腐蚀、劣化问题非常严重,不仅影响了桥梁的正常使用和寿命,还造成大量的安全和事故隐患。FRP桥梁具有的抗腐蚀性能能够保证其长期使用的可靠性,一方面可提高结构的安全性能,另一方面可降低了维护运营的投入。并且FRP具有色泽鲜艳持久的特点,不需要特殊维护,适合建造景观桥。
(3)抗超载和抗疲劳。传统的桥梁结构设计以延性和变形能力获得一部分结构的安全储备,而复合材料的力学性能表现为线弹性,主要依靠承载力提供安全储备,设计合理的FRP桥梁比传统材料桥梁的实际承载力要高。同时FRP在破坏前卸载不会发生塑性变形,因此FRP桥即使经历超载也可恢复原状,对继续使用的影响很小。此外,FRP材料的抗疲劳性能远远优于传统结构材料,非常适合在承受动载的桥梁结构中应用。由于FRP桥梁具有这样的特点,可提高交通系统的适应能力,对于我国当前的实际应用及发展具有重要意义。
(4)抗震性能好。由于FRP的力学性能优越,可以减小构件的尺寸,减轻上部结构的自重,从而减小了在地震中受到的惯性力,因此对于抗震较为有利。同时,由于承载力储备较大,也进一步提高了FRP桥梁的抗震能力。此外,由于其自重轻,在震后的快速修复与重建中具有显著的优势,尤其是在交通不便的情况下。因此,FRP桥梁在地震区的优势更为显著。
(5)可实现更大跨度。超大跨度的桥梁是人类进步和经济发展的需求之一。由于钢材和混凝土的自重较大、强度有限,随着跨度的增大,自重的影响将不断增大,传统的结构形式和材料将难以适应更大跨度的需要。FRP因其高强、轻质、耐腐蚀的优点,被认为是实现大跨度结构的理想材料。虽然目前还仅处于研究阶段,但超大跨度桥梁将是FRP桥梁的重要发展方向,而常规FRP桥梁的研发与应用则是超大跨FRP桥的基础。

2、复合材料在桥梁结构中的应用形式
2。1 FRP加固补强桥梁结构
        将FRP片材粘贴在混凝土构件表面,来提高和改善混凝土构件的受力性能。早在1980年,这项技术在我国的工程实践中就曾尝试过,但这项技术在我国的发展缓慢。上世纪80年代,瑞士联邦实验室的Meier等人对FRP板代替钢板加固混凝土结构的技术进行了系统的研究,并在工程中进行了应用。1991年用CFRP板加固了瑞士的Ibach桥。FRP片材加固混凝土结构技术已经日趋成熟,逐渐成为一种应用广泛的结构加固方法。
        FRP片材包括纤维布和FRP板。玄武岩纤维布由连续的长纤维编织而成,通常为单向纤维布,使用前不浸润树脂,施工时用树脂浸润粘贴于结构表面。FRP板是则将纤维在工厂中浸润树脂、固化预成型,一般采用拉挤或层铺制成,也是用树脂将其粘贴于结构表面进行加固。
       这项应用是目前发展最为成熟的一项技术。经过10多年的发展已经形成了从纤维材料、树脂材料以及工程应用的一系列产业。

2.2 FRP筋混凝土及预应力混凝土桥梁
   FRP也可以制成筋材、索材和网格材,在混凝土和预应力混凝土结构中直接代替钢筋和预应力钢筋,通常为拉挤或拉缠工艺制成。由于它们具有轻质高强、抗腐蚀、非磁性、抗疲劳等优点,可用于强腐蚀环境、沿海、碱渍地区的工程,以及有无磁性要求的工程。近年来,FRP筋及预应力FRP筋混凝土结构成为发展超耐久性工程结构的主要趋势。

2.3 FRP轻质桥梁
   在尝试用FRP建造大跨度桥梁的同时,FRP制成的中小跨度的轻质桥梁在实际应用中获得了很好的效果。FRP轻质桥的结构形式可根据实际需要进行设计和加工,其中桁架结构和梁板结构居多。因为FRP重量轻,所以运输吊装方便,有时可以在起重设备不便利的情况下采用人工吊装。通常FRP轻质桥梁在工厂加工制作好,只需运输到现场吊装即可完工,施工速度很快。
   由于FRP可着色,可设计性强,可以制成具有丰富色彩和形式新颖的结构,形成具有独特景观特色的轻型桥梁。此外,FRP轻质桥梁在工业建筑、腐蚀性环境以及军事舟桥中的应用也很多,结构形式主要以桁架为主。

2.4 FRP桥面板
   FRP桥面体系是FRP型材在桥梁中应用的主要形式之一,它与传统的钢筋混凝土桥板相比有以下优势:在工厂中加工成型,重量轻,运输安装方便;能够抵抗除冰盐、海水、空气中氯离子的侵蚀,维护费用低;恒载小,可减少支撑结构和下部结构的荷载;为弹性结构,设计通常为挠度变形控制,偶尔超载变形可恢复;疲劳性能好。

2。5 FRP组合构件
       FRP组合构件是将复合材料与传统的建筑材料,如混凝土、钢材等进行组合形成的新型构件形式。常见的有FRP-混凝土组合梁和FRP管混凝土。这些构件中FRP既能受力,又能作为模板,便于施工,还可以保护内部的混凝土和钢筋,具有多重功能。

       通过合理设计和组合的FRP组合构件具有非常优越的力学性能,目前许多发达国家都在开展相应研究,并在一些工程中进行了是试点应用,取得了很好的效果。我国的相关研究也在开展,但还没有大规模的工程应用。

三、复合材料桥梁发展面临的问题与挑战
       目前我国复合材料桥梁的发展面临着机遇,但也存在大量的技术问题亟待解决。主要有下面一些:
(1) 复合材料桥梁的结构形式和加工工艺还需要通过工程界与工业界的合作,进行研究开发。
(2) 复合材料型材,尤其是大截面工业化生产的复合材料型材产品的还急缺。
(3) 针对桥梁结构的复合材料连接及其质量控制仍需进一完善。
(4) 轻质桥梁的振动控制需要通过从结构工程方面的研究予以解决。
(5) 复合材料长期的徐变性能和在较高温度下的长期工作性能还有待进一验证。

       此外还存在一些非技术问题:
(1) 造价是影响复合材料桥梁应用的首要问题。复合材料桥梁具有初期造价高、但综合效益好的特点,需要通过正确的市场推广,拓宽应前景。
(2) 工程界对复合材料认识不够和复合材料工业界对桥梁工程界了解不足是目前存在的一个显著的问题。
(3) 另外,缺乏相应的产品标准与应用规范是限制其使用的主要问题。

四、结语
       从结构工程的角度来看,FRP是一种能带来结构形式革新的新材料,FRP是现有桥梁结构材料的补充。从复合材料工业发展的角度来看,桥梁是一个巨大潜在市场,具有广阔的应用前景。但目前我国的FRP桥梁还没得到很好的,这需要复合材料技术人员与结构工程技术人员的通力合作,共同开拓我国复合材料桥梁的明天。

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