纖維復合材料在公路橋梁中的應用

■袁 明 ■湖南交通職業技術學院，湖南 長沙 410132

隨著我國經濟增長，交通運輸業也得到了迅速發展，而公路橋梁在交通運輸中扮演了重要的角色，是交通運輸中的生命線。很多橋梁是按照舊的標準進行設計施工的，為了滿足交通運輸的需求面很大一部分需要進行加固。在現在橋梁主要為鋼筋混凝土結構與鋼結構，將纖維復合材料與代替或者部分代替鋼材可以建造大跨且自重較輕的結構。

1 纖維復合材料的分類及特性

1．1 纖維復合材料類別

纖維復合材料主要由玻璃纖維復合材料(GFRP)、碳纖維復合材料(CFRP)、芳綸纖維增強復合材料(AFRP)等，在加固時，對于不同的施工環境與受力性能，可以選擇不同類型的纖維增強復合材料。

1．2 纖維復合材料的性能

纖維復合材料的優點有:(1)纖維復合材料具有比鋼材高出十幾倍的抗拉強度，一般為1400～2000MPa，順纖維方向其抗拉強度遠大于普通鋼筋，接近高強預應力筋。所以纖維復合材料是一種輕質高強的新型復合材料。(2)纖維復合材料抗疲勞性能優良，據試驗表明，金屬抗疲勞強度為其拉伸強度的一半左右，而纖維復合材料的抗疲勞強度能達到其拉伸強度的百分之七十到百分之八十。(3)纖維復合材料抗、減震性能好，不易出現早期共振，同時震動阻尼也很大，但是激起震動后，衰減也很快。(4)傳統的建筑材料不耐腐蝕，尤其在海岸工程中，較易發生腐蝕德的現象，纖維復合材料具有優良的耐化學腐蝕能力，用它制作的設備或構件具有良好的耐酸、堿等化學介質侵蝕的能力非常強。(5)具有一定的欣賞價值，纖維復合材料是柔軟的，樹脂也是可以流動的，其產品的形狀幾乎不受限制，還可以任意著色，從而達到結構形式和材料美學的高度統一。

纖維復合材料也有一定的缺陷:(1)各向異性導致材料的方向性差異很大。(2)材料成本較高，不利于推廣。(3)某些成分的復合材料防火性能不好，要注意防范。

2 纖維復合材料在公路橋梁中的應用

2．1 在橋梁建造中的應用

在建筑行業，混凝土是一種不可或缺的材料，一般多以鋼筋配合使用，但由于鋼筋本身易受酸堿作用容易腐蝕，而影響結構的安全性與耐久性，甚至對混凝土造成破壞，因此有必要尋求新的產品。纖維和復合材料與混凝土結合，代替或者部分代替鋼筋，將會使這一情況得到大大緩解。在橋梁工程中，由于橋梁的安全性、適用性、耐久性、施工要求和檢查維護要求方面的需求等等，橋梁結構具有如下特點:荷載比較復雜，工作環境差，使用期限長，制約條件，工程量較大。由于這些特殊要求使得復合材料能夠在橋梁工程中具有更好的應用前景。

大跨度結構的橋梁是社會發展和經濟發展的需求之一。由于鋼材和混凝土的自重較大、強度有限，隨著跨度的增大，自重的影響也會增大，自重增大又要求增大截面，截面變大又會增加自重，陷入惡性循環。傳統的結構形式和材料缺陷將難以適應大跨度的需要。FRP因其高強、輕質、耐腐蝕的優點，對于建造大跨度的橋梁來說被認為是比較理想材料。雖然目前還僅處于研究開發的階段，但超大跨度橋梁將是FRP橋梁的重要發展方向。

目前我國復合材料橋梁的發展面臨著機遇，但也存在大量的技術問題亟待解決:(1)復合材料橋梁還需要通過工程化與生產化的合作，進行更加深入的研究與開發。(2)針對橋梁結構的復合材料施工工藝及其施工質量的控制仍需進一完善。(3)復合材料長期的徐變變化和在較高溫環境下的長時間工作性能還有待進一步的探索。

此外還存在一些非技術問題:(1)造價是影響復合材料橋梁應用的首要問題。復合材料橋梁具有初期造價高、但綜合效益好的特點，需要通過正確的市場推廣，拓寬應前景。(2)工程界對復合材料認識不夠，相關的施工技術未普及。(3)另外，相關的規范條文不明確。

2．2 在橋梁加固中的應用

在橋梁加固工程中，其工作原理與鋼混結構的工作原理基本相同，只是將結構內部的鋼筋轉變為結構外部的纖維復合材料。這種材料的加固原理是利用專用黏結膠，將纖維復合材料材料粘貼在待加固的橋梁結構外表面，使纖維材料、樹脂膠與結構有機地結合起來，形成整體的結構體系來共同承受荷載。纖維復合材料的高強度抗拉性能能夠有效提升被加固結構的承載力及抗、減震能力。經過試驗研究證明，纖維復合材料的橋梁加固作用，可以使被加固結構的抗彎承載力提高百分之六十以上，使被加固結構的抗剪承載力也得到同樣的提升。

在對橋梁進行加固維修時，我們常常采用碳纖維復合材料即CFRP。對橋梁的加固和維修不外乎有兩種方法，一類是針對鋼筋混凝土結構的維護，二類是針對對橋梁支撐結構或橋梁上部路面進行的維護。原有的外貼鋼結構板的方法維護鋼筋混凝土結構常有鋼板與結構分離、受潮變銹等問題，而且會對跨度比較大的橋梁結構增加自身的重量，而CFRP板粘貼可以很好的解決這一問題，而且施工過程不復雜，后期維護的效果也很好。CFRP板能夠與混凝土受拉、受壓板結合在一起，從而大大增強了強度與剛度，也能夠與梁的腹板、翼緣相結合以提高其抗剪強度與抗扭強度。使用CFRP板與鋼筋混凝土結合能夠令其強度提高25%～80%。

2．3 纖維復合材料在公路建設中的應用

在公路工程中，往往由于路基沉陷、超載等問題破壞路面，使得路面斷裂、塌陷，建造過程中可以將復合纖維材料鋪設在骨料中，與骨料成為一體，整體抗裂性能將會等等提高。對于已建工程的路面開裂問題，如果是表層拉裂，可以再表層粘貼纖維復合材料，再上瀝青覆蓋。

3 結束語

從工程的角度來看，纖維復合材料是一種能帶來結構形式革新的新材料，在建筑中占有極其重要的地位，纖維復合材料作為一類新興的先進材料，是現有橋梁結構材料的補充。復合材料在橋梁和承重結構中的應用不僅是可行的，而且具有廣闊的發展前景，不僅可用于建筑結構或是橋梁結構的承載力加固，也可用于抗震加固，也可用于人防工程的結構加固。橋梁技術的發展進步是和新型建筑材料的出現及發展息息相關的，復合材料所具有的優良特性，將會大大提高公路橋梁工程的發展。在不久的將來，纖維復合材料必將會在各個工程領域得到大力推廣應用，用在公路橋梁上的纖維復合材料也會有新的突破。但是由于纖維復合材料應用時間較短，以及它與結構構件之間結合面的復雜性，使研究工作面臨許多困難。

［1］錢啟鴻，錢芳容．FRP在橋梁加固工程中的應用［J］．橋梁與隧道工程，2008(3)．

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［3］陳曉明，李慧英．纖維復合材料在橋梁加固工程中的應用［J］．南昌水專學報，2003(1)．