橋梁工程中纖維增強復(fù)合材料的應(yīng)用研究

吳辰龍　劉佳晨

摘要：在國內(nèi)橋梁工程中，纖維增強復(fù)合材料是一種先進(jìn)的加固材料，以片材、型材、棒材、混雜等形式存在。筆者從纖維增強復(fù)合材料的應(yīng)用現(xiàn)狀入手，具體分析纖維增強復(fù)合材料的特點，最后結(jié)合現(xiàn)狀和特點，提出纖維增強復(fù)合材料在橋梁工程中的應(yīng)用形式，以促進(jìn)纖維增強復(fù)合材料在橋梁工程中的有效應(yīng)用，同時對以后橋梁工程中纖維增強復(fù)合材料的進(jìn)一步研究有所裨益。

關(guān)鍵詞：橋梁工程；復(fù)合材料；現(xiàn)狀；應(yīng)用形式

橋梁工程在交通運輸中發(fā)揮著重要作用，既是交通運輸中的生命線，又是跨越道路障礙的一種有效方式。長期以來，橋梁工程多數(shù)采用鋼鐵結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，但鋼筋混凝土橋梁一直存在因鋼筋銹蝕出現(xiàn)的耐久性和防腐性問題，且成本較高，自重較大，維修較難等各種問題。纖維增強復(fù)合材料是當(dāng)前橋梁工程中較常見的一種結(jié)構(gòu)材料，由增強材料和基體材料經(jīng)物理上宏觀組合而成。在性能上，即可保持原組分材料的特點，又可發(fā)揮組合后的新特性，適合應(yīng)用于橋梁工程中。

1.纖維增強復(fù)合材料的應(yīng)用現(xiàn)狀

橋梁工程中的纖維增強復(fù)合材料是一種以紗線、纖維或織物為基體材料，以碳纖維為增強材料組合而成的復(fù)合材料。橋梁工程中纖維增強復(fù)合材料的應(yīng)用研究最早始于20世紀(jì)70年代，英、美、日等國家首先將纖維增強復(fù)合材料應(yīng)用于橋梁工程的主要構(gòu)件中。針對這一領(lǐng)域的研究，我國最早始于20世紀(jì)80年代，在新建橋梁工程中，纖維增強復(fù)合材料的應(yīng)用包括代替鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、建造橋梁的橋面板和橫梁、制造斜拉橋的繩索或拉桿等；在已有的橋梁工程中，纖維增強復(fù)合材料可應(yīng)用于超負(fù)荷或抗震加固、橋梁有缺陷結(jié)構(gòu)的修補、因橋梁結(jié)構(gòu)老化、腐蝕或經(jīng)火災(zāi)、地震等損壞后的修補。在橋梁工程中，纖維增強復(fù)合材料的應(yīng)用日益普遍。

2.纖維增強復(fù)合材料的特點

與混凝土、鋼材等傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料相比，在材料性能上，纖維增強復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、導(dǎo)熱性弱、線膨脹系數(shù)小，疲勞極限不明顯，在橋梁裂紋出現(xiàn)后可經(jīng)多次循環(huán)載荷等特點。纖維增強復(fù)合材料與傳統(tǒng)材料性能詳情比較見下表1，從表1中發(fā)現(xiàn)，纖維增強復(fù)合材料的密度為鋼材的20%-25%，比強度為鋼材的10-15倍，為高強度合金鋼的3-5倍。在工程性能上，纖維增強復(fù)合材料具有優(yōu)化設(shè)計特種載荷，減少結(jié)構(gòu)靜載荷、增加結(jié)構(gòu)額定載荷，工程壽命長、維護(hù)成本低，無需在現(xiàn)場安裝重型設(shè)備，施工速度快，結(jié)構(gòu)的耐久性和抗斷裂性能好等特點。

3.纖維增強復(fù)合材料在橋梁工程中的應(yīng)用形式

3.1在新建橋梁工程中的應(yīng)用

在新建橋梁工程中，H型纖維增強復(fù)合材料形成的橋面板可用于縱向鋼梁支撐，也可用于縱梁支撐，材料選擇上以耐候性和耐惡劣環(huán)境較好的乙烯基酯樹脂為基體材料，E-玻璃纖維的多軸縫合織物、氈等為增強材料，并由拉擠和真空輔助樹脂傳遞模塑兩種工藝制造而成，橋面板美觀，承載能力和抗變形能力均較好，有效延長橋梁工程的使用壽命。

3.2在已有橋梁修補中的應(yīng)用

在已有橋梁修補中，拉擠帶材和碳纖維補強片材是修補并加固橋面板較常用的兩種纖維增強復(fù)合材料。拉擠帶材采用碳纖維質(zhì)地，其縱向拉伸強度超過3000MPa，模量大于150GPa，修補加固后的橋面板背部情況如下圖1。碳纖維補強片材是一種半成品基材，將單向碳纖維鋪放排列在含有少量樹脂的玻璃纖維絹布上，形成整體，經(jīng)鋪貼、翻新以修補并加固橋面板的背部，具體情況如下圖2所示。

3.3在其他方面的應(yīng)用

纖維增強復(fù)合材料在人行橋的應(yīng)用中較為廣泛，尤其在大型起重設(shè)備無法進(jìn)入或因占用鐵路線引起工期受限的復(fù)雜環(huán)境下，纖維增強復(fù)合材料的應(yīng)用價值尤為凸顯。在眾多已建成的復(fù)合材料橋梁工程中，英國的一座全復(fù)合材料人行橋尤為著名，是世界上第一座采用擠拉玻璃纖維增強復(fù)合材料修建的最長人行橋，總長113m，采用斜拉結(jié)構(gòu)，已在蘇格蘭嚴(yán)酷氣候條件下正常運行近24年，仍在正常運行中。

4.結(jié)語

纖維增強復(fù)合材料由于具有密度低、強度高、耐腐蝕性強、熱膨脹系數(shù)小等特點，在橋梁工程的使用壽命上發(fā)揮關(guān)鍵作用。近年來對纖維增強復(fù)合材料在橋梁工程中應(yīng)用的研究成果，說明纖維增強復(fù)合材料在橋梁工程上具有良好的應(yīng)用前景。纖維增強復(fù)合材料為橋梁工程提供一種多功能的施工模板，和混凝土組合形成復(fù)合材料，以發(fā)揮復(fù)合材料的高強度優(yōu)勢，同時最大限度地減少鋼材使用量。纖維增強復(fù)合材料施工模板的技術(shù)優(yōu)勢顯著，產(chǎn)業(yè)化前景廣闊，可帶動橋梁工程技術(shù)向環(huán)保、節(jié)能、可持續(xù)的方向發(fā)展。