橋梁封護系統纖維增強復合材料曲面夾芯板加工制作工藝

□文/段 江

纖維增強復合材料（FRP）是由纖維材料與基體材料（樹脂）等按一定比例混合并經過一定工藝復合形成的高性能新型材料，主要有抗拉強度高，抗腐蝕、抗疲勞性能好，質輕而硬，絕緣，隔熱和透電磁波等特點。近年來FRP開始在土木工程領域得到了廣泛的應用，作為橋梁封護系統能提高橋梁耐久性和氣動性能并且低碳環保。

北京通州北關大道跨北運河橋采用FRP曲面夾芯板作為封護系統。夾芯板由于特殊的雙曲面構造，廠內加工制作難度非常大，特別是模具的制作，全橋無一重復，不僅制作工藝復雜，而且造價高，因此如何選擇一種既經濟又合理的加工方式是本文研究的重點。

1 工程概況

北京通州北關大道跨北運河橋封護系統為雙曲面FRP夾心板，由腹部封護、步道護板、流水平臺3部分組成，覆蓋區域總面積為8 874 m2，單塊最大面積為13.3 m2，總共分為870塊，單塊厚度最大12 cm，全橋所有夾芯板均為雙曲面構造并且外形無一重復，見圖1。FRP夾芯板由外保護層、外面層、泡沫夾芯層和FRP內面層組成，其中外保護層由氟碳涂料、防火涂料或膠衣層組成。

2 FRP曲面夾芯板技術指標

單片主體結構為復合材料聚氨酯泡沫夾芯結構，附帶鋼結構預埋件，復合材料主要采用ECT玻纖、E玻纖、阻燃性乙烯基脂樹脂、乙烯基脂樹脂、膠衣等。

材料使用壽命為30 a，拉伸強度＞210 MPa，拉伸模量＞13 GPa，彎曲強度＞225MPa，彎曲模量＞8.3 GPa，層間剪切強度＞25 MPa。

圖1 北運河橋外觀

3 FRP曲面夾芯板廠內加工制作工藝

3.1 深化設計圖紙

根據設計提供的FRP產品三維圖用Rhino設計軟件進行深化設計，將FRP產品曲線進行數字建模，根據生產需要將建好的數字模型進行拆分分塊，將分塊好的模型數據導入數控中心專用軟件進行刀軌編程并模擬驗證。見圖2。

圖2 Rhino軟件深化的單塊模型

3.2 模具制作

由于全橋FRP夾芯板數量大并且無一重復，多為雙曲面構造，因此模具制作非常復雜，而且不能夠重復利用，工程量非常大，如制作工藝選擇漿木合成材料通過三維CNC整塊銑刨，對于反向彎曲和大于90°的面板必須分段銑刨再進行拼接，其曲率較大處豎向銑刨精度不夠，同時效率低，成本大。

經過研究，最終選擇“以折代曲”的方法。首先制作塊體面板拼接單元，根據面板曲率的不同確定拼接單元的寬度，曲率越小的面板拼接單元寬度越大，反之則越小。根據每塊曲面情況，分為豎向拼接、橫向拼接、組合拼接方式，然后豎向支撐采用二維C數控切割制作，根據縱向曲率的不同確定支撐間距。此種工藝施工效率高、可批量生產、材料利用率高、能保障翻邊尺寸。

3.2.1 肋板制作

支撐肋板的加工是保證FRP夾芯板外形結構尺寸的關鍵，所以選擇切割精度較高的二維CNC數控切割器加工制作。肋板間距控制在0.3～0.8 m之間，縱向曲率越大肋板間距越小。根據塊體犀牛三維模型，剖切出各截面二維線型然后在進行切割制作。見圖3和圖4。

圖3 肋板二維模型

圖4 肋板數控切割

3.2.2 肋板整體拼接

肋板制作完成后進行拼接，拼接前在平面上設置限位塊，在板條縱向拼接部分設置縱向加勁肋板，其余部分板間設置木方連接。肋板外側設置鋼架，以保障支撐系統的穩固和整體尺寸。見圖5和圖6。

圖5 肋板組合三維模型

圖6 肋板拼接

3.2.3 面板“以折代曲”拼接

面板的拼接在已經加工好的肋板上進行，根據塊體橫向及縱向的曲率情況，共分為三種拼接方案。以其中一塊為例，兩端橫向曲率較大、中部縱向曲率相對較大，所以采用橫-縱-橫的拼接方案。板條選擇柔性材料，根據曲率情況拼接面板板條寬度1～15 cm不等。面板拼接完成后涂一層粘結油，以保障面板與膩子結合牢固。見圖7和圖8。

圖7 面板橫縱向拼接分布

圖8 面板板條拼接

3.2.4 外表面人工打磨處理

面板外表面能直接影響FRP夾芯板塊體的順滑度，本工程面板采用板條拼接而成，順滑度不符合要求，所以采用膩子找平然后打磨處理。曲率較小的地方使用打磨器打磨，曲率較大的地方采用人工砂紙打磨。

3.3 FRP面板制作

3.3.1 噴涂膠衣

膠衣層制作質量的好壞，直接影響制品的外在質量以及耐候性、耐水性和耐化學介質腐蝕性等，故膠衣層的涂刷要嚴格控制。

1）配置膠衣樹脂時，加入固化劑要充分混合攪拌均勻，避免因固化不均而產生的表面褶皺、裂紋等瑕疵。

2）膠衣可以用毛刷或專用噴槍來噴涂，若膠衣粘度太高，可添加適量苯乙烯調節粘度以及填補操作過程中揮發損失的苯乙烯，但要根據工藝要求控制苯乙烯的加入量。

3）膠衣層的厚度控制在0.3～0.5 mm之間，不宜過厚或過薄，通常以單位面積所用膠衣量來控制。

4）膠衣要噴涂均勻，盡量避免膠衣局部積聚。

5）膠衣層固化程度要控制好，準確判定增強層的糊制時間。

3.3.2 面板糊制

本工程面板制作采用手糊工藝。

1）糊制時，先在膠衣層用毛刷均勻涂刷一層配置好的樹脂，然后鋪上一層裁切好的增強材料或夾心材料，用成型工具將其刷平、壓緊，使之緊密結合并注意排除氣泡，使玻璃布充分浸漬，不得將兩層或多層增強材料同時鋪放，如此重復上述操作，直到達到設計厚度或工藝要求為止。

2）若產品幾何尺寸比較復雜，某些地方增強材料鋪放不平整，氣泡不易排出，可用剪刀剪開豁口，使之貼平，應當注意每層剪開的部位錯開，以免造成強度損失。

3）織物纖維方向不同，其強度也不同，所用增強材料鋪層方向以及鋪層方式應該按照工藝要求進行。

4）厚壁產品糊制時，一般采用多次成型，避免因散熱不良導致制品發焦、變色，甚至影響制品的物理性能。

5）糊制面板時根據設計要求達到一定厚度要放入預埋件，外側面板糊制完成后，放置夾心泡沫，在預埋區域要加強。

6）外側面板固化后糊制內側面板，其加工工藝與外側面板施工相同。

3.4 內側板面固化后脫模修整

FRP制品采用常溫常壓固化樹脂系統，固化分為凝膠、固化及熟化三個階段。

1）凝膠：樹脂從加入固化劑到失去流動性所用時間，糊制操作必須在凝膠前完成。

2）固化：從糊制完成到產品脫模所經歷的過程。

3）熟化（后固化）：產品脫模后經過很長一段時間達到其最佳性能所經歷的過程。

當產品固化至脫模強度時方可脫模，一般為15～25 min，脫模是手糊FRP制品工藝中關鍵工序，脫模的好壞直接影響產品質量和模具的有效利用。脫模時可以使用車間配置的脫模工具，但禁止用鐵錘等敲打模具。脫模后將制品放于指定位置，以等待完成后續處理。

3.5 后期處理

手糊FRP制品脫模后需要進行諸如切割、修整、加工、開孔、試裝配、檢驗、包裝等一系列處理工作。

1）切邊：按照相關文件規定，將半成品切割至指定規則形狀，切割打孔由專人負責。

2）加工：FRP制品切割完成后的進一步加工，即磨邊、去毛刺、切斷、開孔等，使用專用工具對切割好的FRP制品表面、邊角進行修整，達到客戶要求（檢驗標準）。

3）檢驗：由檢驗員對修整好的產品進行質量檢測，操作人員負責對不良品進行修補工作，修補完成（修補并打磨完成）后再送檢，直至檢驗合格，對最終未能達到檢驗要求的產品作報廢處理。

4 結語

采用此種工藝加工出的FRP塊體，不僅成本節約，工期縮短，而且產品尺寸精度高，后續經過試驗，面板及預埋系統在結構受力上完全滿足設計要求，達到理想效果。