纖維增強復合材料橋梁結構2019年度研究進展

葉華文，唐詩晴，段智超，楊哲，冉川

(西南交通大學 土木工程學院，成都 610031)

圖1 復合材料發展歷程Fig.1 Development course of composite materials

圖2 波音787的復合材料應用情況[1]Fig.2 Application of composite materials in Boeing 787 [1]

圖3 航空工業復合材料結構的材料結構一體化設計理念[1]Fig.3 Material-structure integrated design concept of composite material in aviation industry[1]

纖維增強復合材料的推廣與普及為橋梁工程提供了新的發展方向和更大的創新空間，現階段橋梁工程常用的復合材料主要是樹脂基的纖維增強聚合物(Fiber Reinforced Polymer，FRP)，包括玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維及玄武巖纖維等增強聚合物，FRP材料適應了現代橋梁結構大跨、輕質、耐久的需求，成為砌體、混凝土和鋼材等傳統建筑材料之外的重要工程材料。根據其組成特點，FRP的強度、彈性模量、耐久性和特殊功能等關鍵材料性能方面可根據需要進行設計，這是傳統的混凝土和鋼材難以比擬的。因此，復合材料橋梁給橋梁結構的新形式和新設計理念提供了機會，也給現有工程管理體制提出了巨大挑戰。筆者從FRP材料性能、構件和橋梁結構3個層次對近年來FRP在橋梁工程中的研究和應用進行回顧，總結近年來復合材料橋梁應用的研究與實例。

1 橋梁用FRP材料性能

1.1 FRP靜力性能

FRP是將纖維和樹脂基體通過一定制備工藝固化后形成的具有特定形狀和性能的結構材料，如圖4所示。其中，纖維一般包括碳纖維、芳綸纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維等，樹脂包括環氧樹脂、乙烯基樹脂、不飽和聚酯樹脂等。FRP是力學性質不同的纖維和樹脂按照設定的比例和條件復合而成的新材料，纖維與樹脂之間有明顯的界面存在，其力學性能一般基于組分線性迭加復合原則，如圖5所示。纖維材料的抗拉強度和拉伸模量很大程度上決定了FRP的力學性能，一般根據這兩項基本指標進行區分，彈性模量越高，成本越高，各類纖維性能價格(2018年統計)見表1。高性能纖維材料的生產基本上被日本和歐洲的少數幾家公司控制，圖6所示為日本東麗公司的CFRP系列產品。

圖4 典型纖維增強復合材料構造Fig.4 Typical fiber reinforced composite material structure

與傳統建筑材料力學性能相比，FRP力學性能主要表現為以下三方面特點：

圖5 FRP材料性能計算的線性復合原則Fig.5 Linear composite principle of FRP material properties calculation

圖6 東麗公司Carbon產品的力學性能Fig.6 Mechanical properties of Toray’s Carbon products

表1 各類纖維性能與價格對比[2]Table 1 Comparison of various fiber properties and prices [2]

圖7 FRP材料與鋼材的應力應變曲線Fig.7 The stress-strain curves of FRP materials and steel

2)各向異性。FRP力學性能呈現明顯的各向異性，抗拉強度和彈性模量與纖維方向和含量有很大關系，如圖8、圖9所示。由于很多FRP是單向纖維，所以，垂直于纖維方向的性能相對較差，如抗剪強度，成為制約其發展的一個因素。

圖8 FRP性能與纖維含量的關系Fig.8 Relationship between FRP properties and fiber content

圖9 FRP性能與纖維方向的關系Fig.9 Relationship between FRP properties and fiber direction

1.2 FRP疲勞性能

由于FRP的材料特性，其疲勞破壞過程與鋼材有很大區別。如圖10所示，疲勞破壞的臨界狀態首先表征為開裂，實際上仍能承載，纖維有顯著的止裂效應。因此，FRP抗疲勞性能優異，按最大疲勞應力，鋼疲勞強度一般是30%～50%的抗拉強度，而CFRP疲勞強度可達到70%～80%的抗拉強度，如圖11所示[3]。

圖10 FRP疲勞破壞過程Fig.10 The process of FRP fatigue failure

圖11 FRP材料和鋼材的S-N曲線圖Fig.11 S-N curves of FRP materials and steel

1.3 FRP耐久性能

作為一種新型工程材料，FRP在服役條件下，如腐蝕、溫度、輻射等作用下的力學性能演化是關注的重點，Liu等[4]對1 900多組FRP在各種環境下加速老化實驗的結果進行分析發現，FRP對常溫下(100 ℃以下)的腐蝕環境不敏感，耐久性能很好，但溫度超過100 ℃后力學性能快速下降[5]，如圖12所示。

圖12 FRP的耐久性能[4]Fig.12 Durability of FRP[4]

2 橋梁用FRP構件的研究與應用

根據不同的使用要求，典型的FRP制品形式可分為片材(布、薄板等)、筋材(光面、肋紋、纏繞等)、索材(平行索、絞索)、型材(具有一定截面形狀的制品，如管材、工字型材等)、網格材(包括硬質的網格和柔性的格柵)等[6]，如圖13所示。輕質高強的FRP材料具有良好的耐久性和抗疲勞性能，已經在橋梁構件中得到廣泛應用，主要形式表現在兩個方面：1)用于提高剛度和承載能力的加固構件；2)與鋼或混凝土結合，形成性能更優的組合構件。

2.1 FRP加固構件

FRP最早被廣泛應用于混凝土結構加固領域，可封閉裂縫，有效提升極限承載能力。橋梁加固用FRP主要是片材和筋材。周朝陽等[7]對CFRP布、邢麗麗等[8]對AFRP加固混凝土梁進行試驗研究。薛偉辰等[9]對AFRP筋與不同加固基體的粘結強度進行了系統的拉拔試驗研究。吳智深等[10]開發了BFRP網格/筋加固技術，已在南京長江大橋的加固修復中得到成功應用。然而，大量橋梁病害研究表明：既有舊橋普遍存在的問題是剛度不足，導致開裂或變形過大，直接粘貼FRP加固時由于應力滯后效應，FRP材料的應力水平一般不超過其抗拉強度的20%，加固效率很低。因此，對FRP材料施加預應力是提高加固效率和改善加固效果的有效途徑之一，如彭暉等[11]提出了嵌入式錨固的預應力CFRP板加固系統。由于CFRP抗拉強度和彈性模量都高，所以預應力CFRP加固技術得到快速發展，近年來中國已有工程應用實例，如圖13所示。

圖13 預應力CFRP板加固技術Fig.13 A strengthening technique using prestressed CFRP plates

在FRP加固鋼結構方面，葉華文等[12-13]基于自主研發的預應力CFRP板錨固及張拉系統，采用多預應力水平CFRP板加固受損鋼梁，通過疲勞試驗和理論分析，評估無粘結CFRP板加固受損鋼梁疲勞性能，提出簡便實用的疲勞壽命計算理論和分析方法。Chen等[14]對CFRP加固受損鋼管和鋼板的裂紋擴展及疲勞壽命進行試驗研究與分析。這些研究結果[13-15]都表明預應力FRP能顯著提高損傷鋼結構的剩余壽命。近年來，在預應力FRP技術的基礎上，一些學者引入傳感器，如光纖，形成智能復合材料。周智等[16]采用自主研發的滿足拉擠成型工藝的OFBG-CFRP智能碳纖維復合板對混凝土梁進行預應力加固，并實時監測CFRP板應變。鄧朗妮等[17]研制智能碳纖維(CFRP-OFBG)板，對鋼筋混凝土梁進行嵌入式加固，試驗結果表明CFRP-OFBG板在智能監測方面有良好的適用性，為今后結構加固與監測一體化提供了重要參考。

2.2 FRP組合構件

FRP組合構件在新建橋梁中得到越來越廣泛的應用，主要表現為3種形式：

2)FRP作為橋梁結構的主要受力構件之一，如FRP拉索。與傳統鋼絲索相比，FRP索耐腐蝕，疲勞強度也高于鋼索，因此，應用于大跨度的斜拉橋或懸索橋中可降低索自重，有利于結構受力。1996年Urs Meier在瑞士溫特圖爾(Winterthur)獨塔斜拉橋 Storchenbrucke橋(63 m+61 m，公路橋)采用了2根35 m CFRP拉索，近30年來對CFRP索的應力監測表明了其狀態良好，如圖14所示。江蘇大學也修建了CFRP索斜拉橋[21]。強士中等[22]基于國家863計劃項目進行主跨3 500 m級CFRP主纜懸索橋原型設計研究，發現CFRP主纜的動力特性是控制因素。由于FRP抗剪強度遠低于抗拉強度，阻礙FRP拉索大規模應用的關鍵問題是錨固系統，諸葛萍等[23]、汪昕等[24]提出了性能較好的錨具設計，實橋應用仍需繼續研究。

圖14 Winterthur公路橋CFRP索Fig.14 CFRP cable of Winterthur Highway Bridge

3)FRP型材作為橋面結構或橋墩船撞防護。熊治華等[25]對GFRP 橋面板的制作與受力性能進行研究，提出了大規模工程應用的建議。劉偉慶等[2]提出了復合材料橋梁防船撞系統，并應用于多項實際工程中。

由于FRP制造工藝和材料性能的特點，難免存在缺陷或損傷，這些缺陷或損傷對FRP結構的靜強度、疲勞性能和穩定性產生重要影響。因此，FRP構件損傷無損檢測方法、檢測標準以及測試設備是FRP構件正常服役的保證，航空航天行業已經出臺了一些規范，在橋梁結構上仍缺乏關注。

目前，針對FRP組合構件開展了一系列研究工作，在制作工藝、基本力學性能、耐久性、工程應用等多方面積累了大量的經驗和基礎數據，推動了其發展。在現有成果基礎上，FRP構件的推廣應用還需解決兩方面問題：1)FRP構件與傳統建筑材料構件連接構造的可靠性與耐久性；2)FRP構件標準化設計與制造、性能測試標準和技術。

3 全FRP橋梁結構

近30年來，FRP材料用于橋梁主要受力構件的工程實例越來越多。1986年重慶交通學院(現重慶交通大學)在校門口修建了一座主跨27 m的全部用GFRP制作的獨塔單索面斜拉人行橋，造型優美，是中國第一座全FRP橋梁，可惜后來因故拆除。圖15為位于威爾士的士里爾海港大橋(Rhyl Harbour Bridge)[26]，其主體結構采用玻璃纖維和碳纖維混合增強材料，從而減輕重量、節省施工周期并節能環保。圖16是紐約市2019年完工的第一座FRP人行天橋，全長約70 m，桁架和橋面均采用FRP材料。緬因大學先進結構與復合材料中心2019年研發的拱橋主拱采用FRP管，跨度可達24 m，如圖17所示，研發的AIT CT梁系統由FRP筒組成，比鋼材輕50%，比混凝土梁輕75%，可明顯降低施工成本。圖18為幾十座全FRP橋梁結構的統計情況，由圖18可見，目前FRP橋梁主要是荷載較小的人行橋，材料主要是GFRP，在公路橋上的應用很少。由于相同跨度下FRP橋比鋼橋或混凝土橋自重輕，其動力行為很可能是設計控制狀態。Wei等[27]對大量的FRP、鋼及混凝土人行橋的動力特性(自振頻率和阻尼比)進行分析和測試發現，相同情況下FRP橋梁的阻尼比傳統材料橋梁高2.5倍，自重輕8.6倍，對動載激勵更敏感。

圖15 里爾海港大橋FRP橋面板[26]Fig.15 FRP bridge deck of Rhyl Harbour Bridge[26]

圖16 紐約FRP人行天橋[28]Fig.16 New York FRP pedestrian bridge[28]

圖17 FRP主拱的拱橋[29]Fig.17 FRP main arch of arch bridge [29]

圖18 FRP橋梁統計Fig.18 FRP bridges statistics

圖19 FRP橋梁全壽命周期設計目標[30]Fig.19 The design goals of FRP bridge life cycle [30]

4 結論與展望

FRP因輕質高強、可設計性和高耐久性等特性已經在航空航天領域得到廣泛應用。在橋梁工程中，高性能FRP結構的研發與應用是提升舊橋服役性能、實現超大跨橋梁的方案，日益得到關注。目前，FRP橋梁的發展仍局限于作為鋼和混凝土構件的補充或替代品，與大規模應用有較大差距，產業發展面臨一些亟待解決的問題，主要表現在FRP產品單一，產學研用相互脫節，產品推廣應用困難，研發投入少且分散，缺乏完善的行業規范標準。因此，還應進行以下研究工作：

1) FRP產品性能的提升和成本降低。與航天級FRP產品相比，橋梁用FRP存在主要力學指標(如抗拉強度、抗剪強度和彈性模量)偏低，而造價較高，阻礙了其在大跨橋梁中的推廣應用。FRP構件與傳統建筑材料構件的連接構造也是FRP產品需要考慮的問題，尤其是其可靠性與耐久性。

2) FRP產品質量檢測方法與標準。橋梁工程往往涉及到巨大的經濟投入， 因此，確保FRP構件和結構的質量滿足規定要求極為重要，目前專門針對FRP的專業產品檢測標準和檢測方法仍屬空白。