纖維復合材料在橋梁工程中的應用研究

孫照武

(煙臺市市政養護中心，山東煙臺 264000)

隨著交通行業的蓬勃發展，人們要求橋梁具有更好的營運功能與更長的服役時間，然而傳統鋼筋混凝土橋梁較易產生一系列病害問題［1］，如鋼筋銹蝕、混凝土開裂等，嚴重影響橋梁的正常功能，并造成安全隱患，縮短使用年限。對此，人們對橋梁的防銹蝕以及防開裂等問題研究運用了較多的對策，但總體難以獲得滿意的實施效果。基于上述的橋梁病害問題，近些年人們開始將目光轉向新型的纖維增強復合材料（FRP），纖維復合材料造橋工藝由此得到了研究與發展，并取得了初步的應用成果。

自20世紀40年代問世以來，FRP材料便在各個領域得到了迅速發展，如航空、醫療、車輛以及造船等行業。而在土木與建筑工程領域，憑借其輕質、高強以及耐久性優異等特性，FRP材料也于七八十年代開始得到初步應用［2］，且深受業內人員的青睞，該時期較多涉及的是CFRP、GFRP及AFRP材料（分別為碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維），同時也包括其他形式，如高性能纖維增強等。在混凝土構件中，考慮將玻璃纖維束代替鋼筋具有特定的應用優勢，該方面的研究起步也較早。1982年，在北京密云縣世界上第一座復合材料公路橋建設落成［3］，采用手糊玻璃鋼蜂窩箱梁形式，跨徑20.7m，寬9.2m，設計載重約80t。

目前，在工程結構應用領域，FRP材料的應用是一個研究熱點。與此同時，復合材料在自身的工業加工與成型工藝（如拉擠、RTM、纏繞等）方面取得了長足的發展［4］，這一方面使得其生產成本得到有效降低，另一方面其材料性能品質則不斷獲得提升，高性能纖維材料涌現，從而為建設工程領域的復合材料應用奠定了基礎。另外，隨著我國科技水平與經濟能力的不斷發展，公路、鐵路等基礎設施的建設浪潮并未停止，且仍保持較大的建設規模，使得復合材料在橋梁工程中的應用研究既有相當的現實意義，也有一定的戰略價值。

1 纖維復合材料的基本特性

纖維復合材料也叫FRP材料，是一種新型復合材料，從上世紀開始，FRP橋梁便逐漸成為許多國家和地區橋梁建設的重要方向。該復合材料是傳統纖維和樹脂融合的產物，二者在性能上相互補充、取長補短，形成協同效果。在橋梁建設中的FRP材料，其主體主要采用的是環氧樹脂與乙烯基聚酯，增強纖維主要包括碳纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維及芳綸纖維等。其中，樹脂可使纖維連結成為整體，并保護纖維不受機械損傷與化學侵蝕。具體來說，FRP材料的特點如下。

（1）耐腐蝕。使用壽命方面，纖維復合材料是傳統鋼筋和混凝土的2倍［5］，可以在酸堿等環境中長時間工作。將其用于橋梁結構的加固維修時，能夠避免傳統鋼筋使用年限較久后存在的銹蝕問題，極大地提高了橋梁的服役年限，有效減少維修或改建頻次，降低拆改建工程量，節約工程成本。

（2）強度高。在拉伸強度方面，傳統鋼筋僅為碳纖維增強復合材料的15%左右［6］。在實踐中，將纖維制成復合材料筋束，也能有效提高抗拉強度。如復合材料筋束采用E玻璃纖維粘結生產時，其抗拉強度約等同于高強鋼絲，而將芳綸纖維、碳纖維及S玻璃纖維粘結組合時，其生產的筋束的抗拉強度甚至比高強鋼絲更大。

（3）容重輕。以往工程中的鋼筋質量較大，導致建造的橋梁自重較大，而當下不斷增大的人車通行量極大加劇了橋梁的負擔，由此導致的因承載能力不足而引起的事故時有發生。相比鋼筋，纖維復合材料更加輕質，容重僅為前者的1/5～1/4。將纖維復合材料用于橋梁建設，既便于生產和操作，也在較大程度上減輕了橋梁自重。

（4）抗疲勞特性好。以高強鋼絲作為對比標準，芳綸纖維和碳纖維復合材料的抗疲勞特性均優于前者，而E玻璃纖維復合材料的抗疲勞特性雖稍差于前者，但也比普通鋼絲更優［7］。在交變應力的條件下，一般金屬材質的疲勞強度不到靜荷強度的1/2，而纖維復合材料由于其內部纖維與基體所形成的整體能夠一定程度上抵抗裂縫的拉應力，故而該數值提升至約75%，且纖維能進行內力再分配，更好地承擔拉應力。同時材料延性較好，有明顯的破壞征兆，利于保證安全。

2 FRP材料在橋梁工程中的應用優勢

在實踐中，橋梁所處環境較差，使用年限較久，受力條件復雜，且具有不可重復和不可完全試驗等特點，相比一般結構物，其制約因素更多，體量也更大，對安全性、耐久性及適用性的要求更高。同時，其施工和維護要求也相對更高。對于橋梁的上述特殊條件，纖維復合材料均能較好地滿足要求。

近年來，在構成FPR橋梁或橋梁部件的增強復合材料中，應用較為頻繁的是碳纖維、玻璃纖維(E玻璃和高強玻璃)以及玄武巖纖維，這些型材可采用工業化成型技術(如拉擠、纏繞、RTM)批量生產，標準化程度高，能滿足大工程量的使用需求。與傳統橋梁相比，由上述高性能纖維復合材料制造的FPR橋梁具有以下應用優勢。

（1）架設速度快。采用FPR材料建造橋梁能極大提高施工速度，對于跨線橋、市政橋梁等具有較好的適用性，同時將其應用于橋梁改擴建或偏僻地區橋梁建造中也具有良好的社會與經濟效益，并在災后快速反應與應急能力提升方面表現出一定的應用前景。例如，俄羅斯某城市中心區的人行天橋建設，傳統的結構施工需要2d，而采用FPR施工時僅2h即能完成［8］。另外，由FPR建造的橋梁在抗災方面也有較好的表現，其快速反應與應急能力較傳統橋梁更優。

（2）抗腐蝕能力強。傳統鋼筋混凝土橋梁的銹蝕老化現象非常普遍，輕者影響橋梁正常使用功能和通行能力，重則引起嚴重的質量安全事故。而FPR材料在抗腐蝕方面表現優異，其纖維與基體均為耐腐蝕材料，能保證結構正常服役，不受腐蝕影響，保證橋梁在長期使用條件下的可靠性，從而既保證橋梁安全，也能節省相當程度的后期維修保養費用，在景觀橋建設領域優勢顯著［9］。

（3）抗超載和抗疲勞。纖維復合材料在受力條件下體現為彈性變形，且在超載后仍能恢復初始狀況，不造成后期使用困擾。同時，其疲勞極限也遠大于傳統材料，對于受動載作用下的橋梁結構十分適用。傳統的橋梁結構在受載時，往往通過一定程度的延性變形來實現安全富裕度，故在同等設計條件下，FRP橋梁的承載能力將優于傳統材料橋梁。因此，纖維復合材料的抗超載和抗疲勞能力，可有效提升我國交通體系的適應水平，在實際應用中意義重大。

（4）抗震能力強。一方面，FRP材料自身承載力富裕度大，有利于保證橋體結構的抗震能力；另一方面，FRP材料輕質高強，能設計出同等承載力下截面更小的構件，降低橋體自重，減小地震慣性力，從而增強其抗震性能。另外，在震后的橋梁修復與重建領域，FRP材料攜帶方便，安裝快捷，能有效提高施工效率，這對于偏遠地區的橋梁建設而言具有顯著優勢。

（5）可實現更大跨度的建造。傳統采用鋼筋和混凝土建造的橋梁跨度受自重限制，跨度越大，自重的影響也越大，難以實現更大跨度的建造，無法滿足大跨度的建設需求。而FRP材料輕質高強，大幅提升FRP橋梁跨度時，其橋體自重增幅有限，自重影響較小，是實現大跨度建設的理想材料。因此，在超大跨度橋梁建設領域，FRP橋梁成為一個重要的發展途徑。

3 FRP材料在橋梁工程中的應用方式

3.1 橋梁結構補強加固

橋梁混凝土結構在經歷較長的使用年限后，往往存在一定的開裂、破損、鋼筋銹蝕及滲水等病害，導致承載力不足，給后續使用帶來一定的安全隱患。為此，可將FRP片材（具體可為纖維布或FRP板）粘貼于橋梁混凝土構件表面，從而達到加固構件的目的。

FRP片材加固橋梁混凝土結構的工藝己經較為成熟，目前己有較多的工程應用與研究案例，如李勇等［10］依托某在役簡支板橋的加固案例，分別研究了玄武巖纖維布單獨加固、碳纖維布單獨加固以及兩者結合進行加固的橋梁性能改善效果；謝群［11］針對橋梁遇到的破損與老化等問題，介紹了碳纖維材料的加固修補工藝，實現了橋梁性能的提升。

3.2 FRP筋混凝土與預應力混凝土橋梁

FRP材料可以通過拉擠或拉纏工藝方法，制成其他各種形式，比如筋材、索材和網格材，并可在結構應用中直接替代鋼筋和預應力鋼筋，制成FRP筋混凝土橋梁或FRP筋預應力混凝土橋梁。FRP筋或FRP筋預應力結構綜合性能優異，擁有抗腐蝕、抗疲勞等特性，在沿海的強腐蝕條件或堿漬環境中也能使用，尤其是其非磁性的特點，對于需要無磁性的項目而言十分適用。目前，在工程結構的耐久性研究與應用方面，FRP筋及預應力FRP筋混凝土結構憑借其材料特性，逐漸成為一個重要的發展方向。

3.3 FRP筋輕質橋梁

FRP材料不僅在大跨度橋梁建造方面具有獨特優勢，在一些中小跨度的輕質橋梁建設方面也有理想的效果，其中大多為桁架橋或梁板橋。基于輕質高強的特性，FRP材料可以根據橋梁實際需要進行設計和加工，并在施工現場無法采用大型起重設備的情況下，亦能通過人工安裝的方式實現建造。通常FRP材料由工廠預制好相關構件，再運輸至現場進行裝配施工即可，大大提高了施工進度。

另外，FRP材料可塑性好、便于自由設計，可以根據不同的工程需要設計各類新意的造型，再結合其較強的可著色性能，可形成色彩豐富且造型獨特的輕質景觀橋梁，并在建筑廊橋、軍事便道及侵蝕環境等方向有較好的應用效果［12］。

3.4 FRP橋面板

FRP橋面體系在FRP型材的橋梁應用領域中占據相當的比重。采用FRP材料制成的橋面板具有傳統鋼筋混凝土橋面板所不具備的一系列特性［13］，具體為：FRP橋面板由工廠預制成型，再運至現場裝配施工，提高施工效率；FRP橋面板具有優異的抗腐蝕和耐久性，在海洋、鹽堿侵蝕等惡劣的環境中能保證使用功能，維修養護成本低；FRP橋面板自重較輕，能減少對橋梁墩柱的荷載作用，利于保證安全；FRP橋面板為彈性材質，抗疲勞性能強，在橋面通行車輛超載的情況下也不致于發生脆性破壞，且能在變形后恢復初始狀況，不會造成后續使用的困擾。

3.5 FRP組合構件

將纖維復合材料與其他的鋼材、混凝土等建材進行合理設計與結合，可形成新型的FRP組合構件，其同時兼具幾種材料的優異性能。在FRP組合構件中，FRP材料具備多種功能，其不但參與受力，也作為施工模板，同時能起到保護鋼筋與混凝土的作用。在常見的FRP組合構件中，FRP管混凝土［14］是在纖維復合材料塑料管中進行混凝土灌注而形成的，比傳統鋼管混凝土的隔聲隔熱性能更佳；FRP-混凝土組合梁［15］擁有FRP材料的特殊性能，同時也兼備混凝土材料的抗壓能力與低成本優勢，其箱型截面形式的組合梁己經得到業內的廣泛研究。

FRP組合構件在經過科學設計與合理組合后，能擁有十分優異的力學特性，目前很多發達國家均對此進行了深入研究與初步應用。我國在該領域的起步較晚，但己經開展了相關研究工作，距離大規模的實際應用仍需要長足的發展。

4 FRP橋梁的發展前景

FRP橋梁的特性，注定使其擁有許多傳統鋼筋混凝土橋梁所難以具備的應用優勢，推動其進一步的深化研究和落地應用，將有望突破以往橋梁建設領域的發展瓶頸，豐富橋梁應用形式，提升橋梁建設水平。基于當前的FRP橋梁應用情況，展望FRP橋梁在未來的發展前景，主要有如下幾點。

（1）將纖維復合材料作為橋梁建造材料和承重構件具有可操作性，且應用前景廣闊。新穎的建橋材料往往帶來造橋技術的進步，纖維復合材料具備的抗腐蝕、輕質高強等特點都是傳統鋼筋混凝土所不具備的，隨著其生產工藝的成熟，FRP橋梁的建造成本將持續下降，在未來必將得到更進一步的推廣。

（2）FRP復合材料筋束的抗拉強度高，將其用于斜拉橋的拉索能有效發揮其抗拉特性［16］，這一方面可作為FRP材料應用于橋梁工程的主要途徑之一。

（3）在受損橋梁的維修加固領域，采用FRP復合材料的成本較低，加固效果顯著，具有較好的推廣價值。

（4）FRP材料輕質高強，橋體自重影響很小，可能成為未來超大跨度橋梁實現跨度突破的一種關鍵材料。

5 結語

在復合材料的工業應用方面，FRP材料的抗腐蝕、耐久性優良、輕質高強等特性能滿足橋梁工程建設的大多數要求，在橋梁建設領域中的應用潛力巨大。而從工程結構方面出發，復合材料是一種新型復合材料，容重輕、抗疲勞特性好，是當前建橋材料的有效補充。

但在目前的工程實際應用中，FRP復合材料也存在一些不足，如FRP橋梁的初期建設成本較大，工業界與工程界對于復合材料的認識缺乏共通性以及復合材料的生產標準與應用規范尚未統一等，這使得當前我國的FRP橋梁發展受到一定程度的阻礙。相信在未來，克服上述主要不足后，FRP復合材料在橋梁工程中的應用將迎來更好的發展。