纤维增强复合材料(FRP)桥面板

(4)纤维增强复合材料（FRP）桥面板钢材锈蚀和混凝土劣化是影响钢筋混凝土和钢构件耐久性的最主要问题，它不仅影响着结构的使用寿命，还会导致大量的安全隐患，甚至造成事故。由于桥梁结构长期暴露在自然环境中，加上近海地区的氯离子等原因，使得桥梁结构的锈蚀退化问题尤为突出。因此，桥面结构的劣化一直是困扰公路桥梁的一个“顽疾”。由于纤维增强复合材料（FRP）有很好的耐腐蚀性能，因此用FRP制造桥面体系被认为是提高传统桥梁结构耐久性的一个发展方向。FRP桥面体系一般为全FRP结构或FRP－混凝土叠合梁板，断面形式多样。它与传统的钢筋混凝土桥板相比具有明显的优势：①在工厂中加工成型，重量很轻，安装速度快；②能够抵抗除冰盐、海水、空气中氯离子的侵蚀，维护费用低；③恒载小，可减少支撑结构和下部结构负担的荷载；④为弹性结构，并且通常设计截面尺寸由挠度控制，偶尔超载可以弹性恢复；⑤疲劳性能好。在工程应用中，可以直接用FRP桥面体系建造新桥梁，也可以用于旧桥修复，即用FRP桥板替换原有的混凝土桥板，一方面可减轻桥面结构自重，甚至可以提高荷载等级，另一方面获得了更好的耐腐蚀性。①受力特点FRP桥面体系主要有两种形式：一种是板式桥，即用FRP桥板直接实现跨越，如图错误!文档中没有指定样式的文字。.1(a)所示；另一种是梁式桥，将FRP桥面板搁置在钢梁或混凝土梁上，如图错误!文档中没有指定样式的文字。.2(b)所示。这两种形式中，FRP桥面板主要承弯矩、剪力和局部压力。根据材料可分为全FRP桥面板和FRP-混凝土/木材叠合板两类：全FRP桥面板一般为上下FRP面板和腹板组成，上面板受压和下面板受拉，中间腹板部分主要承受剪力，同时连接上下面板，如图错误!文档中没有指定样式的文字。.2(a)示意；在FRP－混凝土/木材叠合板中，混凝土或木材布置在受压区内，而FRP主要受拉，它们之间通过剪力连接件或粘结等方式传递剪力，如图错误!文档中没有指定样式的文字。.2(b)示意。当荷载作用在局部，FRP桥面板横向还会受弯，且同时受到冲切或挤压；当作用非对称荷载时，截面上还会有扭矩出现：这些在FRP桥板的内力分析和设计中均需考虑。由于FRP为各向异性非均匀的材料，其力学性能参数需要通过铺层设计确定，同时还需考虑加工工艺的可行性，这些特点与传统的结构材料有很大的不同，因此FRP桥板的设计比较复杂，需要设计人员与专业FRP供应商配合完成。图错误!文档中没有指定样式的文字。.1FRP桥面板体系图错误!文档中没有指定样式的文字。.2FRP桥板受力示意图②FRP桥板构造目前，国内外厂商开发生产的FRP桥面体系的种类多样，根据它们的构造，可分为五大类：A.FRP夹心板（由夹心与上下面层组成）；B.FRP型材拼合空心板（由相同形式的型材连接组成）；C.FRP面板－型材芯空心板（由相同形式的型材组成的核芯与上下面板组成）；D.FRP－混凝土/木材叠合板；E.全FRP上部结构，前四种FRP桥面板的示意见图错误!文档中没有指定样式的文字。.3。这些形式的FRP桥面体系大部分都在工程中得到了应用，表错误!文档中没有指定样式的文字。.1中列出了各种类FRP桥面结构的相关试验研究或工程实例以及生产厂商。图错误!文档中没有指定样式的文字。.3FRP桥面板的形式分类表错误!文档中没有指定样式的文字。.1FRP桥面体系的分类及厂商③FRP桥面系统的优缺点优点：轻重FRP桥板比钢筋混凝土桥面在重量上降低10%～20%。因此使用FRP桥板能够比传统桥面大大降低自身重量。这就意味着新兴桥板的使用能够提高桥梁原有设计的额定载荷和原有的设计使用寿命。在新型桥梁建设中，由于大大减少了结构件的使用，因此将轻重理念能够渗透到整座桥梁结构之中。由于FRP桥面每块面板的重量不到6000磅（约2.72t），因此，使用简易设备即可完成安装工程。挖掘机在施工现场就可完成安装任务。由于安装工程无需使用昂贵的起重机，这无疑降低了施工成本，而且也不会由于空中架设的电力线路阻碍起重机工作，而影响项目施工进程。耐腐蚀钢筋易受腐蚀是导致混凝土桥面早期恶化的主要因素。道路除冰盐的使用，加上高于预期的交通严重负荷，同样加速了桥梁老化速度。由于FRP材料具有较优越的抗腐蚀能力，因此使用FRP材料制成的桥面板是传统材料的最佳替代品，解决了传统材质桥面维护工作繁重的问题。这项性能上的突破，在天气寒冷地区显得尤为重要：因为那里的桥面不得不时刻面临冰雪或除冰盐水的考验。FRP材质向众人展示了其卓越的耐久性能，具有极佳的抗腐蚀性能，至少能够保证50年性能不变。由此，FRP板材的使用寿命能够达到75～100年。快速安装在工厂制造桥梁面板并将它们运送到桥梁施工现场，这种方式与传统的水泥现场浇注施工的方式相比，具有如下好处：在受控环境中能够密切监测质量标准；不易受到天气变化造成的施工延误；最重要的一点，施工效率大幅度提高。一旦桥梁主体结构准备完毕，预装的FRP桥梁面板能够迅速的完成安装工作。而传统的桥梁施工需要耗费大量精力在架设桥梁结构，安装钢筋，浇注混凝土并需等待其凝固。（a）现场铺装FRP桥梁面板（b）整体吊装FRP桥梁面板图错误!文档中没有指定样式的文字。.4FRP桥面板现场安装高强度结构复合材料板材具备高强度的安全系数。由于FRP材料没有钢和钢筋硬度高，因此在FRP板材的设计上就需要加强该性能。目前，弯沉检测是用来评价FRP性能的最主要标准。有时FRP面板的弯沉标准甚至比传统水泥面板标准更为苛刻，这组要是由于FRP无论如何还是被视作业内一种全新的原材料。然而FRP板材的静态测试数据已经清晰表明，该种材质的桥梁面板已经大大超过的特定性能需求，并且完全能够提供高安全系数。更低的生命周期成本FRP桥面板具有非常优越的防腐性能，因此日常桥梁维护中的成本非常低廉。这同时意味着，FRP桥面板比传统材质面板具备更长的使用寿命。这些因素加在一起，是FRP材质拥有更低的生命周期成本。缺点：原材料成本高，每一座桥梁都需要单独设计。由于FRP是一项新兴技术，因此就需要额外的设计费用。而这项费用在传统材料中是不需要投入的，因为作为已经发展成熟的传统材料，是拥有一套既定的标准规范和设计程序，适用于整个桥梁工业。产量低：制造业来讲，制造、销售数量终究还是与收益密切相关。不同桥梁对应的FRP桥面板结构差异较大，工厂需要单独制作模具或制定加工工艺。④FRP桥面系统的应用现状从70年代开始，在英国、中国、保加利亚、美国、日本等地都有一些试验性的FRP桥梁建成，但真正较大规模的应用是在美国1996年以后大量公路桥梁的改造中。1996年，美Kansas州Russell的无名沟壑上架起了第一座采用FRP桥面板的公路桥，如图错误!文档中没有指定样式的文字。.5。该桥净跨6.48m，宽8.46m，设计载等级HS-20级，现场施工只用了8小时。同年，加州大学SanDiego分校的研究者也将FRP桥板安放在公路上进行了现场试验。此后FRP桥面的应用发展迅速，Ohio州甚至制订了6年内在100座桥梁中应用FRP桥面的计划。在英国、荷兰、韩国等地也有一些FRP桥面建成，而我国还没有。到目前为止，世界范围内采用FRP结构和FRP组合结构的桥梁已经超过了100座，大约有80%为FRP桥面体系，材料绝大部分为GFRP。近年来采用FRP桥面体系的桥梁大多数在美国。图错误!文档中没有指定样式的文字。.5第一座采用FRP桥面板的公路桥从上世纪70年代末，我国就开始研究FRP桥梁。1982年在北京密云建成了一座跨径20.7m、宽9.2m的GFRP蜂窝箱梁公路桥，箱梁构造如图图错误!文档中没有指定样式的文字。.6(a)所示。该桥为世界上第一座FRP结构的公路桥，设计荷载为汽车-15级，挂车-80级。1987年经过一次改造，承重结构改为钢筋混凝土面板－GFRP箱梁组合结构。建成至今已22年，结构状况良好，仍在使用中，见图错误!文档中没有指定样式的文字。.6(b)。同期，国外也在从事FRP桥梁的研究，并有一些试验性的桥梁相继建成，但这些研究的出发点都是利用FRP轻质高强的优点来建造大跨度的桥梁。90年代中期，在北美地区，随着公路桥梁中桥面结构劣化问题的日渐突出，用FRP建造桥面体系来获得好的耐久性成为桥梁结构应用FRP的主要动因。1996年开始在实际工程中试用。此后，FRP桥面体系在美国和加拿大发展迅速。目前美国已有近百座桥梁采用了FRP桥面体系，并进行了大量的相关研究。图错误!文档中没有指定样式的文字。.6第一座FRP桥梁（北京密云）在我国相关的研究工作起步较早，但应用开发比较滞后。在早期交通部公路科研院、重庆交通学院等单位都曾进行过FRP桥梁体系的相关研究，另外清华大学、同济大学、东南大学和兰州交通大学等单位也开始从事FRP桥面体系的研究，但相应的产品和应用不多，不太适合港珠澳大桥大规模的建造，但适合桥梁后期维护时，对损坏严重的桥面板更换成FRP桥面板。