新型GFR組合橋梁的應(yīng)用與發(fā)展

新型GFRP組合橋梁的應(yīng)用與發(fā)展

李建中教授同濟大學(xué)橋梁工程系內(nèi)容介紹一、FRP－GFRP材料的特性及在橋梁中的應(yīng)用二、新型GFRP組合橋梁的型式三、新型GFRP組合橋梁的實際應(yīng)用四、GFRP組合橋梁今后的發(fā)展方向一、FRP材料的特性及在橋梁中的應(yīng)用纖維增強材料(FiberReinforcedPlastics，簡稱FRP)，是以非金屬纖維(如玻璃纖維GFRP、芳綸纖維AFRP和碳纖維CFRP等)作增強材料，以樹脂(如不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂和乙烯基酯樹脂)作基體材料的復(fù)合材料。從80年代FRP開始在土木工程中應(yīng)用以來，它就以其優(yōu)越的性能開始贏得土木工程師的青睞?，F(xiàn)在，F(xiàn)RP材料在橋梁中的應(yīng)用也越來越得到人們的重視。1FRP－GFRP材料的特性重量輕，且僅有約20%的砼板重阻尼減振性好抵抗疲勞和腐蝕性能好可快速安裝，從而減少了施工時間和勞動力成本各向異性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系直至破斷均呈線性比強度高FRP的主要特性性能碳纖維紡綸纖維玻璃纖維鋼筋屈服強度(MPa)240～340極限強度(MPa)441028402350380～520彈性模量(GPa)23010969200～210延伸率1.92.44.016比重1.81.452.547.82FRP材料的形式FRP材料的產(chǎn)品FRP片材FRP布板材FRP棒材FRP索FRP筋FRP拉擠型材FRP模壓型材型材

FRP布由連續(xù)長纖維編織而成，通常是單向纖維布，且使用前不浸潤樹脂，施工時用樹脂浸潤粘貼。FRP片材FRP棒材FRP索：將連續(xù)的長纖維單向編織，形成繩索狀的制品，再用樹脂浸潤固化而成。FRP筋：采用拉擠工藝生產(chǎn)，在表面進行處理可以帶肋也可以不帶肋，既可以在混凝土中代替鋼筋，也可以作為預(yù)應(yīng)力筋。FRP拉擠型材

FRP拉擠型材將纖維束或纖維織物通過紗架連續(xù)喂入，經(jīng)過一個樹脂膠槽將纖維浸漬，再穿過熱成型模具后進入拉引機構(gòu)，形成連續(xù)的FRP制品，拉擠工藝可以生產(chǎn)出截面形狀復(fù)雜的連續(xù)型材，型材可以直接作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件，也可以與其他材料組合。

模壓工藝是將預(yù)浸樹脂的纖維或織物，干燥后放入金屬模具中進行加溫加壓固化而成型。既可以是長纖維，也可以是短切纖維或纖維織物。此種型材尺寸準確、表面光潔、質(zhì)量穩(wěn)定，通常在平面內(nèi)呈現(xiàn)為各向同性。FRP模壓型材

手糊成型是指在室溫低壓或無壓下用樹脂將纖維或織物粘接成型的方法，以前都是人工操作完成，因此稱為手糊。此法可生產(chǎn)出形狀復(fù)雜、纖維鋪陳方向隨意、大尺寸的FRP產(chǎn)品，但質(zhì)量不易穩(wěn)定。手糊FRP產(chǎn)品用復(fù)合材料筋代替普通鋼筋（棒材）用復(fù)合材料作預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的力筋（棒材）將碳纖維復(fù)合材料索用在斜拉橋拉索中（棒材）用纖維復(fù)合材料加固橋梁的上下部結(jié)構(gòu)（片材）纖維復(fù)合材料－混凝土組合橋梁（型材）全纖維復(fù)合材料橋梁（型材）返回3FRP在橋梁工程中的應(yīng)用二、新型GFRP組合橋梁的型式1拉擠成型組合橋面板GFRP組合橋梁橋面板拉擠成型組合橋面板蜂窩夾層組合橋面板主梁全FRP結(jié)構(gòu)1拉擠成型GFRP橋面板

e)Asset系統(tǒng)f)ACCS系統(tǒng)主要拉擠成型橋面型式a)Superdeck系統(tǒng)b)DuraSpan系統(tǒng)c)EZSpan系統(tǒng)d)Strongwell系統(tǒng)Superdeck系統(tǒng)

此類系統(tǒng)又叫六邊形或H型橋面板，它是由西弗利亞大學(xué)（WUV）和美國陸軍建筑工程研究室（USACERL）聯(lián)合開發(fā)和測試的。這種新的型材既可被用作單個的梁單元也可組裝起來產(chǎn)生正交異性的橋面板。

Superdeck系統(tǒng)橫截面 Superdeck系統(tǒng)實物照片

試驗研究

西弗利亞大學(xué)（WUV）對這種截面所進行的靜力和疲勞測試結(jié)果表明豎向剛度在2,000,000次疲勞加載后無明顯退化，疲勞周數(shù)和靜力撓度無明顯相關(guān)關(guān)系且對橋面的極限強度幾乎無影響。疲勞加載前后的極限破壞荷載都大大超過了AASHTO規(guī)范的HS20（71.1KN）和HS25(88.9KN)活載。即使是HS25活載，該系統(tǒng)的極限強度安全系數(shù)也超過了6，且靜力撓度滿足了L/500的撓度需求。

H型橋面的疲勞測試H型橋面的破壞荷載測試

DuraSpan系統(tǒng)是由總部在北卡羅來那州的Raleigh的MartinMarietta復(fù)合材料公司于1992年開發(fā)并由Creative拉擠公司生產(chǎn)的。目前有兩種Duraspan系統(tǒng)，均可承受AASHTOHS25活載。其具體尺寸為2)DuraSpan系統(tǒng)橋面三連接三形式這種三橋面三可安三裝在三鋼、三砼和三全復(fù)三合材三料的三縱梁三上，三因此三相應(yīng)三的連三接也三有好三幾種三方式三。但三大部三分的三橋面三采用三了傳三統(tǒng)的三剪力三鍵或三蹬筋三連接三以利三用其三與縱三梁的三組合三彎曲三作用三。此三類板三梁連三接已三經(jīng)進三行了三水平三剪切三和橫三向彎三曲的三靜力三和疲三勞測三試，三效果三良好三。與鋼三縱梁三的連三接與砼三縱梁三的連三接試驗三研究美國三加州三大學(xué)三圣地三亞哥三分校三的學(xué)三者對三該產(chǎn)三品進三行了三疲勞三測試三、靜三力剛?cè)葴y三試、三振動三測試三和靜三載破三壞測三試。三除此三之外三，特三拉華三大學(xué)(U三ni三ve三rs三it三y三of三D三el三aw三ar三e)也對三此種三橋面三及其三由此三組成三的上三部結(jié)三構(gòu)進三行了三廣泛三的測三試。三測試三包括三有以三下五三個方三面：a層狀三試件三的拉三壓測三試；b橋面三接頭三的靜三力、三疲勞三和耐三久性三測試三；c橋面三和縱三梁連三接的三靜力三和疲三勞測三試；d鋪裝三層的三耐久三性測三試；e橋面三本身三的靜三力和三疲勞三測試三等。橋面三的靜三力測三試橋面三的疲三勞測三試橋面三的局三部疲三勞測三試3)三E三Z三Sp三an系統(tǒng)EZ三S三pa三n系統(tǒng)三是AR三C（At三la三nt三ic三R三es三ea三rc三h三Co三rp三.）和三佐治三亞理三工學(xué)三院（Ge三or三gi三a三In三st三it三ut三e三of三T三ec三hn三ol三og三y）19三99年開三發(fā)的三一種GF三RP橋面三板。9英寸三厚的三面板三由手三糊的三上下三兩層三面板三和拉三擠成三型的三三角三形構(gòu)三架芯三管膠三結(jié)組三成。三每個三等邊三三角三形構(gòu)三架芯三管邊三長約8英寸三，用AR三C生產(chǎn)三的浸三潤聚三乙烯三樹脂三的三三向編三織無三堿玻三璃纖三維拉三擠而三成，三該編三織纖三維貫三穿整三個厚三度范三圍，三可提三供優(yōu)三異的三耐久三性能三，如三將其三切開三成平三面織三物片三時寬三約28英寸三。而三面板三則由三浸潤三聚乙三烯樹三脂的三編結(jié)三無堿三玻璃三纖維三手糊三而成。4)St三ro三ng三we三ll系統(tǒng)從19三98年春三天開三始，Vi三rg三in三ia三T三ec三h和St三ro三ng三we三ll公司三開發(fā)三和測三試了St三ro三ng三we三ll系統(tǒng)三。此三類GF三RP橋面三板也三是完三全采三用拉三擠型三材粘三貼而三成的三。所三不同三的是三，它三由GF三RP拉擠三方管三和平三板粘三結(jié)組三成。三整個三系統(tǒng)三的厚三度可三因方三管的三尺寸三變化三而變?nèi)?，三范圍三?2三0.三7m三m變化三到20三3.三3m三m，自三重為(9三0-三11三7K三g/三m2三)，見三下圖三。St三ro三ng三we三ll系統(tǒng)三截面6英寸三拉擠三方管三連續(xù)三玻璃三纖維三墊三玻璃三纖維三粗紗試驗三研究Vi三rg三in三ia三T三ec三h對此三類面三板作三了大三量的三荷載三測試三以驗三證其三可行三性。三測試三的橋三面板三為3跨1.三2米（交三通方三向）三，寬4.三2米，厚12三0毫米，由三拉擠三方管三和上三下面三板組三成。三方管三用環(huán)三氧樹三脂膠三結(jié)并三用間三距0.三3米，穿過三管壁三的玻三璃纖三維桿三連接三起來三，而三管和三板間三也用三環(huán)氧三樹脂三膠結(jié)三。全三板支三承在1.三2米間距三的4根W1三6×三40的鋼三梁上三，加三載板三為0.三3×三0.三5米并三放在三氯丁三橡膠三上。三測試三包括三強度三測試三，剛?cè)葴y三試和三強度三測試三完成三后的三疲勞三測試三三個三方面三，其三截面三形式三和測三試設(shè)三置見三下圖三。測試St三ro三ng三we三ll系統(tǒng)三斷面St三ro三nw三el三l系統(tǒng)三橋面三板的三實驗三室測三試5)三A三ss三et系統(tǒng)As三se三t系統(tǒng)三截面三是由Mo三uc三he三l(英國)，F(xiàn)i三be三rl三in三e(丹麥)，KT三H(瑞典)，IE三TC三C(西班三牙)，Sk三an三sk三a(瑞典)，HI三M三(荷蘭)和Ox三fo三rd三sh三ir三eCo三un三ty三C三ou三nc三il三(英國)等七三個單三位組三成的三合作三體共三同研三發(fā)的三。As三se三t系統(tǒng)三截面三是基三于英三國BS三54三00規(guī)范三中HA和HB類荷三載取2米的三跨度三和40噸的三荷載三來設(shè)三計的三。另三外，三截面三的高三度和三尺寸三均要三滿足三適于三拉擠三成型三的方三便及三與現(xiàn)三存橋三梁具三有相三容性三。最三終采三用的三截面三高度三為22三5毫米三，寬三度包三括搭三接接三頭為52三1毫米三，并三采用三無堿三玻璃三纖維三浸異三酞聚三合樹三脂拉三擠成三型，三如下三圖。試驗三研究對As三se三t系統(tǒng)三進行三的實三驗包三括小三比例三和大三比例三的測三試。三在瑞三典KT三H進行三的小三比例三測試三提供三了各三種層三狀纖三維敷三設(shè)方三式的三力學(xué)三屬性三。測三試出三來的三性質(zhì)三包括三了拉三、壓三及剪三切的三強度三及模三量。三同時三，還三對完三全浸三潤的GF三RP復(fù)合三材料三板進三行了三小比三例的三耐久三性測三試。大比三例的三測試三則在三西班三牙的IE三TC三C進行三，其三測試三項目三包括三靜力三彎曲三和剪三切、三疲勞三（10三,0三00三,0三00次）三、蠕三變，三沖擊三等。三通過三以上三測試三表明As三se三t截面三的實三際結(jié)三構(gòu)行三為與三設(shè)計三一致三，撓三跨比三小于1/三30三0且靜三力破三壞模三式主三要是三支承三附近三的腹三板底三部的三剪切三破壞三。As三se三t系統(tǒng)三橋面三板的三實驗三室測三試6)三A三CC三S系統(tǒng)AC三CS（Ad三va三nc三ed三C三om三po三si三te三s三Co三ns三tr三uc三ti三on三S三ys三te三m）系三統(tǒng)又三叫CO三MP三OS三OL三IT三ETM系統(tǒng),是一三種先三進的三復(fù)合三材料三建筑三板，三可用三作主三要承三載構(gòu)三件。三其模三塊化三的建三筑系三統(tǒng)由三一些三用拉三擠法三生產(chǎn)三的互三鎖FR三P構(gòu)件三所組三成。其主三要受三力構(gòu)三件是三有開三口肋三的面三板，三公稱三尺寸三為76三.2三mm厚60三9.三6m三m寬，三此面三板可三以用三三向三連接三器，450連接三器，三栓釘三（to三gg三le）或三掛鉤(h三an三ge三r)等五三種互三鎖的三拉擠FR三P構(gòu)件三連接三起來三，見三圖。三主要三構(gòu)件三和連三接構(gòu)三件的三尺寸三見下三頁圖三。主要三有美三國的KS三CI三(K三an三sa三sSt三ru三ct三ur三al三C三om三po三si三te三s,三I三nc三.)系統(tǒng)三、Ha三rd三co三re系統(tǒng)三和加三拿大三的纖三維纏三繞三三角管三系統(tǒng)三等。(a三)三(b三)蜂窩三夾層三組合三面板（a）Ha三rd三co三re（b）KS三CI2蜂窩三夾層三組合三橋面三板1)Ha三rd三co三re系統(tǒng)特拉三華的Ha三rd三co三re公司三制造三的Ha三rd三co三re橋面三系統(tǒng)三由上三下表三層的三蒙皮三加上三中間三的多三重纏三繞加三勁腹三板所三構(gòu)成三。制三造方三法是三真空三輔助三樹脂三浸漬三模塑三成型三工藝(Se三em三anCo三mp三os三it三e三Re三si三n三In三fu三si三on三M三ol三di三ngPr三oc三es三s(三SC三RI三MP))。這種三橋面三的主三要特三點有三：重三量輕三，低三恒載三從而三增大三活載三承受三能力三，無三需更三換下三部結(jié)三構(gòu)和三基礎(chǔ)三就可三更換三和擴三寬橋三面，三易于三運輸三制造三和安三裝，三設(shè)計三荷載三可達HS三25，撓三度標三準達三到L/三80三0，2,三00三0,三00三0次疲三勞測三試能三力優(yōu)三異，三耐久三性良三好，三具高三的抗三腐蝕三性，三不受三惡劣三天氣三影響三，不三透水三，無三破碎三、生三銹及三腐爛三的缺三點，三而且三全年三均可三施工三。Ha三rd三co三re系統(tǒng)三所采三用的FR三P材料三為縫三制的三無堿三玻璃三纖維三織物三加乙三烯基三樹脂三，玻三璃纖三維織三物被三認為三在平三面內(nèi)三各向三同性三，其三主要三力學(xué)三性能三如表:2)三K三SC三I系統(tǒng)Ka三ns三as結(jié)構(gòu)三復(fù)合三材料三公司三生產(chǎn)三的KS三CI系統(tǒng)三屬于三蜂窩三夾層三組合三結(jié)構(gòu)三，制三造方三法是三采用三多向三鋪陳三的GF三RP夾心三板接三觸低三壓成三型法三生產(chǎn)三成型三。此三組合三結(jié)構(gòu)三由厚2.三29毫米三（0.三09英寸三）的三波紋三形片三材加三平面三片材三組成三單胞三尺寸50三.8三×1三01三.6毫米三的蜂三心，三蜂心三單元三均是三由聚三脂薄三膜接三觸模三壓形三成。三而表三面板三的制三作是三首先三將玻三璃纖三維織三物放三在鋼三模中三，注三入樹三脂直三至達三到所三需厚三度，三再將三蜂心三濕放三入面三板中三，施三加真三空以三壓緊三并凝三固。由于三主梁三有砼三、鋼三及FR三P等幾三種型三式，三相應(yīng)三的組三合型三式也三有：GF三RP橋面三與砼三縱梁三相組三合GF三RP橋面三與鋼三縱梁三相組三合GF三RP橋面三與FR三P縱梁三相組三合3與主三梁的三組合三型式返回三、新型GF三RP組合三橋梁三在實三際中三的應(yīng)三用新型GF三RP組合三橋梁1人行三橋人行三橋(全FR三P結(jié)構(gòu))車行三橋(組合FR三P結(jié)構(gòu))20三01年10月，三在西三班牙Ll三ei三da市以三南3K三M處，三修建三了一三座穿三過一條公三路，三一條三鐵路三和新三計劃三的馬三德里三和巴三塞羅三那間三的一三條高三速鐵路三的人三行橋三。橋三式是三全GF三RP拉擠三成型三的型三材修三建的三桁架三。跨度38米，三矢高6.三2米。三（矢三跨比三大約三為6），三寬3m。橋三總重三約為19噸。三這座三橋是三世界三上用三玻璃三纖維三材料三修建三的最三長的三拱橋三。所有三的截三面都三是使三用無三堿玻三璃纖三維和三機織三復(fù)合三襯墊三制作三的，三玻璃纖三維的三最小三含量三為50％，三膠結(jié)三材料三為異三酞聚三合物三。此三橋總?cè)w見圖。丹麥19三97年建三成的Fi三be三rl三in三e寬3.三2m三,總長40三.3三m主跨27三,邊跨13索采三用10三0m三m1三00三mm三GF三RP棒材,主梁三和塔三采用三拉基三型材.在英三國，三最近三也有三多座三人行三橋應(yīng)三用了FR三P材料三。其三中,在康三沃爾郡三近博三德明三市的Ha三lg三av三or橋(跨度三為47三m的)，用GFR三P作為三主要結(jié)構(gòu)三材料三以修三建跨三越干三線的三橋。三見下三圖。位于三蘭開三夏州三的Ri三bb三le路橋蘭開三夏州三的Ri三bb三le路橋美國三從90年代三中期三，開三始發(fā)三展FR三P人行三橋，三現(xiàn)在三有超三過60座的三復(fù)合材三料人三行橋三。典三型的三如美國三密蘇三里-羅拉三大學(xué)20三00年6月在三校園內(nèi)設(shè)三計并三建造三的人三行橋。該采用三了拉三擠成三型的FR三P管組三型材三系統(tǒng)，三橋長9.三14米，三寬2.三74米，三每根GF三RP管為76毫米×76毫米三，厚6.三35毫米三，這三些管三用環(huán)三氧樹三脂粘三為七三層并三用螺三栓將三順著三和垂直于三交通三方向三的管三連成三橋面三板。三其橫三截面三形式三是4個沿三橋縱三向I型梁三。我國三也是三較早三開始三研究FR三P橋梁三的國三家之三一。三從19三86年起三到19三93年共用三手糊三夾層三的橋三面板三建造三了8座復(fù)三合材三料混三合式三人行三橋。2車行三橋西維三吉尼三亞大三學(xué)建三筑設(shè)三備中三心，三西維三吉尼三亞交三通局三，美三國陸三軍工三程研究實三驗室三及復(fù)三合材三料研三究所三修建三了Su三pe三rd三ec三k的兩三個樣三板工三程，三分別三是19三97年5月在三西弗三吉利三亞州三的路三易絲三鎮(zhèn)修三建的La三ur三el三L三ic三k橋和19三97年7月到8月在三泰勒三鎮(zhèn)修三建的Wi三ck三wi三reRu三n橋。三第三一個三項目三更換三了原三來的木橋三面和三鋼梁三而全三用寬三翼緣三（工三字形三）的GF三RP梁及三橋面三系統(tǒng)三。橋三面用的的Cr三ea三ti三ve拉擠三公司三生產(chǎn)三的具三有垂三直于三交通三方向三的六三邊形三和雙三梯形管截三面的Su三pe三rd三ec三k系統(tǒng)三。橋三面全三長6.三1米，三寬4.三88米，三并支三承在三六根6.三1米長三間距0.三76米的GF三RP寬翼三緣（三工字三形）三梁上三。第二三座橋三是西三維吉三尼亞三州泰三勒縣三的Wi三ck三wi三reRu三n橋。三它于19三97年8月修三建。三應(yīng)用三了相三同的三橋面三板系三統(tǒng)。三但此三系統(tǒng)三由4根間三距1.三83米的三鋼縱三梁支三承。三此橋三長9.三14米，三寬6.三61米，三見圖三。主三梁采三用FR三P的橋三式20三00年在三加州Ri三ve三rs三id三e縣的Ki三ng三’sSt三or三mw三at三er建設(shè)三航道三橋。三此橋三為兩三跨10三.0三6米的三連續(xù)三梁橋三，13三.4三1米寬三，由三六塊三橋面三板組三成，用了19毫米三的聚三合物三膠結(jié)三砼面三層。三該橋三上部三結(jié)構(gòu)三高度三要求三很低三，故采用三了梁三板組三合的三橋面三板系三統(tǒng)構(gòu)三成。三上部三結(jié)構(gòu)三的總?cè)撸ㄈ?9三mm的覆蓋三層）三為56三2m三m。其三中梁三高36三2m三m，板三厚18三1m三m。縱三梁為三線繞三碳－環(huán)氧三樹脂三管內(nèi)三填輕三質(zhì)砼(C三SS三)。加州三大學(xué)三圣地三亞哥三分校三還設(shè)三計了I－5/三Gi三lm三an新型三復(fù)合三材料三斜拉三橋(下頁圖)。此三座13三7.三2米的三斜拉三雙線三公路三橋計三劃在Gi三lm三an車道三處越三過州三際5號公三路。三位于三加州三大學(xué)三圣地三亞哥三分校三校園三內(nèi)。用復(fù)三合材三料修三建，三用來三驗證CS三S(碳纖三維管三內(nèi)填三砼系三統(tǒng))和HT三S(混合三管梁系統(tǒng))概念三在基三礎(chǔ)設(shè)三施中三應(yīng)用三的有三效性三。此三橋橋三塔為三一高57三.9米的三偏心A型框三架，三是一三扇形三雙索三面斜三拉橋三。上三部結(jié)三構(gòu)總?cè)龑捈s18三.3米，三高約1.三45米。由橫三向玻三璃纖三維和三碳纖三維加三強的三橫梁三連接三兩個三環(huán)形三碳－三環(huán)氧三樹脂三管并內(nèi)填三砼的三縱梁三并支三撐聚三丙烯三纖維三加強三的砼三橋面三板從三而共三同構(gòu)三成上三部結(jié)構(gòu)。三在環(huán)三形碳三－環(huán)三氧樹三脂管三內(nèi)有三橫向三肋以三傳遞三管與三內(nèi)填三砼之三間的三所有力。三這個三概念三對柱三和梁三均適三應(yīng)。三環(huán)形三碳－三環(huán)氧三樹脂三管內(nèi)三填普三通砼三可以提供三三個三功能三：穩(wěn)三定碳三－環(huán)三氧樹三脂管三；幫三助構(gòu)三件承三受拉三繩的三壓應(yīng)三力；為索三的錨三具提三供錨三定。三管和三橋面三板的三連接三是通三過剪三力鍵三實現(xiàn)三的。三上部結(jié)構(gòu)三的橫三向梁三用混三合管三梁系三統(tǒng)(H三TS三)。每三隔2.三4米一三個跨三騎在三縱梁三上。一個FR三