張 騫，王松偉，馬埸浩，張 婕，程小全，田春明

（1. 北京航空航天大學 航空科學與工程學院，北京 100191；2. 合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院，合肥230009；3. 湖北華舟重工應急裝備股份有限公司，武漢 430000）

復合材料在現(xiàn)代橋梁工程中的應用

張 騫1,2，王松偉1，馬埸浩1，張 婕1，程小全1，田春明3

（1. 北京航空航天大學 航空科學與工程學院，北京 100191；2. 合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院，合肥230009；3. 湖北華舟重工應急裝備股份有限公司，武漢 430000）

對纖維增強復合材料在橋梁工程中的應用進行了綜述、分析與總結。指出復合材料在橋梁結構中應用的主要結構連接形式有膠接連接和機械連接，纖維增強復合材料在橋梁結構中的應用主要有兩個方面：一方面是采用復合材料加固修理危舊橋梁，另一方面是在橋梁的局部使用復合材料結構以達到減重的效果。同時還列舉了大量關于復合材料在橋梁工程應用的實例，旨在為以后橋梁設計者提供參考。

復合材料橋；橋梁工程；橋面；橋梁加固；橋梁修理

0 引言

隨著樹脂基復合材料的不斷進步與發(fā)展，其應用范圍愈加廣泛，已然涵蓋航空、航天、機械、船舶等諸多領域[1]。加之，樹脂基纖維增強復合材料獨有的抗腐蝕性能好、比強度高等優(yōu)勢，復合材料漸漸的被應用到建筑、橋梁等領域。

19世紀末到如今，橋梁工程經歷了上百年的發(fā)展歷程，在此期間水泥、混凝土、鋼等人工材料不斷發(fā)展與應用，推動了近代橋梁科學的技術革命[2～3]。隨著橋梁的發(fā)展，大跨度、高承重比和使用條件的越發(fā)廣泛，越來越多的橋梁出現(xiàn)了問題，諸如橋墩、預應力索腐蝕，主梁、橋面裂縫等。1980年代初，日本有學者便針對纖維增強復合材料修理加固橋梁展開了研究，并應用到實例橋梁中。在美國，1990年代，為了應對全國近三分之一危舊橋梁改造的任務，大量的學者針對復合材料橋梁結構以及FRP增強橋梁結構展開了研究[4～5]。

隨著科技的發(fā)展，橋梁的發(fā)展趨勢一直都是向著大跨度、高強度、功能性、輕質化、美觀化、環(huán)境親和性好等方向發(fā)展[3]。傳統(tǒng)的水泥、鋼、鋼筋混凝土等人工材料已經不能滿足橋梁發(fā)展的需求。然而，纖維增強復合材料憑借其比強度、比模量高，可設計性強，結構整體性能好，抗疲勞、抗腐蝕性能優(yōu)的特點，備受橋梁設計者的青睞[6～7]。

從1980年代開始，國內外開始嘗試將復合材料用于橋梁工程，到如今已有大量的研究與工程實例。綜述總結了國內外大量復合材料橋梁應用的研究與實例，旨在為今后復合材料橋梁設計者提供參考。

1 橋梁中的復合材料結構形式與成型工藝

隨著各行業(yè)對復合材料的需求不斷加劇，復合材料成型工藝的演化多種多樣。其中，最具代表性的有接觸低壓成型工藝、拉擠成型工藝、模壓成型工藝、纏繞成型工藝、鋪放成型工藝、RTM成型工藝等[8]。每種工藝都有其各自的優(yōu)缺點，也有其相對應的適應范圍。由于橋梁結構較為單一及對制造成本和品質穩(wěn)定性要求嚴格的特點，復合材料在橋梁工程中最常應用的工藝是接觸低壓成型工藝和拉擠成型工藝。

圖1 加固橋梁典型結構

復合材料與傳統(tǒng)橋梁建筑材料混合應用時，往往被充當加固材料，其主要結構形式如圖1所示。該結構為典型承彎結構，上部傳統(tǒng)橋梁建筑材料承受壓縮載荷，下部纖維增強復合材料承受拉伸載荷。

復合材料結構應用于橋梁主體時，常常采用拉擠成型工藝制造，圖2為拉擠成型典型結構。拉擠成型工藝下的結構為纖維縱向排列，具有高的拉伸強度和彎曲強度。

復合材料在橋梁工程應用中為了降低制造成本，一般采用先生產較簡單的結構件然后再連接到一起的手段。所采用的連接方式為較為常見的膠接連接與機械連接[9～10]。圖3-a所示為不同橋面的連接形式，其連接形式為膠接連接[11～12]。該連接形式的優(yōu)點是：無需開孔，未引入損傷；抗疲勞、密封性和絕緣效果好；為剛性連接，整體性佳。同樣也具有相應的缺點：膠接面積大，質量控制難度高，缺少可靠的無損檢測方法；難以傳遞較大的載荷；膠接性能會受濕熱等介質環(huán)境影響，存在一定的老化問題。圖3-b所示為橋面與大梁的連接，其連接形式為機械連接[11,13]。該連接形式的優(yōu)點是：便于檢查，可保證連接可靠性；連接限制少，環(huán)境影響不明顯。同樣與之相對應的缺點是：制孔導致孔邊局部應力集中，降低了連接效率；鋼緊固件與復合材料連接會產生電偶腐蝕，同樣與之配合的金屬件也易于疲勞[14]。此外還有一種連接形式為膠螺混合連接。

2 復合材料在橋梁修理和加固中的應用

圖2 拉劑成型工藝典型結構

1980年代初，越來越多的橋梁出現(xiàn)了裂紋、腐蝕等損傷現(xiàn)象，這些損傷已然影響到橋梁的正常使用以及耐久性和安全性。為了進行加固與維護，用纖維增強復合材料的片材修復裂紋的方法來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的修復手段，隨著技術的不斷進步，這種簡便的工藝及其優(yōu)良的效果漸漸得到業(yè)內人士的贊同[15]。使用纖維增強復合材料加固或修理橋梁結構，主要通過膠接區(qū)域的樹脂傳遞纖維增強復合材料與傳統(tǒng)橋梁材料之間的剪力，從而達到加固的作用[16]。其中，吳紅林[17]等人針對碳纖維復合材料和玻璃纖維復合材料在混凝土橋梁加固中的應用，從材料性能、基本理論、施工工藝、構造措施等方面做了系統(tǒng)的研究，并結合實例闡述了CFRP布結合環(huán)氧樹脂對危舊橋梁修補，使結構的強度以及受力狀態(tài)得到明顯的改善。

到目前為止，纖維增強復合材料在橋梁修理加固中的應用主要體現(xiàn)于加固梁體和橋墩[18]，如圖4所示。

圖3 橋梁工程中常見的連接形式

3 復合材料在橋梁結構中的應用

3.1 防護系統(tǒng)

在橋梁的使用過程中，車/橋和船/橋的碰撞事故會時常發(fā)生，并且此類事故對橋體所造成的影響也極為嚴重[19]。國內外諸多學者針對橋船碰撞及橋梁防護做了大量研究[20～23]。

新孟滆大橋是一所位于江蘇省常州市武進經發(fā)區(qū)的雙幅橋，該橋梁以六級通航標準設計，由于通航等級提升，該橋梁通航大噸位船舶存在安全隱患。祝露[19]等人針對該橋研發(fā)一種復合材料防撞護舷，并針對防護舷置于端頭與側面兩種不同位置時進行了數(shù)值模擬研究，結果表明該結構大大削減了船對橋墩的沖擊力，并且削減程度都在29%以上。該復合材料結構防護系統(tǒng)在船-橋撞擊中可以有效削減撞擊力，滿足航道改造的要求，為航道改造橋梁設計者提供了參考。

此外，劉偉慶[22]等人基于質點彈簧模型的船－橋動力方程研究了橋-船相對剛度與最大撞擊力之間的關系，其結果表明，橋-船相對剛度較小時，最大沖擊力隨著相對剛度遞增；當橋-船相對剛度比達到50時，其最大撞擊力為恒值，該結果與歐洲統(tǒng)一規(guī)范的取值相近。并基于此結論研制了新型的纖維增強復合材料防撞系統(tǒng)，展開了相關試驗研究，該防護系統(tǒng)對撞擊力起到明顯削減作用，進而對橋、船起到保護作用。同樣，劉偉慶[23]等人針對潤揚長江公路大橋進行了船撞數(shù)值模擬并展開了復合材料防撞系統(tǒng)設計。該研究通過商業(yè)有限元軟件模擬了3 種載荷工況對北汊橋段撞擊，對分析結果進行歸納，并在此基礎上進行了橋梁防撞系統(tǒng)的結構設計，分析表明該防護系統(tǒng)對船-橋沖擊力起到約34%的削減作用。

大量的研究結果表明，橋梁中應用纖維增強復合材料防撞系統(tǒng)，會對橋梁起到至關重要的保護作用。同時，這也為諸多橋梁防護設計者提供了重要參考。

圖4 FRP在橋梁修理加固中的應用

3.2 梁

傳統(tǒng)的混凝土梁結構有較強的壓縮能力，但是在拉伸方面表現(xiàn)較弱，而纖維增強復合材料具有很高拉伸強度。因此，一些承受彎曲載荷的混凝土結構中，在承受拉伸載荷的一端采用貼補FRP片材的手段來提高混凝土的整體承載能力。為了使這種加強結構得到更廣泛的應用，眾多學者對FRP片材加固后的混凝土結構進行了力學分析。其中，H.N. Garden[24]等人針對FRP片材加強混凝土結結構，選取長度1 m的梁進行4 點彎曲試驗，如圖5所示，結果表明隨著剪跨比的改變，結構的破壞形式會發(fā)生變化。通過加固梁的端部會提高結構的性能，并且在剪跨比越低的情況下效果越明顯。Huy Pham[25]等人也針對FRP增強的鋼筋混凝土做了類似的研究，結果表明該結構初始分層發(fā)生在FRP的端部，最終失效形式是鋼筋剪壞，這為后來橋梁設計者提供了一定的試驗基礎，具有相當?shù)膮⒖純r值。

圖5 FRP加強混凝土結構4 點彎試驗

圖6 混合型梁的截面形式

HakanNordin[26]等人針對3 種梁進行了試驗研究，圖6是3 種梁的截面形式，梁-A是玻璃纖維與碳纖維組合梁，梁-B是混凝土與FRP梁機械連接，梁-C是混凝土與FRP梁膠接連接，其試驗加載方式采用與文獻[24]類似的加載方式。結果表明：梁-B和C的復合作用比較明顯，梁-A最終失效形式為結構失穩(wěn)，盡管研究者最終采用增加木制肋的方式解決了失穩(wěn)問題，但最終強度和剛度依舊弱于梁-B和C。該研究也更說明了，加入復合材料的混合型梁是未來梁結構的一個發(fā)展方向，從而為橋梁設計者提供一定的設計參考。

3.3 橋面板

復合材料橋面是纖維增強復合材料在橋梁應用中的一個重要體現(xiàn)。纖維增強復合材料橋面的優(yōu)勢可歸納為以下3 點：①傳統(tǒng)橋面結構性能弱化與抗力衰減的一個根源是侵蝕，而纖維增強復合材料恰恰具有良好的抗腐蝕性能。②一般橋面性能弱化與抗力衰減的橋梁多處于交通路線中，需要迅速替換弱化的橋面，而纖維增強復合材料橋面具有質量輕、現(xiàn)場安裝便捷等優(yōu)勢。③在地震多發(fā)區(qū)，由于纖維增強復合材料橋面質量輕，地震過程中會減小慣性力的作用，從而降低地震危害[11,15]。

從1980年代末開始，對復合材料橋面結構的研究就沒有間斷[5,27～30]。纖維增強復合材料在橋面應用最廣泛的就是復合材料三明治結構。復合材料三明治結構不僅有著較高的剛度質量比和較高的抗彎抗壓能力，而且還具有更高的疲勞強度和抗腐蝕性能。圖7所示為復合材料橋面的應用實例，其中大部分用于替換現(xiàn)有的破損橋面，其加工工藝主要為拉擠成型。

圖7 全復合材料橋面結構

桁架結構是金屬橋梁中常用的一種結構，由于其設計、制作、安裝方便等諸多的優(yōu)點，大量學者[31～32]針對復合材料橋梁桁架結構進行了試驗與數(shù)值模擬研究。圖8所示為復合材料桁架結構的連接形式，其中桁架接頭采用鋁合金金屬，二力桿為拉擠成型的復合材料桿件。這種桁架式結構可以充分的利用到FRP軸向性能佳的優(yōu)點，但就整體性能而言，復合材料桿件與鋁合金結構的連接成為整個結構的薄弱環(huán)節(jié)。現(xiàn)在有大量科研工作者致力于金屬與復合材料的連接效率的研究，并取得的可觀的效果。相信在不久的將來，桁架結構會成為復合材料在橋梁工程中應用的一個重要方向。

4 復合材料橋梁應用實例

目前為止，不僅有大量學者對復合材料結構在橋梁中的應用進行了研究，還有大量的國內外復合材料橋梁應用實例供橋梁設計者參考[33～34]。復合材料橋梁主要可以分為4 類，分別是公路橋、人行天橋、觀賞橋和應急搶險橋[11]。

4.1 公路橋

隨著交通設施的不斷完善，各種各樣的橋梁搭建在公路上。部分橋梁建筑因長期使用出現(xiàn)破損，不能滿足通行要求，需要拆除或替換。圖9所示為一座跨距為52 m的復合材料橋梁和該橋的架設過程。該橋的FRP用量較少，主要集中在甲板上。

圖8 復合材料桁架結構

圖9 英國M9高速公路橋

在人口稠密、車流量較大的地區(qū)，傳統(tǒng)的橋梁建設工程會嚴重影響交通，而采用復合材料橋梁，其搭建過程僅僅需要幾個小時。其中德國弗里德伯格建立了一座復合材料公路橋，該橋全長27 m，主承力梁材料為鋼，橋面由玻璃纖維制成，如圖10所示。

4.2 人行天橋

在大型的火車站或者交通路口，為了疏導人流，常常會采取建立天橋的方式。又因為傳統(tǒng)的橋梁施工周期長，這樣勢必會影響交通，而復合材料橋梁由于其自身的優(yōu)勢恰恰彌補了這一缺點。其中莫斯科的一個火車站便建立了一座玻璃纖維復合材料橋梁，該橋長41.4 m，寬3 m，而搭建用時僅僅49 min，如圖11所示。

隨著復合材料技術的發(fā)展，復合材料在橋梁工程上的用料不僅僅體現(xiàn)在梁、橋面和防撞設施上，更有大量的橋梁由全復合材料結構制成。

圖10 德國弗里德伯格公路橋

圖11 莫斯科復合材料人行橋

全復合材料橋梁有著電氣絕緣、可快速安裝、耐腐蝕性能強、高強度比、維護費用低等特性。圖12所示為一全復合材料（玻璃纖維增強復合材料）人行橋，該橋橫跨了馬德里－巴塞羅那鐵路，人行橋的搭建是將全部的部件運至現(xiàn)場進行組裝與安裝，節(jié)省了大量的時間。

4.3 觀賞橋

21世紀的橋梁結構不僅要滿足耐久性與安全性的設計要求，必將更加注重建筑藝術造型，重視橋梁美學與景觀設計，注重環(huán)境保護，達到人文景觀同環(huán)境景觀的完美結合[3]。

正因為復合材料比模量高、比強度大的特點，復合材料橋梁容易滿足新型橋梁的承載要求。圖13所示是坐落于荷蘭代爾夫特市的復合材料人行橋，其優(yōu)美的外形，清新的外觀，無疑為荷蘭增加了一道靚麗的風景。

4.4 應急搶險橋

近年來，地震、洪水等自然災害頻發(fā)，往往會引起交通不通、橋梁毀壞，以至于救援隊伍無法進入災區(qū)。為了有效縮短救援時間，應急救援橋成為救援過程中必備的救援設施。其中，由于復合材料應急救援橋質量輕、安裝方便、可重復使用等特點，在搶險救災中使用日趨廣泛。圖14為由臺灣國家地震工程研究忠心與國家實驗研究院共同研制的復合材料移動橋。

圖12 德國全復合材料人行橋

圖13 荷蘭復合材料觀賞橋

圖14 復合材料應急搶險橋

5 結束語

未來橋梁發(fā)展的主要方向是在保證橋梁結構安全性與可靠性的同時，更加的輕質化，更加的美觀化。纖維增強復合材料應該能滿足橋梁發(fā)展的要求，然而到目前為止，復合材料不能在橋梁工程中普及應用，主要存在3 個方面原因。首先，纖維增強復合材料結構的制作加工成本相對較高；其次，如若在橋梁中大量使用復合材料結構，一旦結構報廢后，目前還沒有有效且成本低的復合材料的回收處理技術；還有，目前缺少針對復合材料橋梁的高效無損檢測手段，沒有系統(tǒng)的復合材料橋梁安全性的評測方法以及成熟的復合材料橋梁結構的修理規(guī)范。

就復合材料發(fā)展而言，一直向低成本化方向發(fā)展，而且如今國產民品碳纖維增強復合材料的價格已經極為低廉，并逐漸被一些領域所接納。目前，纖維增強復合材料的回收再利用已經成為越來越熱門的話題，國內外學者基于此展開了大量的研究，并取得了顯著成果。隨著大型整體復合材料結構制造技術的發(fā)展，其工藝成本也會不斷降低。相信在不久的將來，纖維增強復合材料定會成為橋梁工程中最主要的材料之一。

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Application of FRP materials in modern bridge engineering

ZHANG Qian1,2, WANG Song-wei1, MA Yi-hao1, ZHANG Jie1, CHENG Xiao-quan1, TIAN Chun-ming3
( 1. School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University, Beijing 100191 China; 2. School of Civil engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009 China; 3. China Harzone industry corp., LTD, Wuhan 430000 China )

The works in recent decades on application of FRP materials in modern bridge engineering were summarized. Mechanical joint and adhesively bonded joint were the main joint forms used in composite bridge structure. FRP materials applied in bridge structure mainly in two ways: using FRP materials reinforced and repaired the old bridge, and using the FRP materials in the local structure of bridge to reduce the weight. In the present paper, many application examples of FRP materials in bridge engineering were listed to provide reference for bridge designer.

composite bridge; bridge engineering; deck; bridge reinforcement; bridge repair

TB334; U488.121

A

1007-9815（2016）06-0024-07

定稿日期: 2016-12-23

張騫（1990-），男，河北定州人，博士在讀，研究方向為復合材料結構損傷容限分析與設計；通訊作者：程小全（1966-），男，江西崇仁人，博士，教授，主要研究方向為復合材料結構損傷容限分析與設計，(電子信箱)xiaoquan_ cheng@buaa.edu.cn。