葉華文，唐詩(shī)晴，段智超，楊哲，冉川

(西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，成都 610031)

圖1 復(fù)合材料發(fā)展歷程Fig.1 Development course of composite materials

圖2 波音787的復(fù)合材料應(yīng)用情況[1]Fig.2 Application of composite materials in Boeing 787 [1]

圖3 航空工業(yè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的材料結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)理念[1]Fig.3 Material-structure integrated design concept of composite material in aviation industry[1]

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的推廣與普及為橋梁工程提供了新的發(fā)展方向和更大的創(chuàng)新空間，現(xiàn)階段橋梁工程常用的復(fù)合材料主要是樹脂基的纖維增強(qiáng)聚合物(Fiber Reinforced Polymer，F(xiàn)RP)，包括玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維及玄武巖纖維等增強(qiáng)聚合物，F(xiàn)RP材料適應(yīng)了現(xiàn)代橋梁結(jié)構(gòu)大跨、輕質(zhì)、耐久的需求，成為砌體、混凝土和鋼材等傳統(tǒng)建筑材料之外的重要工程材料。根據(jù)其組成特點(diǎn)，F(xiàn)RP的強(qiáng)度、彈性模量、耐久性和特殊功能等關(guān)鍵材料性能方面可根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，這是傳統(tǒng)的混凝土和鋼材難以比擬的。因此，復(fù)合材料橋梁給橋梁結(jié)構(gòu)的新形式和新設(shè)計(jì)理念提供了機(jī)會(huì)，也給現(xiàn)有工程管理體制提出了巨大挑戰(zhàn)。筆者從FRP材料性能、構(gòu)件和橋梁結(jié)構(gòu)3個(gè)層次對(duì)近年來(lái)FRP在橋梁工程中的研究和應(yīng)用進(jìn)行回顧，總結(jié)近年來(lái)復(fù)合材料橋梁應(yīng)用的研究與實(shí)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(guò)一定制備工藝固化后形成的具有特定形狀和性能的結(jié)構(gòu)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(huán)氧樹脂、乙烯基樹脂、不飽和聚酯樹脂等。FRP是力學(xué)性質(zhì)不同的纖維和樹脂按照設(shè)定的比例和條件復(fù)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(xué)性能一般基于組分線性迭加復(fù)合原則，如圖5所示。纖維材料的抗拉強(qiáng)度和拉伸模量很大程度上決定了FRP的力學(xué)性能，一般根據(jù)這兩項(xiàng)基本指標(biāo)進(jìn)行區(qū)分，彈性模量越高，成本越高，各類纖維性能價(jià)格(2018年統(tǒng)計(jì))見表1。高性能纖維材料的生產(chǎn)基本上被日本和歐洲的少數(shù)幾家公司控制，圖6所示為日本東麗公司的CFRP系列產(chǎn)品。

圖4 典型纖維增強(qiáng)復(fù)合材料構(gòu)造Fig.4 Typical fiber reinforced composite material structure

與傳統(tǒng)建筑材料力學(xué)性能相比，F(xiàn)RP力學(xué)性能主要表現(xiàn)為以下三方面特點(diǎn)：

圖5 FRP材料性能計(jì)算的線性復(fù)合原則Fig.5 Linear composite principle of FRP material properties calculation

圖6 東麗公司Carbon產(chǎn)品的力學(xué)性能Fig.6 Mechanical properties of Toray’s Carbon products

表1 各類纖維性能與價(jià)格對(duì)比[2]Table 1 Comparison of various fiber properties and prices [2]

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

2)各向異性。FRP力學(xué)性能呈現(xiàn)明顯的各向異性，抗拉強(qiáng)度和彈性模量與纖維方向和含量有很大關(guān)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(duì)較差，如抗剪強(qiáng)度，成為制約其發(fā)展的一個(gè)因素。

圖8 FRP性能與纖維含量的關(guān)系Fig.8 Relationship between FRP properties and fiber content

圖9 FRP性能與纖維方向的關(guān)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(guò)程與鋼材有很大區(qū)別。如圖10所示，疲勞破壞的臨界狀態(tài)首先表征為開裂，實(shí)際上仍能承載，纖維有顯著的止裂效應(yīng)。因此，F(xiàn)RP抗疲勞性能優(yōu)異，按最大疲勞應(yīng)力，鋼疲勞強(qiáng)度一般是30%～50%的抗拉強(qiáng)度，而CFRP疲勞強(qiáng)度可達(dá)到70%～80%的抗拉強(qiáng)度，如圖11所示[3]。

圖10 FRP疲勞破壞過(guò)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，F(xiàn)RP在服役條件下，如腐蝕、溫度、輻射等作用下的力學(xué)性能演化是關(guān)注的重點(diǎn)，Liu等[4]對(duì)1 900多組FRP在各種環(huán)境下加速老化實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)RP對(duì)常溫下(100 ℃以下)的腐蝕環(huán)境不敏感，耐久性能很好，但溫度超過(guò)100 ℃后力學(xué)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(gòu)件的研究與應(yīng)用

根據(jù)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(wǎng)格材(包括硬質(zhì)的網(wǎng)格和柔性的格柵)等[6]，如圖13所示。輕質(zhì)高強(qiáng)的FRP材料具有良好的耐久性和抗疲勞性能，已經(jīng)在橋梁構(gòu)件中得到廣泛應(yīng)用，主要形式表現(xiàn)在兩個(gè)方面：1)用于提高剛度和承載能力的加固構(gòu)件；2)與鋼或混凝土結(jié)合，形成性能更優(yōu)的組合構(gòu)件。

2.1 FRP加固構(gòu)件

FRP最早被廣泛應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)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(yáng)等[7]對(duì)CFRP布、邢麗麗等[8]對(duì)AFRP加固混凝土梁進(jìn)行試驗(yàn)研究。薛偉辰等[9]對(duì)AFRP筋與不同加固基體的粘結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行了系統(tǒng)的拉拔試驗(yàn)研究。吳智深等[10]開發(fā)了BFRP網(wǎng)格/筋加固技術(shù)，已在南京長(zhǎng)江大橋的加固修復(fù)中得到成功應(yīng)用。然而，大量橋梁病害研究表明：既有舊橋普遍存在的問(wèn)題是剛度不足，導(dǎo)致開裂或變形過(guò)大，直接粘貼FRP加固時(shí)由于應(yīng)力滯后效應(yīng)，F(xiàn)RP材料的應(yīng)力水平一般不超過(guò)其抗拉強(qiáng)度的20%，加固效率很低。因此，對(duì)FRP材料施加預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力CFRP板加固系統(tǒng)。由于CFRP抗拉強(qiáng)度和彈性模量都高，所以預(yù)應(yīng)力CFRP加固技術(shù)得到快速發(fā)展，近年來(lái)中國(guó)已有工程應(yīng)用實(shí)例，如圖13所示。

圖13 預(yù)應(yīng)力CFRP板加固技術(shù)Fig.13 A strengthening technique using prestressed CFRP plates

在FRP加固鋼結(jié)構(gòu)方面，葉華文等[12-13]基于自主研發(fā)的預(yù)應(yīng)力CFRP板錨固及張拉系統(tǒng)，采用多預(yù)應(yīng)力水平CFRP板加固受損鋼梁，通過(guò)疲勞試驗(yàn)和理論分析，評(píng)估無(wú)粘結(jié)CFRP板加固受損鋼梁疲勞性能，提出簡(jiǎn)便實(shí)用的疲勞壽命計(jì)算理論和分析方法。Chen等[14]對(duì)CFRP加固受損鋼管和鋼板的裂紋擴(kuò)展及疲勞壽命進(jìn)行試驗(yàn)研究與分析。這些研究結(jié)果[13-15]都表明預(yù)應(yīng)力FRP能顯著提高損傷鋼結(jié)構(gòu)的剩余壽命。近年來(lái)，在預(yù)應(yīng)力FRP技術(shù)的基礎(chǔ)上，一些學(xué)者引入傳感器，如光纖，形成智能復(fù)合材料。周智等[16]采用自主研發(fā)的滿足拉擠成型工藝的OFBG-CFRP智能碳纖維復(fù)合板對(duì)混凝土梁進(jìn)行預(yù)應(yīng)力加固，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)CFRP板應(yīng)變。鄧?yán)誓莸萚17]研制智能碳纖維(CFRP-OFBG)板，對(duì)鋼筋混凝土梁進(jìn)行嵌入式加固，試驗(yàn)結(jié)果表明CFRP-OFBG板在智能監(jiān)測(cè)方面有良好的適用性，為今后結(jié)構(gòu)加固與監(jiān)測(cè)一體化提供了重要參考。

2.2 FRP組合構(gòu)件

FRP組合構(gòu)件在新建橋梁中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，主要表現(xiàn)為3種形式：

2)FRP作為橋梁結(jié)構(gòu)的主要受力構(gòu)件之一，如FRP拉索。與傳統(tǒng)鋼絲索相比，F(xiàn)RP索耐腐蝕，疲勞強(qiáng)度也高于鋼索，因此，應(yīng)用于大跨度的斜拉橋或懸索橋中可降低索自重，有利于結(jié)構(gòu)受力。1996年Urs Meier在瑞士溫特圖爾(Winterthur)獨(dú)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(lái)對(duì)CFRP索的應(yīng)力監(jiān)測(cè)表明了其狀態(tài)良好，如圖14所示。江蘇大學(xué)也修建了CFRP索斜拉橋[21]。強(qiáng)士中等[22]基于國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目進(jìn)行主跨3 500 m級(jí)CFRP主纜懸索橋原型設(shè)計(jì)研究，發(fā)現(xiàn)CFRP主纜的動(dòng)力特性是控制因素。由于FRP抗剪強(qiáng)度遠(yuǎn)低于抗拉強(qiáng)度，阻礙FRP拉索大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題是錨固系統(tǒng)，諸葛萍等[23]、汪昕等[24]提出了性能較好的錨具設(shè)計(jì)，實(shí)橋應(yīng)用仍需繼續(xù)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(jié)構(gòu)或橋墩船撞防護(hù)。熊治華等[25]對(duì)GFRP 橋面板的制作與受力性能進(jìn)行研究，提出了大規(guī)模工程應(yīng)用的建議。劉偉慶等[2]提出了復(fù)合材料橋梁防船撞系統(tǒng)，并應(yīng)用于多項(xiàng)實(shí)際工程中。

由于FRP制造工藝和材料性能的特點(diǎn)，難免存在缺陷或損傷，這些缺陷或損傷對(duì)FRP結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度、疲勞性能和穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。因此，F(xiàn)RP構(gòu)件損傷無(wú)損檢測(cè)方法、檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)以及測(cè)試設(shè)備是FRP構(gòu)件正常服役的保證，航空航天行業(yè)已經(jīng)出臺(tái)了一些規(guī)范，在橋梁結(jié)構(gòu)上仍缺乏關(guān)注。

目前，針對(duì)FRP組合構(gòu)件開展了一系列研究工作，在制作工藝、基本力學(xué)性能、耐久性、工程應(yīng)用等多方面積累了大量的經(jīng)驗(yàn)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，推動(dòng)了其發(fā)展。在現(xiàn)有成果基礎(chǔ)上，F(xiàn)RP構(gòu)件的推廣應(yīng)用還需解決兩方面問(wèn)題：1)FRP構(gòu)件與傳統(tǒng)建筑材料構(gòu)件連接構(gòu)造的可靠性與耐久性；2)FRP構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)與制造、性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)。

3 全FRP橋梁結(jié)構(gòu)

近30年來(lái)，F(xiàn)RP材料用于橋梁主要受力構(gòu)件的工程實(shí)例越來(lái)越多。1986年重慶交通學(xué)院(現(xiàn)重慶交通大學(xué))在校門口修建了一座主跨27 m的全部用GFRP制作的獨(dú)塔單索面斜拉人行橋，造型優(yōu)美，是中國(guó)第一座全FRP橋梁，可惜后來(lái)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(jié)構(gòu)采用玻璃纖維和碳纖維混合增強(qiáng)材料，從而減輕重量、節(jié)省施工周期并節(jié)能環(huán)保。圖16是紐約市2019年完工的第一座FRP人行天橋，全長(zhǎng)約70 m，桁架和橋面均采用FRP材料。緬因大學(xué)先進(jìn)結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料中心2019年研發(fā)的拱橋主拱采用FRP管，跨度可達(dá)24 m，如圖17所示，研發(fā)的AIT CT梁系統(tǒng)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(jié)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)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(yīng)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(dòng)力行為很可能是設(shè)計(jì)控制狀態(tài)。Wei等[27]對(duì)大量的FRP、鋼及混凝土人行橋的動(dòng)力特性(自振頻率和阻尼比)進(jìn)行分析和測(cè)試發(fā)現(xiàn)，相同情況下FRP橋梁的阻尼比傳統(tǒng)材料橋梁高2.5倍，自重輕8.6倍，對(duì)動(dòng)載激勵(lì)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(tǒng)計(jì)Fig.18 FRP bridges statistics

圖19 FRP橋梁全壽命周期設(shè)計(jì)目標(biāo)[30]Fig.19 The design goals of FRP bridge life cycle [30]

4 結(jié)論與展望

FRP因輕質(zhì)高強(qiáng)、可設(shè)計(jì)性和高耐久性等特性已經(jīng)在航空航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在橋梁工程中，高性能FRP結(jié)構(gòu)的研發(fā)與應(yīng)用是提升舊橋服役性能、實(shí)現(xiàn)超大跨橋梁的方案，日益得到關(guān)注。目前，F(xiàn)RP橋梁的發(fā)展仍局限于作為鋼和混凝土構(gòu)件的補(bǔ)充或替代品，與大規(guī)模應(yīng)用有較大差距，產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨一些亟待解決的問(wèn)題，主要表現(xiàn)在FRP產(chǎn)品單一，產(chǎn)學(xué)研用相互脫節(jié)，產(chǎn)品推廣應(yīng)用困難，研發(fā)投入少且分散，缺乏完善的行業(yè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。因此，還應(yīng)進(jìn)行以下研究工作：

1) FRP產(chǎn)品性能的提升和成本降低。與航天級(jí)FRP產(chǎn)品相比，橋梁用FRP存在主要力學(xué)指標(biāo)(如抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和彈性模量)偏低，而造價(jià)較高，阻礙了其在大跨橋梁中的推廣應(yīng)用。FRP構(gòu)件與傳統(tǒng)建筑材料構(gòu)件的連接構(gòu)造也是FRP產(chǎn)品需要考慮的問(wèn)題，尤其是其可靠性與耐久性。

2) FRP產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)方法與標(biāo)準(zhǔn)。橋梁工程往往涉及到巨大的經(jīng)濟(jì)投入， 因此，確保FRP構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的質(zhì)量滿足規(guī)定要求極為重要，目前專門針對(duì)FRP的專業(yè)產(chǎn)品檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和檢測(cè)方法仍屬空白。