蔣以華

（南寧市建筑規(guī)劃設計集團有限公司,廣西南寧530012）

目前,在橋梁工程領域,鋼筋混凝土或預應力混凝土是當前橋體的基本結(jié)構(gòu)形式,其中因鋼筋銹蝕而引起的結(jié)構(gòu)退化或功能缺陷等問題是影響橋梁服役年限的重要因素。針對該問題,FRP材料（纖維增強復合材料）在橋梁工程中得到了成功應用并成為解決鋼筋銹蝕問題的一種有效措施[1-2]。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(fā)展,如航空、醫(yī)療、車輛以及造船等行業(yè)。而在土木與建筑工程領域,憑借其輕質(zhì)、高強以及耐久性優(yōu)異等特性,FRP材料也于七八十年代開始得到初步應用,且深受業(yè)內(nèi)人員的青睞,主要包括碳纖維(CF)、玻璃纖維(GF)及芳綸纖維(AF)復合材料等。當前,FRP材料的自身加工工藝日趨成熟,而國內(nèi)公路、鐵路等建設項目規(guī)模仍持續(xù)增長,因此FRP材料在工程建設領域的應用潛力巨大,研究FRP材料在橋梁工程中的應用現(xiàn)狀具有重要現(xiàn)實意義。

1 FRP復合材料及其特點

1.1 FRP的組成

FRP是傳統(tǒng)纖維和樹脂融合的產(chǎn)物,兩者共同決定了FRP材料的各項性能。其中,纖維具有加強功能,能有效分擔受力,如碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維等。樹脂主要用于包裹纖維使之形成整體,起到傳力以及黏結(jié)的功能,并保護纖維不受機械損傷與化學侵蝕。另外,樹脂中可適當加入一定的添加劑,以改善性能。

1.2 FRP的性能特點

（1）物理性質(zhì)。FRP材料的密度較低,僅為常規(guī)鋼筋的1/5左右,其熱膨脹系數(shù)呈現(xiàn)各向異性,橫縱向的性能區(qū)別取決于纖維和樹脂的種類及比例。

（2）力學性能。纖維與樹脂類別及摻加量的不同造成了FRP材料的力學性能差異。FRP材料僅由單一纖維構(gòu)成時,其沿順纖維方向的抗拉強度更大,且呈現(xiàn)線彈性變化趨勢,且其抗壓能力普遍不如抗拉性能,如碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維的抗壓強度,分別僅為各自抗拉強度的約4/5、1/2、1/5[3]。

（3）持時特性。在長期的受力條件下,FRP材料經(jīng)受較長時間作用后將引起破壞,即發(fā)生徐變斷裂,其中玻璃纖維對此最為敏感。當FRP材料受力中長度維持固定時,其應力將不斷變小,即發(fā)生應力松弛,其中芳綸纖維的松弛率最大。另外,FRP材料中的纖維能進行內(nèi)力再分配,更好地承擔拉應力,故抗疲勞性能較強,其中碳纖維與芳綸纖維的抗疲勞性能均已超過高強鋼絲,但高溫高濕環(huán)境將不利于FRP材料性能的發(fā)揮[4]。

（4）耐久性能。一般而言,作為非金屬材料,FRP材料適用于酸堿等各種復雜環(huán)境條件,較傳統(tǒng)鋼筋的耐腐蝕能力更強,可視情況用于鋼筋替換作業(yè)。但不同的腐蝕環(huán)境也會一定幅度影響不同F(xiàn)RP材料的性能,如相比碳纖維與芳綸纖維,玻璃纖維的耐酸堿性能相對較弱,而芳綸纖維對紫外線或潮濕條件更敏感等。

2 FRP復合材料的應用形式

（1）FRP片材。FRP片材一般指復合布或復合板。復合布大多為單向纖維組成,應用時可直接以樹脂浸潤后進行粘貼。復合板一般先由工廠進行樹脂浸潤以及固化定型等工序,施工時再粘貼樹脂。

（2）FRP棒材。 FRP棒材一般指復合索和復合筋。復合索包括絞線型與發(fā)辮型,由長纖維單向編織成索狀,經(jīng)由樹脂浸潤形成整體。復合筋是將纖維絲浸潤后經(jīng)拉擠工序制得,纖維摻量越大,拉擠工序越難開展,但所得復合筋的強度將越大。實踐中,復合筋中的纖維摻量一般為63%左右。

（3）FRP型材。 FRP型材分為格柵、管狀、蜂窩等。FRP格柵中纖維垂直交織,經(jīng)由樹脂浸潤形成整體。FRP管是先將纖維絲浸潤樹脂,再遵循相應的方式纏裹至襯膽外面,靜置固化成型。FRP蜂窩板包括上下兩側(cè)復合板與中間的夾心材料,其構(gòu)造上充分借助復合板的強度優(yōu)勢,具備優(yōu)異的力學性能。

3 FRP復合材料在橋梁工程中的應用

3.1 FRP片材的應用

FRP片材在混凝土結(jié)構(gòu)加固中應用廣泛[5],其中碳纖維復合片材的抗拉強度較高,常見于橋梁結(jié)構(gòu)加固領域。相比以往的常規(guī)加固方法,FRP片材加固施工較為便捷,加固效果顯著,能有效增強構(gòu)件的承載能力,且不增加額外的自重與截面面積,同時能適應不同的加固環(huán)境。在實際應用中,FRP片材在加固時可針對受彎、 受剪及抗震等不同工況。

3.1.1 受彎加固

在構(gòu)件受彎工況下,利用FRP片材進行加固,能借助FRP材料的抗拉能力增強承載力,復合布或復合板均可采用,施工時片材宜與構(gòu)件軸向相同。采用FRP片材開展加固時,其設計機制仍為極限法,即極限工況下的應力按照線彈性關系而定,而應變則取構(gòu)件在極限工況時的相應數(shù)值。結(jié)構(gòu)所受載荷應在纖維片材加固前除去,如無法完全卸載,則應考慮二次受力效應。另外,為充分利用FRP片材的高強性能,可對片材施加一定的預應力后再實施結(jié)構(gòu)加固,從而更有效地降低構(gòu)件變形撓度,進一步緩解裂縫的發(fā)生與發(fā)展。

3.1.2 受剪加固

梁體構(gòu)件受剪時易產(chǎn)生裂縫,而將FRP片材布設于梁的側(cè)面,可有效提升構(gòu)件承載力,并使構(gòu)件剛度得到強化。應用中FRP片材應垂直于構(gòu)件軸向進行布設,具體可采取封閉式、U形或側(cè)面式等粘貼方案。將FRP片材用于構(gòu)件抗剪加固時,其實施效果取決于加固方式、錨固方案、片材用量以及纖維取向等,構(gòu)件加固后最終的破壞形式包括斜拉、彎曲、剝離或片材拉斷等,實踐中大多為幾種破壞模式的組合。

3.1.3 抗震加固

FRP片材用于抗震主要是對柱進行環(huán)向加固,恢復受損位置的承載力,提升抗震強度,片材應當對柱的箍筋加密區(qū)進行連續(xù)粘貼。借助復合布約束混凝土的環(huán)向變位屬于一種被動式加固,即當混凝土軸向壓力增大,橫向膨脹力將使得外包FRP材料發(fā)生一定程度的外伸,使之產(chǎn)生徑向的收縮力,其環(huán)向約束效果受柱結(jié)構(gòu)膨脹特點以及外包復合布的環(huán)向剛度影響。在FRP復合布約束柱構(gòu)件過程中,其受力過程主要如下：初始階段,混凝土發(fā)生線彈性變形,外包復合布變形較少,應力約束值低；當柱變形趨于顯著時,外包復合布的環(huán)向應變變大,繼而產(chǎn)生較大的環(huán)向約束力,達到提升柱構(gòu)件強度、增加延性變形的目的。

3.2 FRP棒材的應用

3.2.1 RC結(jié)構(gòu)增強筋

由于FRP材料的抗腐蝕性能優(yōu)于普通鋼筋,因此在某些環(huán)境惡劣的條件下,可考慮采用FRP復合筋替代傳統(tǒng)的鋼筋,從而保證RC（鋼筋混凝土）結(jié)構(gòu)的耐久性,如在鋼筋混凝土梁或橋面板中,將FRP筋作為主要受力筋進行配置,可提升服役年限。但FRP筋彈性模量較小,且其與混凝土之間的粘結(jié)性不同于傳統(tǒng)鋼筋,因此FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)的承載性能較之普通RC結(jié)構(gòu)存在差異。相關研究表明[6],FRP筋混凝土的裂縫發(fā)生規(guī)律、應力傳遞模式以及極限承載力等均與傳統(tǒng)RC結(jié)構(gòu)不同。具體而言,FRP筋混凝土梁可能發(fā)生兩種脆性破壞模式,分別為混凝土受壓破壞以及FRP筋拉斷破壞,其中混凝土受壓破壞的延性優(yōu)于后者。在極限承載力計算方面,FRP筋混凝土梁與傳統(tǒng)RC梁差別不大,但其主要影響因素為裂縫寬度與撓度,因此應當將更多的FRP筋布設于受拉部位。

3.2.2 PC結(jié)構(gòu)預應力筋

FRP筋具備高強的性能,將其施加一定的預應力不但能充分發(fā)揮其力學特性,而且可實現(xiàn)FRP筋混凝土梁抗裂能力的提升。目前,FRP預應力筋在實踐中可用于PC（預應力混凝土）構(gòu)件體內(nèi)或體外。

FRP筋的抗壓與抗剪性能稍差,因此施加預應力時,其錨固性能將成為關鍵一環(huán)。當下錨具形式較為多樣化,基于受力原理主要分為機械夾持型與黏結(jié)型,并形成相應的錨固體系,但總體而言,FRP筋預應力錨固工藝還處于初級階段,遠不如傳統(tǒng)預應力鋼筋錨固工藝的成熟度。

FRP筋彈性模量較低,其發(fā)生破壞時沒有顯著的塑性變化特點,故在受力特性上,FRP筋預應力混凝土結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)PC結(jié)構(gòu)具有較大的不同。當FRP筋用于構(gòu)件體內(nèi)時,結(jié)構(gòu)梁的受力特性存在三種可能的過程：最大應力大于混凝土抗壓強度,混凝土受壓破壞；最大應力小于等于混凝土抗壓強度,FRP筋受拉斷裂,此時混凝土處于塑性變形,結(jié)構(gòu)梁的受彎承載能力應根據(jù)等效應力塊進行分析；最大應力遠小于混凝土抗壓強度,此時梁的配筋率低,破壞時混凝土應力處于線性發(fā)展階段,此時結(jié)構(gòu)梁的受彎承載能力應根據(jù)工作應力分析[7]。

FRP筋的抗腐蝕性能突出,因此作為體外預應力筋或無粘結(jié)預應力筋時,FRP預應力結(jié)構(gòu)的應用潛力巨大。相關研究指出,在受力特性方面,無粘結(jié)FRP預應力混凝土梁與預應力鋼筋混凝土梁,以及體外預應力FRP筋混凝土梁與體外預應力鋼筋混凝土梁,均呈現(xiàn)類同的發(fā)展特點,故計算方式也類同,其最為重要的是需要對無粘結(jié)預應力筋或者體外預應力筋的極限應力進行明確。

FRP筋在發(fā)生破壞時沒有顯著的塑性變化特點,延性較差,不利于結(jié)構(gòu)的安全應用?；诖?實踐中較多專家提出了改進措施,例如使用混雜FRP筋（此類混雜筋屈服點明確、極限應變?nèi)≈递^大）、局部結(jié)構(gòu)中應用FRP預應力或者體內(nèi)外預應力筋結(jié)合等方法。

3.2.3 纜索承重橋的受力構(gòu)件

對于懸索橋、斜拉橋、系桿拱橋等纜索承重橋而言,其中的主要豎向受力構(gòu)件大多設置于結(jié)構(gòu)外部,且所處環(huán)境惡劣,并持久承受高應力,對傳統(tǒng)鋼筋提出較大的挑戰(zhàn)。而FRP筋具備顯著的耐久性與抗疲勞性,且比強度是傳統(tǒng)高強鋼絲的5倍,因此替代傳統(tǒng)鋼筋作為主纜、斜拉索或吊桿等部件,將有效規(guī)避上述缺陷,并提升橋體跨越及承載能力[8]。例如,懸索橋傳統(tǒng)鋼主纜跨越極限約為5km,而應用碳纖維復合材料主纜將能使跨徑增至10km；斜拉橋的極限跨徑目前水平向投影約為1.2km,而應用碳纖維復合材料斜拉索將能使跨徑增至3.8km；同樣,受銹蝕與疲勞等影響,系桿拱橋中的吊桿服役年限一般設計為20年,而碳纖維復合材料吊桿憑借優(yōu)異的耐腐蝕性能,可極大提升系桿拱橋的使用壽命。

3.3 FRP型材的應用

3.3.1 FRP格柵

在室外較為惡劣的環(huán)境工況中,橋面板時常發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象,影響通行安全。為化解橋面冰塊,目前大多應用化冰鹽,但這易引起橋面板中的鋼筋網(wǎng)片發(fā)生銹蝕,故將由樹脂浸潤形成整體的FRP格柵進行替代,可避免銹蝕發(fā)生,延長不利環(huán)境下橋面板的使用壽命。

3.3.2 FRP蜂窩板

橋面板中的鋼筋銹蝕較為普遍,除采用FRP格柵替代外,也可直接運用FRP橋面板[9]。FRP橋面板的應用形式主要為蜂窩板,其特點有：具有優(yōu)異的抗腐蝕和耐久性,在海洋、鹽堿侵蝕等惡劣的環(huán)境中能保證使用功能,維修養(yǎng)護成本低；自重較輕,能減少對橋梁墩柱的荷載作用,利于保證安全；屬于彈性材質(zhì),抗疲勞性能強,在橋面通行車輛超載的情況下也不致于發(fā)生脆性破壞,且能在變形后恢復初始狀況,不會造成后續(xù)使用的困擾。

3.3.3 FRP管

將混凝土灌注于FRP管中,即可形成FRP管混凝土組合結(jié)構(gòu)[10],該種結(jié)構(gòu)耐久性優(yōu)異,且其中的FRP管可直接作為模板使用,在不便于支模的結(jié)構(gòu)施工中應用廣泛。FRP管混凝土組合結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)鋼管混凝土的隔聲隔熱性能更佳,既擁有FRP材料的特殊性能,同時也兼?zhèn)浠炷敛牧系目箟耗芰εc低成本優(yōu)勢。FRP管混凝土組合結(jié)構(gòu)在經(jīng)過科學設計與合理組合后,擁有十分優(yōu)異的力學特性,目前很多發(fā)達國家均對其受力性能、纖維類別、構(gòu)造形式以及纏繞方向等進行了深入研究,如為增強FRP管的局部穩(wěn)定能力,可在管內(nèi)設置一定間距的FRP肋等。

4 結(jié)語

FRP材料的輕質(zhì)高強、抗腐蝕、耐久性優(yōu)良等特性能滿足橋梁工程建設的大多數(shù)要求,在橋梁建設領域中的應用潛力巨大。但FRP材料的彈性模量較低,抗剪能力和延性均比傳統(tǒng)鋼筋更差,因此在橋梁工程的實際應用中仍有較多缺陷需要克服。另外,相關研究者雖然對FRP材料進行了大量研究與實踐應用嘗試,取得了較多的發(fā)展成果,但在FRP材料的生產(chǎn)成本、生產(chǎn)標準以及應用規(guī)范等方面仍需進一步完善,這是未來FRP材料在橋梁工程應用中需要突破的重點方向。