FRP桥面板与组合桥梁

GFRP-钢组合结构桥梁关键技术研究1.GFRP桥面板的特点纤维增强复合材料桥面板在公路桥梁中，桥面板直接承受轮压荷载和环境荷载，是受超载、腐蚀、疲劳等不利因素影响最直接的构件，传统的钢筋混凝土桥面板和钢桥面板在恶劣的环境下会很快的锈蚀、开裂、剥离，甚至塌陷，它们给桥梁工程造成的经济损失是巨大的，所以人们一直在探索采用新的有效和可靠的建筑材料来代替传统材料。纤维增强复合材料桥面板具有耐腐蚀、比强度高、比模量大、抗疲劳性能优异的纤维增强复合材料（FRP）的出现，成为建筑和桥梁工程中提供了新选择。用GFRP制成的桥面板体系是近十多年内发展起来的一种新型桥面系结构形式。纤维增强复合材料桥面板常用的复合材料增强纤维材料（FRP）包括玻璃纤维、碳纤维、硼纤维和芳纶纤维等。碳纤维、硼纤维和芳纶纤维虽然具有卓越的机械性能和理化性能，但价格过于昂贵，采用这些材料制造桥面板成本太高，缺乏竞争力。玻璃纤维增强复合材料（GFRP）桥面板玻璃纤维虽然弹性模量较低，但价格低廉，而且对大气、水和各种腐蚀介质的化学性能比较稳定。所以，目前国际上通常采用玻璃纤维增强复合材料(GFRP)制造桥面板。GFRP桥面板的特点(1)GFRP桥面板重量轻，可大大降低桥梁恒载，提高有效承载力，并使基础工程在内的下部结构工程量减少，是解决桥梁结构轻型化问题的一个十分有效的途径。(2)虽然GFRP材料价格比传统材料高，但GFRP桥面板自重的减轻会使桥梁下部结构的造价减少，用它建造桥梁结构具有自重轻、施工方便优势，这是传统结构材料难以比拟的。GFRP桥面板的特点(3)GFRP桥面板耐腐蚀，有良好的耐腐蚀性。可以在酸、碱、氯盐和潮湿的环境中抵抗化学腐蚀,这是传统结构材料难以比拟的。目前在化工建筑、地下工程和水下特殊工程中，GFRP材料耐腐蚀的优点已经得到实际工程的证明。在瑞士、英国、加拿大等国家的寒冷地区以及一些国家的近海地区已经开始在桥梁、建筑中采用GFRP结构代替传统结构以抵抗除冰盐和空气中盐分的腐蚀消除了混凝土板具有的开裂,钢筋锈蚀等问题，节约了维修和防护费用。GFRP桥面板的特点(4)可在工厂中模块化生产,对环境的破坏小，运输吊装方便，大大减少建桥现场组装的时间，降低建造成本。(5)具有良好的抗疲劳、抗震和耐久性，使用寿命长。使得结构的维护费用和周期都将大大降低。从结构整个生命周期的费用来看，GFRP桥面板是非常具有竞争优势的。尤其在一些工作环境恶劣的地方。GFRP桥面板的特点(5)良好的可设计性。与传统结构材料相比，这是GFRP材料所独有的。工程师可以通过使用不同纤维种类、控制纤维的含量和铺陈不同方向的纤维设计出各种强度和弹性模量的GFRP产品。而且GFRP产品成型方便，形状可灵活设计。GFRP桥面板的特点(7)GFRP产品非常适合于在工厂生产、运送到工地、现场安装的工业化施工过程，有利于保证工程质量，有利于提高劳动效率，有利于工程建设的工业化。(8)GFRP产品还有一些其它优势，如透电磁波、绝缘、隔热、热胀系数小等等，这使得GFRP结构和GFRP组合结构在一些特殊场合能够发挥难以取代的作用。GFRP桥面板的特点(9)与传统结构材料不同，GFRP材料通常表现为各向异性，纤维方向的强度和弹模较高，而垂直纤维方向的强度和弹模很低。有关产品资料表明，两个方向的抗拉强度相差可达25倍，抗压强度相差可达5倍，模量相差可达13倍。GFRP桥面板的特点(10)纤维方向的抗拉强度比抗压强度高30%。因此在设计GFRP构件时，需要对两个方向分别进行设计。由于GFRP材料各向异性，在受力上有许多不同于传统结构材料的现象，例如拉伸翘曲现象，这在各向同性材料中是没有的，这加大了设计难度。GFRP桥面板的特点(11)与钢材相比较，大部分的GFRP产品的弹性模量较低：大约为钢材的1/20～1/2，大致与混凝土和木材在同一数量级。弹模低是GFRP作为结构材料最大的劣势，在设计中要充分考虑这个特点，应尽量使用几何刚度来弥补材料刚度的不足与钢材相比较。GFRP桥面板的特点(12)GFRP材料的剪切强度、层间拉伸强度和层间剪切强度仅为其抗拉强度的5～20%，而金属的剪切强度约为其拉伸强度的50%。这使得GFRP构件的连接成为突出的问题。GFRP结构可以采用铆接、栓接和粘接，但不管那种连接方式，连接部位都是整个构件的薄弱环节。GFRP桥面板的特点(13)与混凝土相比，一般GFRP材料的防火性能较差。临界温度为300℃左右，而且部分树脂材料有可燃性。通过改变树脂的组分，可以改善GFRP的防火性能。目前采用环氧树脂的GFRP材料，可在树脂中掺入阻燃剂，表面进行防火处理，其效果已经可以与混凝土结构相当。GFRP桥面板的特点(14)研究结果表明，GFRP材料本身的抗疲劳性能优于传统结构材料。但是值得注意的是，初始缺陷和工作环境对GFRP材料抗疲劳性能的影响非常显著。因此需要对实际工程中的GFRP结构和GFRP组合结构整体的抗疲劳性能还应进行深入研究。GFRP桥面板的特点(15)GFRP材料的耐久性也是很多学者关心的问题。目前许多GFRP产品供应商都通过加速试验来证明自己的产品寿命在35年以上，甚至达到70年。但是GFRP材料诞生也不过60多年，应用于土木工程中也最多30年。GFRP桥面板的特点应该注意的是，耐久性不仅仅是材料老化，还包括温度变化影响、湿度变化影响、GFRP的蠕变和应力松弛以及GFRP与混凝土碱性反应等等问题，而且在实际环境下这些因素是共同作用，相互影响的。在我国，有GFRP结构因耐久性而失效的例子，也有应用20年以上的工程。GFRP桥面板的特点(16)目前国际上通常采用玻璃纤维增强复合材料（GFRP）制造桥面板。一般GFRP桥面板产品的自重为0.75～1.1kN/m，是传统桥面板的1/3～1/4，价格为混凝土桥面板的3～4倍，为钢桥板的2倍。在HS20级荷载的作用下，桥板最大变形为L/450～L/1300。国外GFRP桥面板GFRP桥面板的特点纤维增强复合材料桥面板的基本结构主要有两种形式：（1）夹芯板结构（2）拉挤型材粘合结构。GFRP桥面板的特点—夹芯板结构GFRP夹芯板结构可设计性好，可设计制造各种不同厚度、截面形状尺寸及不同强度要求的桥面板，尤其是可以方便地形成组合结构。这种结构存在生产成本较高，结构的连接和固定性能差等缺点。KSCI系统Kansas结构复合材料公司生产的KSCI系统属于蜂窝夹层组合结构，制造方法是采用多向铺层的GFRP夹心板接触低压成型法生产成型。KSCI夹芯板结构GFRP桥面板Hardcore系统Hardcore公司制造的Hardcore桥面系统由上下表层的蒙皮加上中间的多重缠绕加筋腹板所构成。制造方法是真空辅助树脂浸渍模塑成型工艺。拉挤型材GFRP桥面板拉挤GFRP型材具有可以连续生产，生产效率高，原材料浪费少，整体性和截面形状一致性好，型材长度不受限制等优点，是目前国际上主要采用的桥面板结构形式。但生产拉挤型材的设备的初期投资比较昂贵，且型材截面形状和尺寸受到设备限制。拉挤型材粘合结构GFRP桥面板产品性能可靠、强度高（设计应变比AASHTO中规定的还小20％）、自重轻（约为混凝土桥板的20％～40％）、截面低（为混凝土板的80～90％）、有很好的抗疲劳和抗腐蚀性能、施工方便、安装快捷。拉挤型材GFRP桥面板DuraSpan拉挤型材GFRP桥面板Superdeck仿蜂巢截面双梯形/六边形拉挤型材GFRP桥面板Superdeck系统又称为Superdeck仿蜂巢截面双梯形/六边形拉挤型材GFRP桥面板系统。它是由西弗利亚大学（WUV）和美国陆军建筑工程研究室（USACERL）联合开发和测试的。这种新的型材即梁单元也可组装起来产生正交异性的GFRP桥面板。EZSpan系统EZSpan系统是ARC（AtlanticResearchCorp.）和佐治亚理工学院（GeorgiaInstituteofTechnology）1999年开发的一种GFRP桥面板。9英寸厚的面板由手糊的上下两层面板和拉挤成型的三角形构架芯管胶结组成。EZSpan系统每个等边三角形构架芯管边长约8英寸，用ARC生产的浸润聚乙烯树脂的三向编织无碱玻璃纤维拉挤而成，该编织纤维贯穿整个厚度范围，可提供优异的耐久性能，如将其切开成平面织物片时宽约28英寸。而面板则由浸润聚乙烯树脂的编结无碱玻璃纤维手糊而成。Strongwell系统VirginiaTech和Strongwell公司开发和测试了Strongwell系统,也是采用拉挤型材粘贴而成的。所不同的是它由GFRP拉挤方管和平板粘结组成。整个系统的厚度可因方管的尺寸变化而变化，范围从120.7mm变化到203.3mm，自重为(90-117Kg/m2)。Strongwell系统ACCS系统ACCS（AdvancedCompositesConstructionSystem）系统又叫COMPOSOLITETM系统,是一种先进的复合材料建筑板，可用作主要承载构件。其模块化的建筑系统由一些用拉挤法生产的互锁GFRP构件所组成。其主要受力构件是有开口肋的面板，尺寸为76.2mm厚、609.6mm宽，此面板可以用三向连接器，450连接器，栓钉（toggle）或挂钩(hanger)等五种互锁的拉挤GFRP构件连接起来。主要构件和连接构件见图。ACCS系统Asset系统Asset系统截面是由Mouchel(英国)，Fiberline(丹麦)，KTH(瑞典)，IETCC(西班牙)，Skanska(瑞典)，HIM(荷兰)和OxfordshireCountyCouncil(英国)等七个单位组成的合作体共同研发的。Asset系统Asset系统截面是基于英国BS5400规范中HA和HB类荷载取2米的跨度和40吨的荷载来设计的。另外，截面的高度和尺寸均要满足适于拉挤成型的方便及与现存桥梁具有相容性。最终采用的截面高度为225毫米，宽度包括搭接接头为521毫米，并采用无碱玻璃纤维浸异酞聚合树脂拉挤成型。韩国的GFRP桥面板韩国的GFRP桥面板拉挤型材粘结GFRP桥面板性能比较2、GFRP桥面板的生产工艺与粘结技术GFRP桥面板的生产工艺由于GFRP材料具有弹性模量低和各向异性等特点，简单地使用GFRP材料制造桥面板不易满足高性能、低成本的要求。因此，将不同种类的GFRP材料及传统结构材料进行合理的组合，开发出质轻高强、适用于公路桥梁的重型GFRP组合桥面板是目前国内外主要的研究领域之一。GFRP板的生产工艺-手糊法真空辅助树脂转移成型法拉挤法GFRP桥面板成型工艺比较实桥用GFRP桥面板拉挤型材实桥用GFRP桥面板拉挤型材实桥用GFRP桥面板拉挤型材实桥用GFRP桥面板拉挤型材GFRP桥面板连接技术对于GFRP桥面板的连接工艺设计、连接强度和失效形式分析是当前复合材料桥梁领域的研究热点之一。常用的GFRP桥面板连接固定的方式：金属螺栓和机械连接化学粘接机械与化学粘结混合连接常用结构胶粘剂类型丙烯酸结构胶粘剂环氧结构胶粘剂聚氨酯结构胶粘剂化学胶粘剂的选择复合材料---选择丙烯酸,聚氨酯或是环氧胶粘剂•复合材料粘接复合材料-使用聚氨酯或是环氧胶•复合材料粘接未处理金属–使用丙烯酸胶•复合材料粘接其它材质–使用聚氨酯或环氧胶GFRP桥面板的粘结实例GFRP桥面板的粘结实例GFRP桥面板的粘结实例GFRP桥面板的粘结实例3、GFRP桥面板与承重梁之间的连接技术GFRP桥面板与钢结构和混凝土结构的机械连接GFRP桥面板与钢结构和混凝土结构的连接是一个极其重要的问题。通常采用的方法是利用半硬泡沫塑料隔离板在桥面板内形成腔体，然后在腔体内浇入混凝土。GFRP桥面板与钢结构机械连接DuraSpan拉挤型材GFRP桥面板安装在钢、砼和全复合材料的纵梁上的相应的连接方式为例。GFRP桥面板与钢结构的机械连接GFRP桥面板与混凝土结构连接GFRP桥面板与承重梁的胶粘剂连接GFRP桥面板与承重梁的混合连接GFRP桥面板与