新型FRP组合桥梁PPT课件

新型GFRP组合桥梁的应用与发展,李建中教授,同济大学桥梁工程系,内容介绍,一、FRPGFRP材料的特性及在桥梁中的应用二、新型GFRP组合桥梁的型式三、新型GFRP组合桥梁的实际应用四、GFRP组合桥梁今后的发展方向,一、FRP材料的特性及在桥梁中的应用,纤维增强材料(FiberReinforcedPlastics，简称FRP)，是以非金属纤维(如玻璃纤维GFRP、芳纶纤维AFRP和碳纤维CFRP等)作增强材料，以树脂(如不饱和聚酯树脂、环氧树脂和乙烯基酯树脂)作基体材料的复合材料。从80年代FRP开始在土木工程中应用以来，它就以其优越的性能开始赢得土木工程师的青睐。现在，FRP材料在桥梁中的应用也越来越得到人们的重视。,1FRPGFRP材料的特性,重量轻，且仅有约20%的砼板重,阻尼减振性好,抵抗疲劳和腐蚀性能好,可快速安装，从而减少了施工时间和劳动力成本,各向异性,应力应变关系直至破断均呈线性,比强度高,FRP的主要特性,2FRP材料的形式,FRP材料的产品,FRP片材,FRP布,板材,FRP棒材,FRP索,FRP筋,FRP拉挤型材,FRP模压型材,型材,FRP布由连续长纤维编织而成，通常是单向纤维布，且使用前不浸润树脂，施工时用树脂浸润粘贴。,FRP片材,FRP棒材,FRP索：将连续的长纤维单向编织，形成绳索状的制品，再用树脂浸润固化而成。,FRP筋：采用拉挤工艺生产，在表面进行处理可以带肋也可以不带肋，既可以在混凝土中代替钢筋，也可以作为预应力筋。,FRP拉挤型材,FRP拉挤型材将纤维束或纤维织物通过纱架连续喂入，经过一个树脂胶槽将纤维浸渍，再穿过热成型模具后进入拉引机构，形成连续的FRP制品，拉挤工艺可以生产出截面形状复杂的连续型材，型材可以直接作为结构构件，也可以与其他材料组合。,模压工艺是将预浸树脂的纤维或织物，干燥后放入金属模具中进行加温加压固化而成型。既可以是长纤维，也可以是短切纤维或纤维织物。此种型材尺寸准确、表面光洁、质量稳定，通常在平面内呈现为各向同性。,FRP模压型材,手糊成型是指在室温低压或无压下用树脂将纤维或织物粘接成型的方法，以前都是人工操作完成，因此称为手糊。此法可生产出形状复杂、纤维铺陈方向随意、大尺寸的FRP产品，但质量不易稳定。,手糊FRP产品,用复合材料筋代替普通钢筋（棒材）用复合材料作预应力混凝土结构的力筋（棒材）将碳纤维复合材料索用在斜拉桥拉索中（棒材）用纤维复合材料加固桥梁的上下部结构（片材）纤维复合材料混凝土组合桥梁（型材）全纤维复合材料桥梁（型材）,返回,3FRP在桥梁工程中的应用,二、新型GFRP组合桥梁的型式,1拉挤成型组合桥面板,GFRP组合桥梁,桥面板,拉挤成型组合桥面板,蜂窝夹层组合桥面板,主梁,全FRP结构,1拉挤成型GFRP桥面板,e)Asset系统,f)ACCS系统,主要拉挤成型桥面型式,a)Superdeck系统,b)DuraSpan系统,c)EZSpan系统,d)Strongwell系统,Superdeck系统此类系统又叫六边形或H型桥面板，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。这种新的型材既可被用作单个的梁单元也可组装起来产生正交异性的桥面板。,Superdeck系统横截面Superdeck系统实物照片,试验研究西弗利亚大学（WUV）对这种截面所进行的静力和疲劳测试结果表明竖向刚度在2,000,000次疲劳加载后无明显退化，疲劳周数和静力挠度无明显相关关系且对桥面的极限强度几乎无影响。疲劳加载前后的极限破坏荷载都大大超过了AASHTO规范的HS20（71.1KN）和HS25(88.9KN)活载。即使是HS25活载，该系统的极限强度安全系数也超过了6，且静力挠度满足了L/500的挠度需求。,H型桥面的疲劳测试H型桥面的破坏荷载测试,DuraSpan系统是由总部在北卡罗来那州的Raleigh的MartinMarietta复合材料公司于1992年开发并由Creative拉挤公司生产的。目前有两种Duraspan系统，均可承受AASHTOHS25活载。其具体尺寸为,2)DuraSpan系统,桥面连接形式这种桥面可安装在钢、砼和全复合材料的纵梁上，因此相应的连接也有好几种方式。但大部分的桥面采用了传统的剪力键或蹬筋连接以利用其与纵梁的组合弯曲作用。此类板梁连接已经进行了水平剪切和横向弯曲的静力和疲劳测试，效果良好。,与钢纵梁的连接与砼纵梁的连接,试验研究美国加州大学圣地亚哥分校的学者对该产品进行了疲劳测试、静力刚度测试、振动测试和静载破坏测试。除此之外，特拉华大学(UniversityofDelaware)也对此种桥面及其由此组成的上部结构进行了广泛的测试。测试包括有以下五个方面：a层状试件的拉压测试；b桥面接头的静力、疲劳和耐久性测试；c桥面和纵梁连接的静力和疲劳测试；d铺装层的耐久性测试；e桥面本身的静力和疲劳测试等。,桥面的静力测试,桥面的疲劳测试,桥面的局部疲劳测试,3)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。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。,4)Strongwell系统,从1998年春天开始，VirginiaTech和Strongwell公司开发和测试了Strongwell系统。此类GFRP桥面板也是完全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)，见下图。,Strongwell系统截面,6英寸拉挤方管连续玻璃纤维垫玻璃纤维粗纱,试验研究VirginiaTech对此类面板作了大量的荷载测试以验证其可行性。测试的桥面板为3跨1.2米（交通方向），宽4.2米，厚120毫米，由拉挤方管和上下面板组成。方管用环氧树脂胶结并用间距0.3米，穿过管壁的玻璃纤维杆连接起来，而管和板间也用环氧树脂胶结。全板支承在1.2米间距的4根W1640的钢梁上，加载板为0.30.5米并放在氯丁橡胶上。测试包括强度测试，刚度测试和强度测试完成后的疲劳测试三个方面，其截面形式和测试设置见下图。,测试Strongwell系统断面,Stronwell系统桥面板的实验室测试,5)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，如下图。,试验研究对Asset系统进行的实验包括小比例和大比例的测试。在瑞典KTH进行的小比例测试提供了各种层状纤维敷设方式的力学属性。测试出来的性质包括了拉、压及剪切的强度及模量。同时，还对完全浸润的GFRP复合材料板进行了小比例的耐久性测试。大比例的测试则在西班牙的IETCC进行，其测试项目包括静力弯曲和剪切、疲劳（10,000,000次）、蠕变，冲击等。通过以上测试表明Asset截面的实际结构行为与设计一致，挠跨比小于1/300且静力破坏模式主要是支承附近的腹板底部的剪切破坏。,Asset系统桥面板的实验室测试,6)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FRP构件所组成。,其主要受力构件是有开口肋的面板，公称尺寸为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FRP构件连接起来，见图。主要构件和连接构件的尺寸见下页图。,主要有美国的KSCI(KansasStructuralComposites,Inc.)系统、Hardcore系统和加拿大的纤维缠绕三角管系统等。,(a)(b),蜂窝夹层组合面板（a）Hardcore（b）KSCI,2蜂窝夹层组合桥面板,1)Hardcore系统特拉华的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劲腹板所构成。制造方法是真空辅助树脂浸渍模塑成型工艺(SeemanCompositeResinInfusionMoldingProcess(SCRIMP)。,这种桥面的主要特点有：重量轻，低恒载从而增大活载承受能力，无需更换下部结构和基础就可更换和扩宽桥面，易于运输制造和安装，设计荷载可达HS25，挠度标准达到L/800，2,000,000次疲劳测试能力优异，耐久性良好，具高的抗腐蚀性，不受恶劣天气影响，不透水，无破碎、生锈及腐烂的缺点，而且全年均可施工。Hardcore系统所采用的FRP材料为缝制的无碱玻璃纤维织物加乙烯基树脂，玻璃纤维织物被认为在平面内各向同性，其主要力学性能如表:,2)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陈的GFRP夹心板接触低压成型法生产成型。此组合结构由厚2.29毫米（0.09英寸）的波纹形片材加平面片材组成单胞尺寸50.8101.6毫米的蜂心，蜂心单元均是由聚脂薄膜接触模压形成。而表面板的制作是首先将玻璃纤维织物放在钢模中，注入树脂直至达到所需厚度，再将蜂心湿放入面板中，施加真空以压紧并凝固。,由于主梁有砼、钢及FRP等几种型式，相应的组合型式也有：GFRP桥面与砼纵梁相组合GFRP桥面与钢纵梁相组合GFRP桥面与FRP纵梁相组合,3与主梁的组合型式,返回,三、新型GFRP组合桥梁在实际中的应用,新型GFRP组合桥梁,1人行桥,人行桥(全FRP结构),车行桥(组合FRP结构),2001年10月，在西班牙Lleida市以南3KM处，修建了一座穿过一条公路，一条铁路和新计划的马德里和巴塞罗那间的一条高速铁路的人行桥。桥式是全GFRP拉挤成型的型材修建的桁架。跨度38米，矢高6.2米。（矢跨比大约为6），宽3m。桥总重约为19吨。这座桥是世界上用玻璃纤维材料修建的最长的拱桥。所有的截面都是使用无碱玻璃纤维和机织复合衬垫制作的，玻璃纤维的最小含量为50，胶结材料为异酞聚合物。此桥总体见图。,丹麦1997年建成的Fiberline宽3.2m,总长40.3m主跨27,边跨13索采用100mm100mmGFRP棒材,主梁和塔采用拉基型材.,在英国，最近也有多座人行桥应用了FRP材料。其中,在康沃尔郡近博德明市的Halgavor桥(跨度为47m的)，用GFRP作为主要结构材料以修建跨越干线的桥。见下图。,位于兰开夏州的Ribble路桥,兰开夏州的Ribble路桥,美国从90年代中期，开始发展FRP人行桥，现在有超过60座的复合材料人行桥。典型的如美国密苏里-罗拉大学2000年6月在校园内设计并建造的人行桥。该采用了拉挤成型的FRP管组型材系统，桥长9.14米，宽2.74米，每根GFRP管为76毫米76毫米，厚6.35毫米，这些管用环氧树脂粘为七层并用螺栓将顺着和垂直于交通方向的管连成桥面板。其横截面形式是4个沿桥纵向I型梁。,我国也是较早开始研究FRP桥梁的国家之一。从1986年起到1993年共用手糊夹层的桥面板建造了8座复合材料混合式人行桥。,2车行桥,西维吉尼亚大学建筑设备中心，西维吉尼亚交通局，美国陆军工程研究实验室及复合材料研究所修建了Superdeck的两个样板工程，分别是1997年5月在西弗吉利亚州的路易丝镇修建的LaurelLick桥和1997年7月到8月在泰勒镇修建的WickwireRun桥。第一个项目更换了原来的木桥面和钢梁而全用宽翼缘（工字形）的GFRP梁及桥面系统。桥面用的的Creative拉挤公司生产的具有垂直于交通方向的六边形和双梯形管截面的Superdeck系统。桥面全长6.1米，宽4.88米，并支承在六根6.1米长间距0.76米的GFRP宽翼缘（工字形）梁上。,第二座桥是西维吉尼亚州泰勒县的WickwireRun桥。它于1997年8月修建。应用了相同的桥面板系统。但此系统由4根间距1.83米的钢纵梁支承。此桥长9.14米，宽6.61米，见图。,主梁采用FRP的桥式,2000年在加州Riverside县的KingsStormwater建设航道桥。此桥为两跨10.06米的连续梁桥，13.41米宽，由六块桥面板组成，用了19毫米的聚合物胶结砼面层。该桥上部结构高度要求很低，故采用了梁板组合的桥面板系统构成。上部结构的总高（包括19mm的覆盖层）为562mm。其中梁高362mm，板厚181mm。纵梁为线绕碳环氧树脂管内填轻质砼(CSS)。,加州大学圣地亚哥分校还设计了I5/Gilman新型复合材料斜拉桥(下页图)。此座137.2米的斜拉双线公路桥计划在Gilman车道处越过州际5号公路。位于加州大学圣地亚哥分校校园内。用复合材料修建，用来验证CSS(碳纤维管内填砼系统)和HTS(混合管梁系统)概念在基础设施中应用的有效性。此桥桥塔为一高57.9米的偏心A型框架，是一扇形双索面斜拉桥。上部结构总宽约18.3米，高约1.45米。由横向玻璃纤维和碳纤维加强的横梁连接两个环形碳环氧树脂管并内填砼的纵梁并支撑聚丙烯纤维加强的砼桥面板从而共同构成上部结构。在环形碳环氧树脂管内有横向肋以传递管与内填砼之间的所有力。这个概念对柱和梁均适应。环形碳环氧树脂管内填普通砼可以提