纤维复合材料在桥梁中的应用

纤维复合材料在桥梁中的应用【摘要】纤维复合材料又称纤维增强塑料，是以非金属纤维(如玻璃纤维、芳纶纤维和碳纤维)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。树脂将纤维束结成整体，既能保护纤维免受机械破坏和化学腐蚀，又能使纤维整体受力。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使纤维复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。【关键词】纤维复合材料 桥梁 应用1、 序言现代交通的发展，对桥梁的营运质量和寿命提出了更高的要求。钢材的锈蚀是危及桥梁安全和耐久性的大敌，人们探索过很多防锈措施，但效果并不理想。促使各国公路管理部门在桥梁新建时就开始探求用新型材料来替代预应力钢束。于是，轻质、高强、耐腐蚀性能好的纤维复合材料就逐渐进入了人们的研究视野。纤维复合材料具有重量轻、强度高、耐腐蚀能力强等优点，使其成为混凝土桥梁中钢筋及预应力筋的替代材料。随着纤维复合材料工业的技术进步、规模生产和成本的下降，它在桥梁结构工程中的应用规模将不断扩大，并必将把桥梁结构工程提高到一个崭新的水平。2、纤维复合材料性能(1) 纤维复合材料具有比钢材高出10几倍的抗拉强度，一般为15001900 MPa，高的可达24003000MPa：顺纤维方向其抗拉强度远大于普通钢筋，与高强预应力筋相近。(2)纤维复合材料抗疲劳性能优良，据试验表明，当平均应力为550MPa时，200万次循环荷载应力幅度可达900MPa，高出钢材3倍。(3) 纤维复合材料减震性能好，其自振频率很高，可避免早期共振，同时内阻也很大，一旦激震起来，衰减也很快。(4) 纤维复合材料具有优良的耐化学腐蚀性，它是一种优良的电绝缘体，用它制作的设备或构件具有良好的耐酸、碱、盐等化学介质侵蚀的能力。(5) 纤维复合材料材料是柔软的，树脂是可以流动的，其产品的形状几乎不受限制，还可以任意着色，从而达到结构形式和材料美学的高度统一。3、纤维复合材料桥梁的优势由于桥梁的安全性、适用性、耐久性、施工要求和维护要求方面的结构需求，桥梁结构与其它建筑结构相比具有如下特点：不可重复，不可完全试验，荷载复杂，使用环境极端，使用期限长，制约因素多，体量较大。由于这些特殊要求使得复合材料能够在桥梁工程中具有更好的应用前景。从历史上看，每一次新材料应用于工程结构中都会带来革命性的变化，复合材料桥梁被各国的研究者认为是复合材料在结构中应用的又一新的发展方向，并进行了一系列的研究与应用工作。与初期的复合材料桥梁应用不同，近年来的复合材料桥梁是指采用拉挤、缠绕、 树脂传递模塑等工业化成形工艺的高性能碳纤维、高性能玻璃纤维(E玻璃和高强玻璃)、玄武岩纤维等增强复合材料型材构成的具有稳定力学性能和使用性能桥梁或桥梁部件，具有工业化、标准化的特点，能满足大用量的工程建设需要。这些桥梁可称为“高性能复合材料桥梁”，与传统桥梁相比，在以下几方面具有突出的优势。(1)架设速度快。俄罗斯莫斯科中心城区的某人行桥采用FRP结构，其上部结构架设仅耗时2个小时，而常规的结构一般都需要2天；美国New York州某车行桥的改造，采用复合材料结构替换技术，仅用2天，而常规方法则预计需要10天左右。因此，采用复合材料桥梁体系可大大加快建设速度，应用于跨线桥、城市中心区桥、交通偏远区桥梁和在役桥梁翻新将具有很好的经济效益和社会效益。同时，在提高灾后应急能力以及快速反应能力方面也具有重要的应用前景。(2)抗腐蚀能力强。构成复合材料的纤维和基体材料都是耐腐蚀的非金属材料，在结构中应用可避免腐蚀破坏所带来的各种危害和损失。传统结构的腐蚀、劣化问题非常严重，不仅影响了桥梁的正常使用和寿命，还造成大量的安全和事故隐患。复合材料桥梁具有的抗腐蚀性能能够保证其长期使用的可靠性，一方面可提高结构的安全性能，另一方面可降低了维护运营的投入。并且复合材料具有色泽鲜艳持久的特点，不需要特殊维护，适合建造景观桥。(3)抗超载和抗疲劳。传统的桥梁结构设计以延性和变形能力获得一部分结构的安全储备，而复合材料的力学性能表现为线弹性，主要依靠承载力提供安全储备，设计合理的复合材料桥梁比传统材料桥梁的实际承载力要高。同时复合材料在破坏前卸载不会发生塑性变形，因此复合材料桥即使经历超载也可恢复原状，对继续使用的影响很小。此外，复合材料材料的抗疲劳性能远远优于传统结构材料，非常适合在承受动载的桥梁结构中应用。由于复合材料桥梁具有这样的特点，可提高交通系统的适应能力，对于我国当前的实际应用及发展具有重要意义。(4)抗震性能好。由于复合材料的力学性能优越，可以减小构件的尺寸，减轻上部结构的自重，从而减小了在地震中受到的惯性力，因此对于抗震较为有利。同时，由于承载力储备较大，也进一步提高了复合材料桥梁的抗震能力。此外，由于其自重轻，在震后的快速修复与重建中具有显著的优势，尤其是在交通不便的情况下。因此，复合材料桥梁在地震区的优势更为显著。(5)可实现更大跨度。超大跨度的桥梁是人类进步和经济发展的需求之一。由于钢材和混凝土的自重较大、强度有限，随着跨度的增大，自重的影响将不断增大，传统的结构形式和材料将难以适应更大跨度的需要。FRP因其高强、轻质、耐腐蚀的优点，被认为是实现大跨度结构的理想材料。虽然目前还仅处于研究阶段，但超大跨度桥梁将是FRP桥梁的重要发展方向，而常规FRP桥梁的研发与应用则是超大跨FRP桥的基础。4、纤维复合材料桥梁发展面临的问题与挑战应该说，目前我国复合材料桥梁的发展面临着机遇，但也存在大量的技术问题亟待解决。主要有下面一些：(1) 复合材料桥梁的结构形式和加工工艺还需要通过工程界与工业界的合作，进行研究开发。(2) 复合材料型材，尤其是大截面工业化生产的复合材料型材产品的还急缺。(3) 针对桥梁结构的复合材料连接及其质量控制仍需进一完善。(4) 轻质桥梁的振动控制需要通过从结构工程方面的研究予以解决。(5) 复合材料长期的徐变性能和在较高温度下的长期工作性能还有待进一验证。 此外还存在一些非技术问题：(1) 造价是影响复合材料桥梁应用的首要问题。复合材料桥梁具有初期造价高、但综合效益好的特点，需要通过正确的市场推广，拓宽应前景。(2) 工程界对复合材料认识不够和复合材料工业界对桥梁工程界了解不足是目前存在的一个显著的问题。(3) 另外，缺乏相应的产品标准与应用规范是限制其使用的主要问题。5、结语从结构工程的角度来看，纤维复合材料是一种能带来结构形式革新的新材料，是现有桥梁结构材料的补充。复合材料在桥梁和承重结构中的应用不仅是可行的，而且具有广阔的发展前景。桥梁的技术进步总是和建桥材料的技术进步紧密相关的。复合材料所具有轻质、高强和耐腐蚀等特性，是其具有发展前景的基本条件。可以预计，在21世纪，随着复合材料的大规模生产以及生产成本的下降，其在桥梁领域的应用范围将逐步扩大。如果说20世纪是以钢铁和水泥为主要建桥材料的时代，那么21世纪纤维复合材料将有可能逐步取代钢铁建桥的时代参考文献【1】 陈小兵 李荣 丁一，高性能纤维复合材料土木工程