复合材料在桥梁工程中的应用

复合材料在桥梁工程中的应用

1预应力钢筋性能特性在过去的几十年里，先进技术对材料的性能提出了更高的要求，但采用材料的要求无法满足这些要求，因此人们对材料的兴趣迅速增长。此外，材料的强度（强度）和比强（体积重量）更大。（2）抗疲劳性能好。（3）减速性能好。（4）它类似于混凝土和木材的热胀系数。（5）破坏安全性能好；（6）它的设计和技术精神[1.2]。它在宇宙、船舶、船舶、化工、电子和建筑行业中得到了广泛应用。复合材料是钢铁的竞争者,人们预言,到本世纪末发达国家使用钢材的大部分将被复合材料所取代,专家们兴奋地宣称:未来将是复合材料的时代。FRP材料与预应力钢筋基本性能的比较如表1所示。研究复合材料在桥梁工程中的应用,国外起步于本世纪70年代。据有关文献记载,目前欧美、日本等国在这方面已进行较多的研究和试验,并编制了有关的行业规程。本文根据有关最新文献来介绍复合材料在桥梁工程中的应用情况和在大跨度斜拉桥中的应用前景。2桥梁工程中的应用复合材料,特别是碳纤维增强塑料(CFRP)等高强度、高模量的材料比常用材料的价格要高得多,但是,如果能利用它那些独特的优点和性能,并且能找到合适的使用方法,那么复合材料在桥梁工程中的应用也是非常广泛而且比较经济的。2.1碳纤维织物加固试验现有桥梁结构经长时间的地震荷载作用或由于意外的事故,其墩柱、梁板等会有相当程度的开裂,这会影响桥梁的正常使用甚至失效;再者,由于桥梁结构抗震规范的修改,原先设计桥梁的抗震能力已不符合现在的要求,这需要来加固它们。碳纤维束易变形,能在已有混凝土墩柱的表面缠绕,并且两者之间接触紧密,碳纤维的强度与弹性模量又较高,这样对混凝土有很强的约束作用。纤维加强墩柱在水平地震荷载作用下的延性有着很大的改善,而纤维本身的伸长量很小,避免了脆性破坏的发生。以上就是所谓的纤维缠绕技术加强墩柱,文献为此作了专门的试验,结论如下:(1)碳纤维加强柱的最大水平位移和最大吸收地震能量与碳纤维量大致成线性关系;(2)碳纤维加强柱的抗震能力与纤维和柱表面混凝土的处理方式没有多大关系,也就是说,纤维直接缠绕和纤维与混凝土完全黏合这两种方法之间区别不大;(3)在确定碳纤维用量时,可以将其按下式等效为箍筋进行计算。式中Pf为缠绕纤维的横向比例;Pw为横向钢筋比例;σCF为碳纤维的拉伸强度;σwy为箍筋的屈服强度;υCF为碳纤维的有效强度因子,一般为2/3。碳纤维缠绕技术加强墩柱操作简单,所需施工空间小(最小空间为7.62cm),能节约大量的人工费(一般人工费占总费用的80%,而材料费只占20%),所以这项技术用于加固已有桥梁墩柱是比较经济的,美国与日本已用此加固了数以万计的桥梁墩柱。用轻质的CFRP层合板代替钢板加固已有桥梁梁板是另一项新技术。文献做了一个简单的试验,用两组试件来作承载力和挠度的比较,其中一组为2m长的一般钢筋混凝土梁(荷载作用点离支座的距离为0.66m,总荷载为2F),而另一组为相同尺寸、底面用CFRP层合板(截面尺寸为0.3mm×200mm)加强的钢筋混凝土梁,试验结果如图1所示。从图1可知,加强梁的承载力要比一般的钢筋混凝土梁大100%,而最大挠度只有后者的3/8,这说明CFRP层合板能起到很好的加强作用。从文献其它的试验结果来看,加强梁的最大裂缝宽度要比一般的钢筋混凝土梁小,接近脆性破坏,这是设计中特别要注意的问题。瑞士卢塞恩市的Ibach桥其中一跨度为39m的箱梁因意外事故而遭到破坏,假如用钢板来加固的话,则要把重175kg的钢板搬到有一定高度的施工场所,而用CFRP层合板却只有6.2kg,所以有关部门用CFRP层合板来加固这座桥,节约了大量的人工费用。2.2混凝土桥的施工近10年来,美、日等国把FRP材料以钢筋或预应力索的形式运用到桥梁中,其中日本是第一个在混凝土桥中应用CFRP绞线和阿拉米德FRP(AFRP)筋作为预应力筋的国家。下面以日本为例来介绍FRP力筋在混凝土桥中的应用情况。从1989～1992四年期间,日本国内修建了一系列工程,这些工程发展了应用FRP材料作为预应力混凝土桥力筋的必要技术。不同类型的FRP力筋性能的试验及研究以及所需锚固系统都已完成。并且,为了探测采用FRP力筋的混凝土构件的承载力和耐久性,做了静载及疲劳试验。这些结果被用作FRP力筋预应力混凝土桥设计和施工的指导准则,准则包括:材料性能、设计原理、容许应力、试验和材料检验,FRP力筋混凝土桥的施工步骤。1988年CFRP绞线作为先张筋首先应用于石川县Shinmia桥,该桥桥宽为7.0m,跨度为5.76m,应用于该桥中的先张力筋为ue001φ2.5mm的CFRP绞线,下翼缘设6根,上翼缘设2根。1989年,在日本石智川桥九州县部分,CFRP作为预应力筋第一次应用于一座2跨简支预应力混凝土公路桥中,该桥两跨梁宽12.3m,长35.8m,一孔为18.25m先张梁,另一孔为17.55m后张梁,由ue001φ8mmCFRP棒组成的8根复合力筋分别应用在后张梁中。1990年在日本茨城县高尔夫球场修建的一座人行桥中,采用AFRP编织束作为预应力筋。该桥为后张预应力悬臂板梁,长54.5m,宽2.1m,所有编织束的截面为4.86mm×19.5mm,每束保证强度为118kN,8根束组成一根力筋,一共用了16根。1992年,在一座高尔夫球场的池塘边,应用阿拉米德以及聚乙烯醇缩醛纤维的FRP材料修建了一座先张预应力混凝土浮桥,桥长56.37m,宽4.0m。卡车先将6个预制的预应力浮箱单元运到现场,然后将它们沉入塘中,利用外部后张力筋将各个单元结合在一起。该种力筋作为各单元先张筋,并在浮箱顶部作网状加劲,在腹板利用聚乙烯醇缩醛FRP棒作为箍筋。在这些桥中布置了一些监测系统,它们由一些监测仪表组成,包括测量混凝土有效压应力,FRP筋端头的热电偶及荷载传感器。从这些测量结果,可以确定不同的FRP棒的拉应力,建立锚固系统的可靠度以及FRP筋的弹性性能,预测整个桥梁在使用荷载下的结构性能。初步收集到的数据表明这些桥的性能是优良的。2.3frp斜拉行人桥结构研究复合材料不仅是一种材料,而且是一种结构,如果它能应用到整个桥梁中去,那么它会使桥梁界有个崭新的认识——由于FRP桥上部结构减轻,相应的下部构造也可减轻,施工难度下降,模板量也可大幅度下降;结构恒载减少,有效承载力提高,设计应力中活载应力的比例由常规材料的10%～20%提高到50%～70%。在80年代初,我国科学工作者已对复合材料运用到桥梁结构中作了一定的研究。1986年重庆交通学院建成了FRP试验人行桥,并完成了荷载检定试验。该试验桥为单塔单索面非对称斜拉体系,全桥长50m,主跨玻璃钢梁长27.4m,宽4.4m,重8.9t(这不到同样跨度钢桥的30%,钢筋混凝土桥的13%),截面为蜂窝夹心板组合箱梁,斜缆由平行高强钢丝束组成;其余部分为钢筋混凝土结构,全桥总造价25万元,平均每平方米单价0.1万元左右(当时同类钢桥的造价为0.28万元/平方米)。它是我国第一座FRP斜拉人行桥,是FRP材料运用到整桥结构的一次尝试。在国外,英国于1992年建成一座主跨为63m的GFRP人行斜拉桥。美国人吸收了英国人的技术经验,于最近由内布拉斯加-林肯大学的工程研究中心设计一座主跨为150m的FRP斜拉人行桥。其实,该桥是一座为以后建造大跨度FRP斜拉桥的全比例模型桥,它是为了验证FRP桥的抗风性能及耐久性等,是世界上大跨度FRP斜拉桥的希望。3cfrp斜拉索结构与相对等效模量的关系现代斜拉桥的发展,已经历了钢斜拉桥、预应力混凝土斜拉桥、复合型斜拉桥三个阶段,主跨径已超过800m,竞争日益激烈[8～10]。但是,随着桥梁的发展,“跨海通道”与“贯通海峡”等建议的提出,特别是贯通直布罗陀海峡(桥梁跨度要达8400m)的建议,对未来斜拉桥跨度的要求达几千米,而上部结构使用常规材料只能达到3000～4800m,要想达到8400m或更大的跨度,只能用CFRP材料来实现[5,11～12]。由于斜拉索是代表斜拉桥特征的结构要素,故首先要研究其在跨度增大时的动态。如图2所示的在自重集度下的抛物线拉索,其垂度fm与其相应的拉力F的关系为等效弹性模量Ei为若采用CFRP拉索,当斜拉索的水平投影长度l、倾角α、垂度fm与钢索相同时,两者的拉力与应力有如下关系:式中,下标c与s分别表示CFRP与高强钢丝;σ为拉索的应力;γ为容重;w为自重集度;Ee为弹性模量。由式(2)可知,当相同的拉索长度、倾角与垂度时,CFRP斜拉索的拉应力只有钢拉索的20%,即CFRP拉索的有效承载力可提高80%;一般斜拉桥的钢索自重约占上部结构自重的70%,如用CFRP拉索来替代,则可使其承受活载的比例由常规材料的10%～20%提高到60%～65%,这是特大跨度斜拉桥要使用CFRP材料最为重要的一个原因。由式(3)表示的等效弹性模量,其相对等效模量随跨度l变化如图3所示,当跨度与拉索的应力增大时,CFRP拉索的相对等效弹性模量要比钢索的大得多,这也是特大跨度斜拉桥要使用CFRP材料的一个重要原因。当CFRP斜拉索与钢索的倾角、垂度相同时,两者的水平投影有如下关系:由上式与文献可知,CFRP斜拉桥的理论极限跨度为6900～11040m,如按文献计算得到的极限跨度为13400m,这个跨度能满足直布罗陀海峡桥梁的要求。CFRP拉索的实际垂度比钢索小,动力性能,尤其是抗疲劳性能远优于钢索(例如,19根单丝的CFRP索,在2×106次循环荷载下未发生破坏,其疲劳强度约为相同条件下钢索的4倍左右),这也是特大跨度斜拉桥要使用CFRP材料的一个原因。目前,CFRP材料的价格昂贵,CFRP斜拉桥的造价很高,但只从造价来看是说明不了问题的,因为桥梁维护的费用也是很高的,CFRP斜拉桥的维护比其它桥梁简单得多,特别是大跨径的更是如此,1991年CFRP桥与其它桥梁造价持平的跨度为4200m,而不久的将来将达到3900m。4大跨度斜拉桥的前景展望综合以上,可得以下结论:(1)复合材料加固桥梁墩柱与梁板是有效的,值得推广;(2)FRP力筋在国外应用较多,FRP力筋预应力混凝土桥的性能初步显示是良好的;(3)FRP人行斜拉桥的