frp在国外的应用与发展

frp在国外的应用与发展

加固桥梁用frp材料这座桥是一座连接道路、方便行人和交通的重要建筑。作为桥梁材料,古代主要依靠木材与石材,18世纪后期,开始用钢铁及混凝土。现在,钢材及钢筋混凝土仍然是建桥的主要材料。桥梁对于河流多、山脉多和海岸线长的国家与地区来说,已是非常重要的建筑。可是,钢铁桥和钢筋混凝土桥由于长期遭受雨水和盐害侵蚀,极易生锈损害。尤其在临海地区,受海水腐蚀更为严重。又如,在冬季寒冷地区,桥上积雪阻碍通行,常用盐作融雪剂也会对桥造成腐蚀损害。为此,桥梁设计和建筑工作者们选择FRP用于建桥和修补加固桥梁,经过许多人的努力试制和应用,现在已取得显著效果。FRP的优点是质量轻、强度高、耐腐蚀、非磁性、安装架设方便,对软质地基上也能架设、施工周期短和日常维护也方便;其缺点是成本高。据称,与同样规模的钢铁桥成本相比,FRP步道桥要高出2倍以上。另外,FRP片材用于修补加固桥板、桥柱等例子很多,效果很好。特别是日本,自从阪神·淡路大地震后,许多桥梁被破坏或产生裂纹,采用FRP修补加固,与其他方法相比,省工省时,进度快,已取得引人注目的业绩。中国采用FRP片材修补加固桥板和柱,近年来也取得可喜的成绩。建桥用FRP主要使用拉挤成型FRP型材,如C型材、工字材、管材、棒材等;对于大断面FRP材,设备成型有困难,也可用人工手糊FRP材。其增强纤维主要选用玻璃纤维、碳纤维及芳纶或它们的混杂纤维;基体树脂主要选用不饱和聚酯树脂、乙烯基酯树脂及环氧树脂等。本文以欧美、日本及中国为例,将有关FRP步道桥、FRP公路桥、公路桥用FRP桥地板以及FRP片材修补加固桥板、柱等方面的部分应用实例予以介绍,供读者参考。1frp人行道桥1.1风桥p制构架梁桥在美国圣弗郎西斯科国立公园建立的FRP步道桥,英文名Longspanprestek,是一座具有中心支承21.4m距离的FRP制构架梁吊桥式的步道桥,FRP质量为3t(桥总质量5t)。桥位于浴场附近,常有波浪水花飞溅。该桥主要采用玻璃纤维为增强材料,间苯二酸聚酯树脂为基体树脂,通过拉挤成型为C型槽状FRP型材及中空状FRP型材所建而成。据说,就在这座公园内,类似的FRP步道桥有多座,有的架设于沿海边的断崖外,有的架设于山脉的山顶处。在架设FRP步道桥时,因构件质量轻,可用人工及直升飞机搬运与施工。1.2frp斜拉桥在英国苏格兰Aberfeldy高尔夫球场内的一条河流上架设的FRP步道桥,桥名为AberfeldyFootBridge。该桥主塔高18m,桥长113m(由25m+63m+25m3节组成),桥宽2.2m为狭窄桥,全由FRP建成。据说,这座桥是世界上首次建成的最大FRP斜拉桥。该桥所用的张力绳索,是由芳纶制成。桥的梁、塔结构件,是采用拉挤GFRP型材制成。因斜拉桥为挠性建筑,采用吊挂式可实现相当长的桥体FRP步道桥。因是全FRP步道桥,质量轻,能在软质地基上架设,施工进度快,能满足公园业主关于减少建桥成本的要求。1.3frp-步道桥结构在美国伊利诺斯州Antionch高尔夫球场内架设的FRP步道桥,桥名为AntionchPedestrianBridge。桥长13.5m,桥宽3m,桥总质量5t,为构架式FRP步道桥。桥地板是木制的,可供行人、装运高尔夫棒球小车及高尔夫球场维持管理车辆通行。桥的构架是FRP制的,由E-玻璃纤维为增强纤维材料和聚酯树脂为基体树脂,经拉挤成型制得C型槽FRP型材,再加工成FRP构架。桥上还装有变形计,定期检测、观察桥的耐久变形情况。据说,这座桥专为在一般环境中,监控暴露的FRP结构长期耐久性能之目的而建造的。1.4设置在平台上的大型桥梁和塔的制作和铺设,以提高整体铺设和安装质量在丹麦建设的FRP步道桥是斜拉桥,桥名为KoldingBridge。桥长40m,为使5t重除雪车和救护车通行,采用的设计载荷为5kPa。桥梁和塔的构件是采用玻璃纤维和不饱和聚酯树脂,经拉挤成型的FRP型材制成。桥质量为13t,据称,是同样规模的钢制桥质量的一半。桥体架设的时间花费18h(每d干6h,共3d完成)。该桥不受降雨、潮风、霜等的影响,期待使用寿命约100a。1.5纤维与构件组合在美国建设的桥长18m工字梁式FRP步道桥,构件是由GFRP和CFRP并用为特色制成,可提高主梁刚度,设计载荷为4kPa,能满足L/180(L为支承距离长度)的挠度限制。1.6日本frp难度这是一座位于日本冲绳县伊计平良川线所建设的街心公园跨路用FRP步道桥。该桥将建立在道路两侧的展望塔相连接。桥长约37m(由20m+17m二节构成),桥有效宽度3.5m。这座桥是二跨度连接C型梁桥式的FRP步道桥。这条伊计平良川线称为海中道路,由于周围被海包围,处于腐蚀环境严酷的位置,认为在这样环境下,采用日本首座全FRP制步道桥很合适。桥的主梁采用GFRP手工糊制型材,桥地板等构件采用GFRP拉挤型材制成。桥的安装架设使用移动吊车施工。1.7rp斜拉行人由武汉工业大学新材料研制厂制造的FRP步道桥,产品名为GRP非对称斜拉人行道。桥长27.4m,桥宽4.4m,桥高0.7m,桥质量8～9t,可承质量10t。其特点是外型美观、强度高和吊装方便。这座桥已在重庆交通学院实用。2frp公路桥2.1idge材料在美国维吉尼亚州西部建立的FRP公路桥,桥名为LaurelLickBridge。梁和桥地板都由FRP制成,地板为蜂窝状结构。增强纤维材料是采用三向E-玻璃纤维织物、连续玻璃纤维毡及短切玻璃纤维毡;基体树脂选用聚酯树脂。此外,在FRP公路桥地板(20cm厚)上,还铺装薄层聚合物混凝土。2.2frp桥结构在美国维吉尼亚工科大学附近有一条公路,每天交通量有约1000辆车次通行,其中,学生上学用汽车占95%,其余为上班族用车。以前,这里有一座旧钢制桥,因年久腐蚀损坏,后改用FRP桥。桥长6m,桥宽7.2m,主梁用高度为20cm盒型FRP工字梁制成。FRP型材是采用碳纤维和玻璃纤维为增强纤维材料,采用乙烯基酯树脂为基体树脂,经拉挤成型法制成。因使用碳纤维,故提高了梁断面的刚性。由于碳纤维挠性好,所以用在FRP型材凸缘部位。把这样的桥梁24根并排使用。这座桥地板,选用了木制层压板。2.3拉挤梁梁在美国俄亥俄州郊区架设的FRP公路桥,名叫TECH21。桥长10m,桥宽7.2m。该桥有3根主梁,因梁的断面大,现有拉挤设备无法成型制造,只好选用人工手糊成型。增强纤维材料选用E-玻璃纤维;基体树脂选用不饱和聚酯树脂。梁为U型FRP梁。桥地板是将拉挤成型梯形断面的管子作为芯材,把它挟在FRP板中,采用夹层结构。这座桥通过15人作业。仅用3h就在安装现场一气呵成。2.4frp桥梁风在英国运河上架设的FRP公路桥,桥名为BondsMillLiftBridge。桥长8.2m,桥宽4.3m(为单车线)。FRP桥梁6根,通过拉挤成型制成。这座FRP公路桥是有效利用FRP质量轻,用作可移动桥的一个例子。将具有发泡环氧树脂填充的6根主要槽形盒式梁,采用环氧树脂为粘合剂,沿桥轴向粘接,桥地板也是槽型结构FRP。在这些FRP中,为提高耐候性,在基体树脂聚酯中都含有UV(紫外线)吸收剂,桥地板是挤拉成型FRP制的。3桥地板和芳纶棒普通钢制公路桥、混凝土制公路桥,采用FRP材质作为地板的应用例子也不少,尤其在美国北部一些州,那里冬季严寒,降雪多,常需要在桥地板上撒布盐作为融雪剂,以前用钢制地板或钢筋混凝土地板,容易被盐腐蚀损害,作为一项防腐蚀措施,才选用FRP桥地板。FRP板也分两种,一种全由FRP制成;另一种是外轮廓由FRP制成,而内部填充水泥沙浆或者填充硬质发泡聚氨酯树脂,以后一种用的较多。有一座桥名叫KingsStormwaterChannelBridge,桥地板的断面结构,是将拉挤成型的FRP型材用粘合剂粘接厚度为20cm的蜂窝结构。该地板已在维基尼亚工科大学室内进行疲劳试验,并在各州间实际的高速公路有关桥上铺放,大型载重卡车通过时,采用载荷计测量,进行耐久性考核试验。另外,最近的研究成果,是开发简单断面结构的桥地板以及能节约原材料的桥地板等,都有方案提出。日本也在开发研究公路桥用FRP地板,例如,日本ファィベックス公司开发出一种芳纶棒,它是由芳纶为增强材料,环氧树脂为基体树脂,经拉挤法制成的KFRP棒。棒径从3～22mm多种,具有强度高、模量高、非磁性、非导电性、表面带有凹凸状同混凝土有优良的附着性等特点,可以面向海洋结构物等方面应用。据称,东京湾的连络桥“彩虹桥”,桥地板就是将芳纶棒作为PC(预应力混凝土)空芯地板的补强材料使用。其特征是对盐害有优良的耐久性,还可免去维修保养。4加固桥板、桥柱FRP片材在修补加固桥梁方面的应用实例很多,尤其是近10a来,因地震多,桥板、桥梁、桥柱等产生裂纹不能使用。假如用钢板、钢筋混凝土修补加固,费工费时,施工不方便,而选用FRP片材就很方便。现在,采用碳纤维片材、芳纶片材修补加固桥板、桥梁和桥柱非常盛行,已有专门的片材生产单位、修补加固施工单位及施工方法。这里仅就日本、中国部分例子进行简述。4.1利用frp片材进行地震加固1995年1月17日,在日本Akasi海峡中部发生阪神·淡路大地震,伤亡7000多人,许多建筑物被破坏,约造成10万亿日元的损失,其中建筑物、高架桥等损失高达8万亿日元。为了迅速抢修,在高架桥道路支柱修复工程中,选择了高性能FRP片材作为加固材料,与采用钢板焊接加固法相比,该加固材料质量轻、模量高、柔软自由度大、施工用设备简单,施工容易、不生锈、安全性好、工程费及日常保养费用低。例如,地震后在日本关西地区,被破坏的IR铁路桥结构物和隧道钢筋混凝土构件都使用FRP片材修补加固,经过几年实用证明,FRP安全可靠,获得施工部门及铁路用户好评。目前,FRP片材应用目标,集中用于高架桥公路的支承柱上。特别是大中城市中的高速公路桥支柱加固更为重要,以免地震受损。据说,有关芳纶厂商和大型建设公司还专门组成“芳纶补强研究会”,并委托铁道综合技术研究所,制订出“采用芳纶片材,设计、施工铁道高架桥柱的耐震补强方针”,已于1996年12月完成。还专门召开有关铁道事业人员参加的报告会,进行介绍和实施所制订的方针:关于使用芳纶片材补强,充分利用已有的研究成果,把铁道框架结构的高架桥作为修补加固对象,对必须特别确认的事项,如剪切补强效果、变形性等,需采用实物模型进行载荷试验,把补强耐力评价和韧性率评价等都纳入方针内容。据称,芳纶片材用于耐震补强加固有以下特点:强度高,耐久性优异,被其加固的混凝土结构件耐震性能大幅度提高;轻质、同树脂粘合性好、施工性优良和工期短;耐腐蚀和电绝缘性好,不必担心发生电气事故。日本有不少单位和厂家研制和开发FRP片材,如日本东燃公司的产品名“トゥシト”,1993年已商品化;东丽·杜邦公司的产品名“ケプラ-制シ-ト”,1993年已商品化;日本帝人公司的产品名“テクノ-ラシ-ト”,1996年已商品化。还有些厂家产品就不一一列举。4.2frp片材研究究成绩FRP片材用于修补加固混凝土建筑物及桥板、桥柱等技术,在中国也犹如雨后春笋般蓬勃发展,并取得令人睹目的业绩。从事这项事业起步较早的单位有冶金部建筑研究总院工程结构研究所等院所和高校,在该项技术研究和推广应用中,作出显著成绩。据说,采用FRP片材已修复加固几百个工程项目,仅使用的碳纤维就多达200t/a以上。在FRP片材开发营销方面,杭州索奇先进复合材料有限公司出售的索奇牌碳纤维片材系列产品,如网格热压型、经向编织型、纬向编织型等各种规格品种,供用户选择使用,已取得很好效果。北京特希达科技有限公司与冶金工业部建筑研究总院,已于2001年11月取得“碳纤维片材修复补强混凝土结构工法”国家级工法证书。采用碳纤维片材加固的典型例子,有浙江宁波同三线高速公路立交桥、江苏镇澄运河大桥腹板、沪宁高速公路丹阳运河大桥等,不胜枚举。5f