桥梁工程中FRP复合材料的发展与应用

蒋以华

（南宁市建筑规划设计集团有限公司,广西南宁530012）

目前,在桥梁工程领域,钢筋混凝土或预应力混凝土是当前桥体的基本结构形式,其中因钢筋锈蚀而引起的结构退化或功能缺陷等问题是影响桥梁服役年限的重要因素。针对该问题,FRP材料（纤维增强复合材料）在桥梁工程中得到了成功应用并成为解决钢筋锈蚀问题的一种有效措施[1-2]。自20世纪40年代问世以来,FRP材料便在各个领域得到了迅速发展,如航空、医疗、车辆以及造船等行业。而在土木与建筑工程领域,凭借其轻质、高强以及耐久性优异等特性,FRP材料也于七八十年代开始得到初步应用,且深受业内人员的青睐,主要包括碳纤维(CF)、玻璃纤维(GF)及芳纶纤维(AF)复合材料等。当前,FRP材料的自身加工工艺日趋成熟,而国内公路、铁路等建设项目规模仍持续增长,因此FRP材料在工程建设领域的应用潜力巨大,研究FRP材料在桥梁工程中的应用现状具有重要现实意义。

1 FRP复合材料及其特点

1.1 FRP的组成

FRP是传统纤维和树脂融合的产物,两者共同决定了FRP材料的各项性能。其中,纤维具有加强功能,能有效分担受力,如碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等。树脂主要用于包裹纤维使之形成整体,起到传力以及黏结的功能,并保护纤维不受机械损伤与化学侵蚀。另外,树脂中可适当加入一定的添加剂,以改善性能。

1.2 FRP的性能特点

（1）物理性质。FRP材料的密度较低,仅为常规钢筋的1/5左右,其热膨胀系数呈现各向异性,横纵向的性能区别取决于纤维和树脂的种类及比例。

（2）力学性能。纤维与树脂类别及掺加量的不同造成了FRP材料的力学性能差异。FRP材料仅由单一纤维构成时,其沿顺纤维方向的抗拉强度更大,且呈现线弹性变化趋势,且其抗压能力普遍不如抗拉性能,如碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维的抗压强度,分别仅为各自抗拉强度的约4/5、1/2、1/5[3]。

（3）持时特性。在长期的受力条件下,FRP材料经受较长时间作用后将引起破坏,即发生徐变断裂,其中玻璃纤维对此最为敏感。当FRP材料受力中长度维持固定时,其应力将不断变小,即发生应力松弛,其中芳纶纤维的松弛率最大。另外,FRP材料中的纤维能进行内力再分配,更好地承担拉应力,故抗疲劳性能较强,其中碳纤维与芳纶纤维的抗疲劳性能均已超过高强钢丝,但高温高湿环境将不利于FRP材料性能的发挥[4]。

（4）耐久性能。一般而言,作为非金属材料,FRP材料适用于酸碱等各种复杂环境条件,较传统钢筋的耐腐蚀能力更强,可视情况用于钢筋替换作业。但不同的腐蚀环境也会一定幅度影响不同FRP材料的性能,如相比碳纤维与芳纶纤维,玻璃纤维的耐酸碱性能相对较弱,而芳纶纤维对紫外线或潮湿条件更敏感等。

2 FRP复合材料的应用形式

（1）FRP片材。FRP片材一般指复合布或复合板。复合布大多为单向纤维组成,应用时可直接以树脂浸润后进行粘贴。复合板一般先由工厂进行树脂浸润以及固化定型等工序,施工时再粘贴树脂。

（2）FRP棒材。 FRP棒材一般指复合索和复合筋。复合索包括绞线型与发辫型,由长纤维单向编织成索状,经由树脂浸润形成整体。复合筋是将纤维丝浸润后经拉挤工序制得,纤维掺量越大,拉挤工序越难开展,但所得复合筋的强度将越大。实践中,复合筋中的纤维掺量一般为63%左右。

（3）FRP型材。 FRP型材分为格栅、管状、蜂窝等。FRP格栅中纤维垂直交织,经由树脂浸润形成整体。FRP管是先将纤维丝浸润树脂,再遵循相应的方式缠裹至衬胆外面,静置固化成型。FRP蜂窝板包括上下两侧复合板与中间的夹心材料,其构造上充分借助复合板的强度优势,具备优异的力学性能。

3 FRP复合材料在桥梁工程中的应用

3.1 FRP片材的应用

FRP片材在混凝土结构加固中应用广泛[5],其中碳纤维复合片材的抗拉强度较高,常见于桥梁结构加固领域。相比以往的常规加固方法,FRP片材加固施工较为便捷,加固效果显著,能有效增强构件的承载能力,且不增加额外的自重与截面面积,同时能适应不同的加固环境。在实际应用中,FRP片材在加固时可针对受弯、 受剪及抗震等不同工况。

3.1.1 受弯加固

在构件受弯工况下,利用FRP片材进行加固,能借助FRP材料的抗拉能力增强承载力,复合布或复合板均可采用,施工时片材宜与构件轴向相同。采用FRP片材开展加固时,其设计机制仍为极限法,即极限工况下的应力按照线弹性关系而定,而应变则取构件在极限工况时的相应数值。结构所受载荷应在纤维片材加固前除去,如无法完全卸载,则应考虑二次受力效应。另外,为充分利用FRP片材的高强性能,可对片材施加一定的预应力后再实施结构加固,从而更有效地降低构件变形挠度,进一步缓解裂缝的发生与发展。

3.1.2 受剪加固

梁体构件受剪时易产生裂缝,而将FRP片材布设于梁的侧面,可有效提升构件承载力,并使构件刚度得到强化。应用中FRP片材应垂直于构件轴向进行布设,具体可采取封闭式、U形或侧面式等粘贴方案。将FRP片材用于构件抗剪加固时,其实施效果取决于加固方式、锚固方案、片材用量以及纤维取向等,构件加固后最终的破坏形式包括斜拉、弯曲、剥离或片材拉断等,实践中大多为几种破坏模式的组合。

3.1.3 抗震加固

FRP片材用于抗震主要是对柱进行环向加固,恢复受损位置的承载力,提升抗震强度,片材应当对柱的箍筋加密区进行连续粘贴。借助复合布约束混凝土的环向变位属于一种被动式加固,即当混凝土轴向压力增大,横向膨胀力将使得外包FRP材料发生一定程度的外伸,使之产生径向的收缩力,其环向约束效果受柱结构膨胀特点以及外包复合布的环向刚度影响。在FRP复合布约束柱构件过程中,其受力过程主要如下：初始阶段,混凝土发生线弹性变形,外包复合布变形较少,应力约束值低；当柱变形趋于显著时,外包复合布的环向应变变大,继而产生较大的环向约束力,达到提升柱构件强度、增加延性变形的目的。

3.2 FRP棒材的应用

3.2.1 RC结构增强筋

由于FRP材料的抗腐蚀性能优于普通钢筋,因此在某些环境恶劣的条件下,可考虑采用FRP复合筋替代传统的钢筋,从而保证RC（钢筋混凝土）结构的耐久性,如在钢筋混凝土梁或桥面板中,将FRP筋作为主要受力筋进行配置,可提升服役年限。但FRP筋弹性模量较小,且其与混凝土之间的粘结性不同于传统钢筋,因此FRP筋混凝土结构的承载性能较之普通RC结构存在差异。相关研究表明[6],FRP筋混凝土的裂缝发生规律、应力传递模式以及极限承载力等均与传统RC结构不同。具体而言,FRP筋混凝土梁可能发生两种脆性破坏模式,分别为混凝土受压破坏以及FRP筋拉断破坏,其中混凝土受压破坏的延性优于后者。在极限承载力计算方面,FRP筋混凝土梁与传统RC梁差别不大,但其主要影响因素为裂缝宽度与挠度,因此应当将更多的FRP筋布设于受拉部位。

3.2.2 PC结构预应力筋

FRP筋具备高强的性能,将其施加一定的预应力不但能充分发挥其力学特性,而且可实现FRP筋混凝土梁抗裂能力的提升。目前,FRP预应力筋在实践中可用于PC（预应力混凝土）构件体内或体外。

FRP筋的抗压与抗剪性能稍差,因此施加预应力时,其锚固性能将成为关键一环。当下锚具形式较为多样化,基于受力原理主要分为机械夹持型与黏结型,并形成相应的锚固体系,但总体而言,FRP筋预应力锚固工艺还处于初级阶段,远不如传统预应力钢筋锚固工艺的成熟度。

FRP筋弹性模量较低,其发生破坏时没有显著的塑性变化特点,故在受力特性上,FRP筋预应力混凝土结构与传统PC结构具有较大的不同。当FRP筋用于构件体内时,结构梁的受力特性存在三种可能的过程：最大应力大于混凝土抗压强度,混凝土受压破坏；最大应力小于等于混凝土抗压强度,FRP筋受拉断裂,此时混凝土处于塑性变形,结构梁的受弯承载能力应根据等效应力块进行分析；最大应力远小于混凝土抗压强度,此时梁的配筋率低,破坏时混凝土应力处于线性发展阶段,此时结构梁的受弯承载能力应根据工作应力分析[7]。

FRP筋的抗腐蚀性能突出,因此作为体外预应力筋或无粘结预应力筋时,FRP预应力结构的应用潜力巨大。相关研究指出,在受力特性方面,无粘结FRP预应力混凝土梁与预应力钢筋混凝土梁,以及体外预应力FRP筋混凝土梁与体外预应力钢筋混凝土梁,均呈现类同的发展特点,故计算方式也类同,其最为重要的是需要对无粘结预应力筋或者体外预应力筋的极限应力进行明确。

FRP筋在发生破坏时没有显著的塑性变化特点,延性较差,不利于结构的安全应用。基于此,实践中较多专家提出了改进措施,例如使用混杂FRP筋（此类混杂筋屈服点明确、极限应变取值较大）、局部结构中应用FRP预应力或者体内外预应力筋结合等方法。

3.2.3 缆索承重桥的受力构件

对于悬索桥、斜拉桥、系杆拱桥等缆索承重桥而言,其中的主要竖向受力构件大多设置于结构外部,且所处环境恶劣,并持久承受高应力,对传统钢筋提出较大的挑战。而FRP筋具备显著的耐久性与抗疲劳性,且比强度是传统高强钢丝的5倍,因此替代传统钢筋作为主缆、斜拉索或吊杆等部件,将有效规避上述缺陷,并提升桥体跨越及承载能力[8]。例如,悬索桥传统钢主缆跨越极限约为5km,而应用碳纤维复合材料主缆将能使跨径增至10km；斜拉桥的极限跨径目前水平向投影约为1.2km,而应用碳纤维复合材料斜拉索将能使跨径增至3.8km；同样,受锈蚀与疲劳等影响,系杆拱桥中的吊杆服役年限一般设计为20年,而碳纤维复合材料吊杆凭借优异的耐腐蚀性能,可极大提升系杆拱桥的使用寿命。

3.3 FRP型材的应用

3.3.1 FRP格栅

在室外较为恶劣的环境工况中,桥面板时常发生结冰现象,影响通行安全。为化解桥面冰块,目前大多应用化冰盐,但这易引起桥面板中的钢筋网片发生锈蚀,故将由树脂浸润形成整体的FRP格栅进行替代,可避免锈蚀发生,延长不利环境下桥面板的使用寿命。

3.3.2 FRP蜂窝板

桥面板中的钢筋锈蚀较为普遍,除采用FRP格栅替代外,也可直接运用FRP桥面板[9]。FRP桥面板的应用形式主要为蜂窝板,其特点有：具有优异的抗腐蚀和耐久性,在海洋、盐碱侵蚀等恶劣的环境中能保证使用功能,维修养护成本低；自重较轻,能减少对桥梁墩柱的荷载作用,利于保证安全；属于弹性材质,抗疲劳性能强,在桥面通行车辆超载的情况下也不致于发生脆性破坏,且能在变形后恢复初始状况,不会造成后续使用的困扰。

3.3.3 FRP管

将混凝土灌注于FRP管中,即可形成FRP管混凝土组合结构[10],该种结构耐久性优异,且其中的FRP管可直接作为模板使用,在不便于支模的结构施工中应用广泛。FRP管混凝土组合结构比传统钢管混凝土的隔声隔热性能更佳,既拥有FRP材料的特殊性能,同时也兼备混凝土材料的抗压能力与低成本优势。FRP管混凝土组合结构在经过科学设计与合理组合后,拥有十分优异的力学特性,目前很多发达国家均对其受力性能、纤维类别、构造形式以及缠绕方向等进行了深入研究,如为增强FRP管的局部稳定能力,可在管内设置一定间距的FRP肋等。

4 结语

FRP材料的轻质高强、抗腐蚀、耐久性优良等特性能满足桥梁工程建设的大多数要求,在桥梁建设领域中的应用潜力巨大。但FRP材料的弹性模量较低,抗剪能力和延性均比传统钢筋更差,因此在桥梁工程的实际应用中仍有较多缺陷需要克服。另外,相关研究者虽然对FRP材料进行了大量研究与实践应用尝试,取得了较多的发展成果,但在FRP材料的生产成本、生产标准以及应用规范等方面仍需进一步完善,这是未来FRP材料在桥梁工程应用中需要突破的重点方向。