作者：劉玉擎 陳艾榮
前言
纖維增強復合材料(FRP)的生產技術迅速發(fā)展,材料種類、制品形式不斷更新,使得它在橋梁結構中的應用也更加廣泛。FRP材料除了用于舊橋結構的補修加固外,可以直接作為新建橋梁承重構件使用,顯示出其較好的應用前景[1~2]。
許多國家都嘗試著開發(fā)研究整座橋、或者上部結構全部用FRP材料的橋梁,但是FRP材料造價較高,在現(xiàn)階段要大規(guī)模的采用還有極大的困難。FRP材料輕質高強、又具有良好的耐腐蝕性,將它與鋼材、或與混凝土、或與兩者共同形成組合構件,合理加以使用更具有可行性。為此,本文主要從組合結構的角度[3],依據(jù)日本土木學會結構工程委員會的調查研究報告[4],對FRP材料與鋼材、混凝土組合構件在橋梁結構中的應用研究成果以及連接技術加以歸納。
1 FRP材料的連接
FRP材料組合結構是用螺栓、鉚釘、粘著劑等把FRP制品與鋼材、混凝土接合而成,其接合部的設計要充分考慮FRP材料特有的性質,即應力集中嚴重、各向異性、剛度較小等特點進行合理設計。
1.1粘著連接
粘著連接是指用環(huán)氧樹脂、聚氨酯類等粘著劑接合的連接方法,這是一個完全受到粘著劑的力學特性影響的連接方式。粘著連接具有應力傳遞順暢、截面欠損少、桿件數(shù)少等優(yōu)點,但具有連接施工的質量難以保證、重復組裝困難等缺點。
粘著連接可以分成對接、搭接、嵌接3種形式,如圖1所示。對接連接的接著面積較小,抗拉彎性能較差,為此有時會使用墊板加強。搭接連接是靠連接層粘合劑的抗剪發(fā)揮作用的,有時為了改善端部的應力集中而采取一些措施。嵌接連接是比較合理的連接方式,但是加工精度要求較高。
1.2栓鉚連接
栓鉚連接是指用螺栓、鉚釘?shù)冗M行的連接方法,與粘著連接相比,其構件容易組裝和拆卸、耐高溫、連接強度離散度小、抗拉拔能力大,但是穿孔附近的應力集中、有效承載面積減少等問題也不容忽視。如圖2所示,栓鉚連接主要有拉伸形式和剪切形式兩種,拉伸連接并不常用,而剪切連接用的比較多,主要有搭接和對接兩種形式。
1.3套管連接
套管連接是指用兩種以上的構件、相互插入或咬合的連接方法,主要有內插、外套兩種方式,如圖3所示。依據(jù)構件所處的位置,又有L形連接、T形連接、十字形連接。無論內插還是外套,有時候構件間還需要使用銷釘或粘著劑等進一步強化連接性能。這些連接形式大都處于開發(fā)研究中,特別需要對徐變的影響、疲勞問題等事項作進一步探討。
1.4膨脹連接
膨脹連接是指使用以CaO為主要成分的水泥基材料填充到管材構件內,膨脹被約束后而產生內壓使FRP構件間或與鋼構件等接合的連接方法,主要用于FRP棒材的錨固以及FRP管材的接合。
圖4所示是錨固構造的示例,通過填充膨脹劑使FRP棒材與錨具套管連接。膨脹劑硬化之后與FRP棒材、套管之間產生很大的壓力,當給棒材施加預應力時會產生摩擦力,因而是摩擦連接的一種形式。該錨固形式具有局部應力較小、錨固效率高、抗疲勞、長期荷載下的性能良好等技術特點。
圖5所示是FRP管材與混凝土橋面板連接的示例,通過填充膨脹材料使FRP管材與鋼套管連接,再在鋼套管外側配置焊釘與混凝土橋面板接合,形成FRP管材與混凝土的組合結構。
2 FRP材料與混凝土組合結構
2.1FRP管材與填充混凝土組合
FRP管材與鋼管比較類似,具有很大的環(huán)向約束力,同時自重又輕,因此填充混凝土的FRP管材有較好的應用性。在加利福尼亞州建成的兩座橋梁采用的就是FRP管混凝土梁。
金斯雨水水道(Kings Stormwater Channel)橋是一座兩跨的連續(xù)梁橋,用填充輕骨料混凝土的碳纖維管材作為主梁,與FRP橋面板接合形成組合結構。纖維管內徑為340 mm、壁厚為10 mm。并且主梁與混凝土橋臺固結形成剛構體系,中間橋墩外包碳纖維材料。
?、?5/吉爾曼(Ⅰ-5/Gilman)橋是一座橋長137m、橋寬18.3 m的雙索面斜拉橋。主梁為內徑914mm、壁厚10 mm的碳纖維管材,填充輕骨料混凝土,間距為13.7 m;橫梁為玻璃纖維與碳纖維的復合管材,間距4.9 m。主塔高58 m,采用直徑1.52m、壁厚13 mm的碳纖維管材,內填混凝土。
2.2FRP管材與混凝土頂?shù)装褰M合箱梁
預應力混凝土箱梁橋的自重較大,把混凝土腹板用FRP管材代替,能夠達到減輕結構自重、降低維護費用的目的。如圖6所示是用圓形FRP管材作為腹桿的組合箱梁的橫截面,腹桿與鋼套管用膨脹劑接合,套管表面配置焊釘與混凝土頂?shù)装褰雍闲纬山M合結構。
2.3FRP板材與混凝土頂?shù)装褰M合箱梁
把混凝土腹板用FRP板材代替,同樣能夠使混凝土箱梁減輕重量、減少維護費用。箱梁腹板主要承擔剪力,為此FRP板材要采用正交配置纖維的復合板來提高抗剪能力。該組合箱梁與混凝土箱梁的最大不同是FRP腹板與混凝土頂?shù)装宓倪B接,圖7的接合方式是通過利用圓孔中的混凝土承擔剪力,與開孔鋼板連接件[3]的受力機理是一致的,已依據(jù)試驗研究得到了驗證。
3 FRP材料與鋼材組合結構
FRP材料可以用于鋼構件的加固以及與鋼構件形成新型的組合結構體系。鋼構件在強度不足時可以考慮用FRP材料進行加固,譬如鋼梁受壓區(qū)的加勁鋼板,就可以采取對底板、加勁肋以及對兩者同73FRP材料組合結構橋梁的新技術時進行粘貼FRP板材的加固措施;鋼梁受拉翼緣通過粘貼FRP板材就可以提高抗彎承載能力。
圖8所示是采用FRP型材加固的事例之一,通過在鋼主梁與鋼橫梁間設置縱橫GFRP梁形成組合結構體系進行加固鋼筋混凝土橋面板。GFRP梁是拉拔成型的H形型材,通過粘著劑、螺栓與鋼梁接合。GFRP縱梁翼緣上面鋪設1層厚約10 mm的環(huán)氧樹脂砂漿與混凝土橋面板接合。由于FRP型材自重輕,容易施工,該加固方法適合于使用在橋下空間狹小的橋面板加固。
4 FRP材料與鋼材以及混凝土組合結構
FRP材料可以同時與鋼材以及混凝土組合形成新型結構體系。日本為了減輕高價的FRP材料用量、大幅度提高承載性能,進行了FRP材料的板材或型材與混凝土的組合橋面板開發(fā)研究。圖9所示是FRP板與混凝土板組合的橋面板構造示意。FRP底板是具有肋板的型材,沿橫橋向鋪設在鋼梁上。FRP肋板的孔中可貫通下層分布鋼筋、頂面可配置上層分布鋼筋。主鋼筋沿橫橋向配置,主鋼梁翼緣板上配置焊釘連接件,澆注混凝土后形成組合梁,是FRP材料與鋼材以及混凝土的三者組合結構。FRP底板作為模板使用的同時又起到承載的作用,使承載能力大幅度提高。
日本已有多座橋梁采用該型FRP材料組合橋面板,圖10所示是最近建成的東海北陸汽車專用線上的北谷橋的橫截面及其FRP底板構造[5]。該橋為單跨簡支組合梁橋,跨徑61.9 m,橋寬10 m。
主梁采用窄幅鋼箱梁,受壓上翼緣僅設置1道縱向加勁肋,無橫向加勁肋。橋面底板為寬650 mm的帶T形肋的FRP板材,共計26塊,沿橫橋向設置。T形肋的高度為180 mm,間距為300 mm。
依據(jù)該型橋梁的比較分析結果,采用FRP材料組合橋面板的長處大致有以下幾點:①FRP材料與混凝土組合,裂縫容易控制,耐久性提高;②無需大型起重設備,容易工地施工;③耐水耐腐蝕,容易維護管理;④FRP模板可在工廠制作,縮短在工地的施工工期;⑤無需木制模板及專業(yè)模板工;⑥容易取得與周邊環(huán)境的協(xié)調。
5 結語
FRP材料在土木工程領域中的研究與應用開始于20世紀60年代的美國,特別是最近二十幾年來在經濟發(fā)達國家趨于活躍,而我國主要集中在對FRP材料補修加固技術進行研究并應用于工程實踐。依據(jù)FRP材料的特點,整座橋梁結構或者上部結構全部使用FRP材料的橋型不斷被加以開發(fā),但是一般認為將FRP材料與鋼材、或混凝土、或兩者共同進行合理組合,即FRP材料組合結構橋梁更具有發(fā)展前景。
參考文獻：
[1]陳開利. CFRP材料在橋梁加固工程中的應用[J].橋梁建設,2001, (1): 44-46.
[2]陳明憲,方志.纖維增強復合材料在土木工程中的應用研究[A].第十六屆全國橋梁學術會議論文集[C].北京:人民交通出版社, 2004. 670-678.
[3]劉玉擎.組合結構橋梁[M].北京:人民交通出版社,2005.
[4]土木學會構造工學委員會.FRP橋梁-技術とその展望[M].東京:丸善(株), 2004.
[5]若山誠,小幡喜芳:北谷橋工事の設計·施工[J].佐藤鉄工技報,2002, (15): 7-12.
作者簡介：
1 劉玉擎/副教授 畢業(yè)于日本九州大學土木工程專業(yè) 工學博士
2 陳艾榮/同濟大學橋梁工程系 教授
