纤维复合材料在公路桥梁中的应用

■袁 明 ■湖南交通职业技术学院，湖南 长沙 410132

随着我国经济增长，交通运输业也得到了迅速发展，而公路桥梁在交通运输中扮演了重要的角色，是交通运输中的生命线。很多桥梁是按照旧的标准进行设计施工的，为了满足交通运输的需求面很大一部分需要进行加固。在现在桥梁主要为钢筋混凝土结构与钢结构，将纤维复合材料与代替或者部分代替钢材可以建造大跨且自重较轻的结构。

1 纤维复合材料的分类及特性

1．1 纤维复合材料类别

纤维复合材料主要由玻璃纤维复合材料(GFRP)、碳纤维复合材料(CFRP)、芳纶纤维增强复合材料(AFRP)等，在加固时，对于不同的施工环境与受力性能，可以选择不同类型的纤维增强复合材料。

1．2 纤维复合材料的性能

纤维复合材料的优点有:(1)纤维复合材料具有比钢材高出十几倍的抗拉强度，一般为1400～2000MPa，顺纤维方向其抗拉强度远大于普通钢筋，接近高强预应力筋。所以纤维复合材料是一种轻质高强的新型复合材料。(2)纤维复合材料抗疲劳性能优良，据试验表明，金属抗疲劳强度为其拉伸强度的一半左右，而纤维复合材料的抗疲劳强度能达到其拉伸强度的百分之七十到百分之八十。(3)纤维复合材料抗、减震性能好，不易出现早期共振，同时震动阻尼也很大，但是激起震动后，衰减也很快。(4)传统的建筑材料不耐腐蚀，尤其在海岸工程中，较易发生腐蚀德的现象，纤维复合材料具有优良的耐化学腐蚀能力，用它制作的设备或构件具有良好的耐酸、碱等化学介质侵蚀的能力非常强。(5)具有一定的欣赏价值，纤维复合材料是柔软的，树脂也是可以流动的，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。

纤维复合材料也有一定的缺陷:(1)各向异性导致材料的方向性差异很大。(2)材料成本较高，不利于推广。(3)某些成分的复合材料防火性能不好，要注意防范。

2 纤维复合材料在公路桥梁中的应用

2．1 在桥梁建造中的应用

在建筑行业，混凝土是一种不可或缺的材料，一般多以钢筋配合使用，但由于钢筋本身易受酸碱作用容易腐蚀，而影响结构的安全性与耐久性，甚至对混凝土造成破坏，因此有必要寻求新的产品。纤维和复合材料与混凝土结合，代替或者部分代替钢筋，将会使这一情况得到大大缓解。在桥梁工程中，由于桥梁的安全性、适用性、耐久性、施工要求和检查维护要求方面的需求等等，桥梁结构具有如下特点:荷载比较复杂，工作环境差，使用期限长，制约条件，工程量较大。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。

大跨度结构的桥梁是社会发展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，自重的影响也会增大，自重增大又要求增大截面，截面变大又会增加自重，陷入恶性循环。传统的结构形式和材料缺陷将难以适应大跨度的需要。FRP因其高强、轻质、耐腐蚀的优点，对于建造大跨度的桥梁来说被认为是比较理想材料。虽然目前还仅处于研究开发的阶段，但超大跨度桥梁将是FRP桥梁的重要发展方向。

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:(1)复合材料桥梁还需要通过工程化与生产化的合作，进行更加深入的研究与开发。(2)针对桥梁结构的复合材料施工工艺及其施工质量的控制仍需进一完善。(3)复合材料长期的徐变变化和在较高温环境下的长时间工作性能还有待进一步的探索。

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，相关的施工技术未普及。(3)另外，相关的规范条文不明确。

2．2 在桥梁加固中的应用

在桥梁加固工程中，其工作原理与钢混结构的工作原理基本相同，只是将结构内部的钢筋转变为结构外部的纤维复合材料。这种材料的加固原理是利用专用黏结胶，将纤维复合材料材料粘贴在待加固的桥梁结构外表面，使纤维材料、树脂胶与结构有机地结合起来，形成整体的结构体系来共同承受荷载。纤维复合材料的高强度抗拉性能能够有效提升被加固结构的承载力及抗、减震能力。经过试验研究证明，纤维复合材料的桥梁加固作用，可以使被加固结构的抗弯承载力提高百分之六十以上，使被加固结构的抗剪承载力也得到同样的提升。

在对桥梁进行加固维修时，我们常常采用碳纤维复合材料即CFRP。对桥梁的加固和维修不外乎有两种方法，一类是针对钢筋混凝土结构的维护，二类是针对对桥梁支撑结构或桥梁上部路面进行的维护。原有的外贴钢结构板的方法维护钢筋混凝土结构常有钢板与结构分离、受潮变锈等问题，而且会对跨度比较大的桥梁结构增加自身的重量，而CFRP板粘贴可以很好的解决这一问题，而且施工过程不复杂，后期维护的效果也很好。CFRP板能够与混凝土受拉、受压板结合在一起，从而大大增强了强度与刚度，也能够与梁的腹板、翼缘相结合以提高其抗剪强度与抗扭强度。使用CFRP板与钢筋混凝土结合能够令其强度提高25%～80%。

2．3 纤维复合材料在公路建设中的应用

在公路工程中，往往由于路基沉陷、超载等问题破坏路面，使得路面断裂、塌陷，建造过程中可以将复合纤维材料铺设在骨料中，与骨料成为一体，整体抗裂性能将会等等提高。对于已建工程的路面开裂问题，如果是表层拉裂，可以再表层粘贴纤维复合材料，再上沥青覆盖。

3 结束语

从工程的角度来看，纤维复合材料是一种能带来结构形式革新的新材料，在建筑中占有极其重要的地位，纤维复合材料作为一类新兴的先进材料，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，不仅可用于建筑结构或是桥梁结构的承载力加固，也可用于抗震加固，也可用于人防工程的结构加固。桥梁技术的发展进步是和新型建筑材料的出现及发展息息相关的，复合材料所具有的优良特性，将会大大提高公路桥梁工程的发展。在不久的将来，纤维复合材料必将会在各个工程领域得到大力推广应用，用在公路桥梁上的纤维复合材料也会有新的突破。但是由于纤维复合材料应用时间较短，以及它与结构构件之间结合面的复杂性，使研究工作面临许多困难。

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