复合材料在现代桥梁工程中的应用

张 骞，王松伟，马埸浩，张 婕，程小全，田春明

（1. 北京航空航天大学 航空科学与工程学院，北京 100191；2. 合肥工业大学 土木与水利工程学院，合肥230009；3. 湖北华舟重工应急装备股份有限公司，武汉 430000）

复合材料在现代桥梁工程中的应用

张 骞1,2，王松伟1，马埸浩1，张 婕1，程小全1，田春明3

（1. 北京航空航天大学 航空科学与工程学院，北京 100191；2. 合肥工业大学 土木与水利工程学院，合肥230009；3. 湖北华舟重工应急装备股份有限公司，武汉 430000）

对纤维增强复合材料在桥梁工程中的应用进行了综述、分析与总结。指出复合材料在桥梁结构中应用的主要结构连接形式有胶接连接和机械连接，纤维增强复合材料在桥梁结构中的应用主要有两个方面：一方面是采用复合材料加固修理危旧桥梁，另一方面是在桥梁的局部使用复合材料结构以达到减重的效果。同时还列举了大量关于复合材料在桥梁工程应用的实例，旨在为以后桥梁设计者提供参考。

复合材料桥；桥梁工程；桥面；桥梁加固；桥梁修理

0 引言

随着树脂基复合材料的不断进步与发展，其应用范围愈加广泛，已然涵盖航空、航天、机械、船舶等诸多领域[1]。加之，树脂基纤维增强复合材料独有的抗腐蚀性能好、比强度高等优势，复合材料渐渐的被应用到建筑、桥梁等领域。

19世纪末到如今，桥梁工程经历了上百年的发展历程，在此期间水泥、混凝土、钢等人工材料不断发展与应用，推动了近代桥梁科学的技术革命[2～3]。随着桥梁的发展，大跨度、高承重比和使用条件的越发广泛，越来越多的桥梁出现了问题，诸如桥墩、预应力索腐蚀，主梁、桥面裂缝等。1980年代初，日本有学者便针对纤维增强复合材料修理加固桥梁展开了研究，并应用到实例桥梁中。在美国，1990年代，为了应对全国近三分之一危旧桥梁改造的任务，大量的学者针对复合材料桥梁结构以及FRP增强桥梁结构展开了研究[4～5]。

随着科技的发展，桥梁的发展趋势一直都是向着大跨度、高强度、功能性、轻质化、美观化、环境亲和性好等方向发展[3]。传统的水泥、钢、钢筋混凝土等人工材料已经不能满足桥梁发展的需求。然而，纤维增强复合材料凭借其比强度、比模量高，可设计性强，结构整体性能好，抗疲劳、抗腐蚀性能优的特点，备受桥梁设计者的青睐[6～7]。

从1980年代开始，国内外开始尝试将复合材料用于桥梁工程，到如今已有大量的研究与工程实例。综述总结了国内外大量复合材料桥梁应用的研究与实例，旨在为今后复合材料桥梁设计者提供参考。

1 桥梁中的复合材料结构形式与成型工艺

随着各行业对复合材料的需求不断加剧，复合材料成型工艺的演化多种多样。其中，最具代表性的有接触低压成型工艺、拉挤成型工艺、模压成型工艺、缠绕成型工艺、铺放成型工艺、RTM成型工艺等[8]。每种工艺都有其各自的优缺点，也有其相对应的适应范围。由于桥梁结构较为单一及对制造成本和品质稳定性要求严格的特点，复合材料在桥梁工程中最常应用的工艺是接触低压成型工艺和拉挤成型工艺。

图1 加固桥梁典型结构

复合材料与传统桥梁建筑材料混合应用时，往往被充当加固材料，其主要结构形式如图1所示。该结构为典型承弯结构，上部传统桥梁建筑材料承受压缩载荷，下部纤维增强复合材料承受拉伸载荷。

复合材料结构应用于桥梁主体时，常常采用拉挤成型工艺制造，图2为拉挤成型典型结构。拉挤成型工艺下的结构为纤维纵向排列，具有高的拉伸强度和弯曲强度。

复合材料在桥梁工程应用中为了降低制造成本，一般采用先生产较简单的结构件然后再连接到一起的手段。所采用的连接方式为较为常见的胶接连接与机械连接[9～10]。图3-a所示为不同桥面的连接形式，其连接形式为胶接连接[11～12]。该连接形式的优点是：无需开孔，未引入损伤；抗疲劳、密封性和绝缘效果好；为刚性连接，整体性佳。同样也具有相应的缺点：胶接面积大，质量控制难度高，缺少可靠的无损检测方法；难以传递较大的载荷；胶接性能会受湿热等介质环境影响，存在一定的老化问题。图3-b所示为桥面与大梁的连接，其连接形式为机械连接[11,13]。该连接形式的优点是：便于检查，可保证连接可靠性；连接限制少，环境影响不明显。同样与之相对应的缺点是：制孔导致孔边局部应力集中，降低了连接效率；钢紧固件与复合材料连接会产生电偶腐蚀，同样与之配合的金属件也易于疲劳[14]。此外还有一种连接形式为胶螺混合连接。

2 复合材料在桥梁修理和加固中的应用

图2 拉剂成型工艺典型结构

1980年代初，越来越多的桥梁出现了裂纹、腐蚀等损伤现象，这些损伤已然影响到桥梁的正常使用以及耐久性和安全性。为了进行加固与维护，用纤维增强复合材料的片材修复裂纹的方法来代替传统的修复手段，随着技术的不断进步，这种简便的工艺及其优良的效果渐渐得到业内人士的赞同[15]。使用纤维增强复合材料加固或修理桥梁结构，主要通过胶接区域的树脂传递纤维增强复合材料与传统桥梁材料之间的剪力，从而达到加固的作用[16]。其中，吴红林[17]等人针对碳纤维复合材料和玻璃纤维复合材料在混凝土桥梁加固中的应用，从材料性能、基本理论、施工工艺、构造措施等方面做了系统的研究，并结合实例阐述了CFRP布结合环氧树脂对危旧桥梁修补，使结构的强度以及受力状态得到明显的改善。

到目前为止，纤维增强复合材料在桥梁修理加固中的应用主要体现于加固梁体和桥墩[18]，如图4所示。

图3 桥梁工程中常见的连接形式

3 复合材料在桥梁结构中的应用

3.1 防护系统

在桥梁的使用过程中，车/桥和船/桥的碰撞事故会时常发生，并且此类事故对桥体所造成的影响也极为严重[19]。国内外诸多学者针对桥船碰撞及桥梁防护做了大量研究[20～23]。

新孟滆大桥是一所位于江苏省常州市武进经发区的双幅桥，该桥梁以六级通航标准设计，由于通航等级提升，该桥梁通航大吨位船舶存在安全隐患。祝露[19]等人针对该桥研发一种复合材料防撞护舷，并针对防护舷置于端头与侧面两种不同位置时进行了数值模拟研究，结果表明该结构大大削减了船对桥墩的冲击力，并且削减程度都在29%以上。该复合材料结构防护系统在船-桥撞击中可以有效削减撞击力，满足航道改造的要求，为航道改造桥梁设计者提供了参考。

此外，刘伟庆[22]等人基于质点弹簧模型的船－桥动力方程研究了桥-船相对刚度与最大撞击力之间的关系，其结果表明，桥-船相对刚度较小时，最大冲击力随着相对刚度递增；当桥-船相对刚度比达到50时，其最大撞击力为恒值，该结果与欧洲统一规范的取值相近。并基于此结论研制了新型的纤维增强复合材料防撞系统，展开了相关试验研究，该防护系统对撞击力起到明显削减作用，进而对桥、船起到保护作用。同样，刘伟庆[23]等人针对润扬长江公路大桥进行了船撞数值模拟并展开了复合材料防撞系统设计。该研究通过商业有限元软件模拟了3 种载荷工况对北汊桥段撞击，对分析结果进行归纳，并在此基础上进行了桥梁防撞系统的结构设计，分析表明该防护系统对船-桥冲击力起到约34%的削减作用。

大量的研究结果表明，桥梁中应用纤维增强复合材料防撞系统，会对桥梁起到至关重要的保护作用。同时，这也为诸多桥梁防护设计者提供了重要参考。

图4 FRP在桥梁修理加固中的应用

3.2 梁

传统的混凝土梁结构有较强的压缩能力，但是在拉伸方面表现较弱，而纤维增强复合材料具有很高拉伸强度。因此，一些承受弯曲载荷的混凝土结构中，在承受拉伸载荷的一端采用贴补FRP片材的手段来提高混凝土的整体承载能力。为了使这种加强结构得到更广泛的应用，众多学者对FRP片材加固后的混凝土结构进行了力学分析。其中，H.N. Garden[24]等人针对FRP片材加强混凝土结结构，选取长度1 m的梁进行4 点弯曲试验，如图5所示，结果表明随着剪跨比的改变，结构的破坏形式会发生变化。通过加固梁的端部会提高结构的性能，并且在剪跨比越低的情况下效果越明显。Huy Pham[25]等人也针对FRP增强的钢筋混凝土做了类似的研究，结果表明该结构初始分层发生在FRP的端部，最终失效形式是钢筋剪坏，这为后来桥梁设计者提供了一定的试验基础，具有相当的参考价值。

图5 FRP加强混凝土结构4 点弯试验

图6 混合型梁的截面形式

HakanNordin[26]等人针对3 种梁进行了试验研究，图6是3 种梁的截面形式，梁-A是玻璃纤维与碳纤维组合梁，梁-B是混凝土与FRP梁机械连接，梁-C是混凝土与FRP梁胶接连接，其试验加载方式采用与文献[24]类似的加载方式。结果表明：梁-B和C的复合作用比较明显，梁-A最终失效形式为结构失稳，尽管研究者最终采用增加木制肋的方式解决了失稳问题，但最终强度和刚度依旧弱于梁-B和C。该研究也更说明了，加入复合材料的混合型梁是未来梁结构的一个发展方向，从而为桥梁设计者提供一定的设计参考。

3.3 桥面板

复合材料桥面是纤维增强复合材料在桥梁应用中的一个重要体现。纤维增强复合材料桥面的优势可归纳为以下3 点：①传统桥面结构性能弱化与抗力衰减的一个根源是侵蚀，而纤维增强复合材料恰恰具有良好的抗腐蚀性能。②一般桥面性能弱化与抗力衰减的桥梁多处于交通路线中，需要迅速替换弱化的桥面，而纤维增强复合材料桥面具有质量轻、现场安装便捷等优势。③在地震多发区，由于纤维增强复合材料桥面质量轻，地震过程中会减小惯性力的作用，从而降低地震危害[11,15]。

从1980年代末开始，对复合材料桥面结构的研究就没有间断[5,27～30]。纤维增强复合材料在桥面应用最广泛的就是复合材料三明治结构。复合材料三明治结构不仅有着较高的刚度质量比和较高的抗弯抗压能力，而且还具有更高的疲劳强度和抗腐蚀性能。图7所示为复合材料桥面的应用实例，其中大部分用于替换现有的破损桥面，其加工工艺主要为拉挤成型。

图7 全复合材料桥面结构

桁架结构是金属桥梁中常用的一种结构，由于其设计、制作、安装方便等诸多的优点，大量学者[31～32]针对复合材料桥梁桁架结构进行了试验与数值模拟研究。图8所示为复合材料桁架结构的连接形式，其中桁架接头采用铝合金金属，二力杆为拉挤成型的复合材料杆件。这种桁架式结构可以充分的利用到FRP轴向性能佳的优点，但就整体性能而言，复合材料杆件与铝合金结构的连接成为整个结构的薄弱环节。现在有大量科研工作者致力于金属与复合材料的连接效率的研究，并取得的可观的效果。相信在不久的将来，桁架结构会成为复合材料在桥梁工程中应用的一个重要方向。

4 复合材料桥梁应用实例

目前为止，不仅有大量学者对复合材料结构在桥梁中的应用进行了研究，还有大量的国内外复合材料桥梁应用实例供桥梁设计者参考[33～34]。复合材料桥梁主要可以分为4 类，分别是公路桥、人行天桥、观赏桥和应急抢险桥[11]。

4.1 公路桥

随着交通设施的不断完善，各种各样的桥梁搭建在公路上。部分桥梁建筑因长期使用出现破损，不能满足通行要求，需要拆除或替换。图9所示为一座跨距为52 m的复合材料桥梁和该桥的架设过程。该桥的FRP用量较少，主要集中在甲板上。

图8 复合材料桁架结构

图9 英国M9高速公路桥

在人口稠密、车流量较大的地区，传统的桥梁建设工程会严重影响交通，而采用复合材料桥梁，其搭建过程仅仅需要几个小时。其中德国弗里德伯格建立了一座复合材料公路桥，该桥全长27 m，主承力梁材料为钢，桥面由玻璃纤维制成，如图10所示。

4.2 人行天桥

在大型的火车站或者交通路口，为了疏导人流，常常会采取建立天桥的方式。又因为传统的桥梁施工周期长，这样势必会影响交通，而复合材料桥梁由于其自身的优势恰恰弥补了这一缺点。其中莫斯科的一个火车站便建立了一座玻璃纤维复合材料桥梁，该桥长41.4 m，宽3 m，而搭建用时仅仅49 min，如图11所示。

随着复合材料技术的发展，复合材料在桥梁工程上的用料不仅仅体现在梁、桥面和防撞设施上，更有大量的桥梁由全复合材料结构制成。

图10 德国弗里德伯格公路桥

图11 莫斯科复合材料人行桥

全复合材料桥梁有着电气绝缘、可快速安装、耐腐蚀性能强、高强度比、维护费用低等特性。图12所示为一全复合材料（玻璃纤维增强复合材料）人行桥，该桥横跨了马德里－巴塞罗那铁路，人行桥的搭建是将全部的部件运至现场进行组装与安装，节省了大量的时间。

4.3 观赏桥

21世纪的桥梁结构不仅要满足耐久性与安全性的设计要求，必将更加注重建筑艺术造型，重视桥梁美学与景观设计，注重环境保护，达到人文景观同环境景观的完美结合[3]。

正因为复合材料比模量高、比强度大的特点，复合材料桥梁容易满足新型桥梁的承载要求。图13所示是坐落于荷兰代尔夫特市的复合材料人行桥，其优美的外形，清新的外观，无疑为荷兰增加了一道靓丽的风景。

4.4 应急抢险桥

近年来，地震、洪水等自然灾害频发，往往会引起交通不通、桥梁毁坏，以至于救援队伍无法进入灾区。为了有效缩短救援时间，应急救援桥成为救援过程中必备的救援设施。其中，由于复合材料应急救援桥质量轻、安装方便、可重复使用等特点，在抢险救灾中使用日趋广泛。图14为由台湾国家地震工程研究忠心与国家实验研究院共同研制的复合材料移动桥。

图12 德国全复合材料人行桥

图13 荷兰复合材料观赏桥

图14 复合材料应急抢险桥

5 结束语

未来桥梁发展的主要方向是在保证桥梁结构安全性与可靠性的同时，更加的轻质化，更加的美观化。纤维增强复合材料应该能满足桥梁发展的要求，然而到目前为止，复合材料不能在桥梁工程中普及应用，主要存在3 个方面原因。首先，纤维增强复合材料结构的制作加工成本相对较高；其次，如若在桥梁中大量使用复合材料结构，一旦结构报废后，目前还没有有效且成本低的复合材料的回收处理技术；还有，目前缺少针对复合材料桥梁的高效无损检测手段，没有系统的复合材料桥梁安全性的评测方法以及成熟的复合材料桥梁结构的修理规范。

就复合材料发展而言，一直向低成本化方向发展，而且如今国产民品碳纤维增强复合材料的价格已经极为低廉，并逐渐被一些领域所接纳。目前，纤维增强复合材料的回收再利用已经成为越来越热门的话题，国内外学者基于此展开了大量的研究，并取得了显著成果。随着大型整体复合材料结构制造技术的发展，其工艺成本也会不断降低。相信在不久的将来，纤维增强复合材料定会成为桥梁工程中最主要的材料之一。

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Application of FRP materials in modern bridge engineering

ZHANG Qian1,2, WANG Song-wei1, MA Yi-hao1, ZHANG Jie1, CHENG Xiao-quan1, TIAN Chun-ming3
( 1. School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University, Beijing 100191 China; 2. School of Civil engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009 China; 3. China Harzone industry corp., LTD, Wuhan 430000 China )

The works in recent decades on application of FRP materials in modern bridge engineering were summarized. Mechanical joint and adhesively bonded joint were the main joint forms used in composite bridge structure. FRP materials applied in bridge structure mainly in two ways: using FRP materials reinforced and repaired the old bridge, and using the FRP materials in the local structure of bridge to reduce the weight. In the present paper, many application examples of FRP materials in bridge engineering were listed to provide reference for bridge designer.

composite bridge; bridge engineering; deck; bridge reinforcement; bridge repair

TB334; U488.121

A

1007-9815（2016）06-0024-07

定稿日期: 2016-12-23

张骞（1990-），男，河北定州人，博士在读，研究方向为复合材料结构损伤容限分析与设计；通讯作者：程小全（1966-），男，江西崇仁人，博士，教授，主要研究方向为复合材料结构损伤容限分析与设计，(电子信箱)xiaoquan_ cheng@buaa.edu.cn。