FRP复合材料在桥梁中的应用

林 茂

(天津城建设计院有限公司，天津 300122)



FRP复合材料在桥梁中的应用

林 茂

(天津城建设计院有限公司，天津 300122)

介绍了FRP复合材料在桥梁加固、修复及改造中的发展应用历程，并从FRP预应力筋、FRP索、FRP组合结构等角度，阐述了FRP复合材料在新建桥梁中的应用现状，探讨了该材料的防火与耐久性问题，指出FRP复合材料具有轻质、高强、耐腐蚀等优点。

FRP复合材料，桥梁，FRP组合结构，耐久性

1 概述

FRP纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Plastic，简称“FRP”)应用于桥梁工程中具有众多优势，如：自重轻，恒载小，相对承载力高；可设计性强，适合于工厂预制；抗腐蚀能力强；耐超载；易安装，施工快捷，运输方便；GFRP具有透波、无磁、绝缘等功能特性，CFRP则有无磁、低电阻等功能特性等。

近年来，FRP 加工成型技术快速发展，拉挤、缠绕、RTM(树脂传递模塑)、真空导入等工业化成型工艺可制造尺寸较大的、具有稳定性能的标准化FRP 构件，为FRP桥梁大量应用提供了基础条件。

FRP复合材料最早应用于桥梁加固、改造工程，随着对材料研究的深入以及材料价格的降低，已开始应用于新建桥梁的主要受力部位。

2 FRP在桥梁加固、修复和改造中的应用

20世纪80年代中期，瑞士和德国开始采用CFRP加固桥墩和梁体，美国北岭地震、日本阪神地震以后，人们开始认识到采用FRP材料加固受损桥梁结构的优越性，由此，该项技术得到大规模推广应用，随后，美日欧等国先后颁布了FRP加固混凝土结构设计规范。

位于美国缅因州布斯湾的Knickerbocker大桥(如图1所示)全长165 m，于2010年进行改造，加固工程规模庞大，其中，横梁外壳由FRP材料构成，内部填充混凝土，外壳的重量仅为钢的1/3、混凝土的1/10，便于运输及快速架设，且寿命更长，价格却与混凝土横梁基本相同。

3 FRP在新建桥梁中的应用

目前，FRP材料已成功应用于新建桥梁的主要受力部位，包括FRP预应力筋、FRP索以及FRP桥板、FRP组合梁等。

3.1 FRP预应力筋和FRP索

将多股连续纤维以环氧树脂作为基底材料进行胶合即得到FRP预应力筋，经过特制的模具挤压、拉拔成型后，其强度约为普通钢筋的6倍，重量为普通钢筋的1/5，且具有高强、轻质、耐腐蚀性强、低松弛、抗疲劳、非磁性等诸多优点，可避免预应力筋锈蚀对结构带来的损伤，降低结构的全寿命成本，同时还可应用于无磁环境要求的特殊工程。日本是第一个在混凝土桥中应用CFRP和AFRP预应力筋的国家。

将连续的长纤维单向编织成绳索状，再用树脂浸润固化即得到FRP索，随着大跨桥梁技术的进步，FRP缆索开始被研究人员所重视。目前工程中多采用CFRP替代传统的钢材用作斜拉桥拉索。1996年，瑞士Stork公路斜拉桥首次将CFRP材料的斜拉索应用于实际工程。

3.2 FRP拉挤型材结构

FRP拉挤型材成型种类丰富，单向受力性能优异，FRP构件之间可通过螺栓连接或者粘结、榫接。1992年，苏格兰建成第一座全FRP材料的人行斜拉桥——Aberfeldy桥(如图2所示)，桥梁主跨63 m，宽2.2 m，主塔、主梁、桥面板、栏杆均采用GFRP拉挤型材，AFRP斜拉索外裹聚乙烯保护，较传统混凝土斜拉桥、钢斜拉桥费用大大降低，且至少20年免维修，这座桥的成功应用大大推动了FRP大跨桥梁的研究。随后，美国、日本、俄罗斯、西班牙等十余个国家相继开始建设全FRP桥梁。俄罗斯的阿普泰克公司自2004年至今已经建设了十五座全FRP桥梁。而瑞士Pontresina的一座全FRP桁架桥修建于1997年，目前已经正常使用了近20年。

随着拉挤工艺的进步与发展，批量化快速生产质量稳定的大截面高性能结构型材成为可能，我国于2002年在重庆市修建了一座全FRP材料的桁架桥梁——茅以升公益桥，桥长20 m，宽2 m。

3.3 FRP组合结构

为充分发挥FRP材料轻质、高强、耐腐蚀的优点，进一步提高材料利用率，将FRP材料和其他传统结构材料如混凝土、钢材等，通过一定的方式组合起来形成FRP组合结构。目前，桥梁工程中常见的FRP组合结构主要有FRP与混凝土组合结构、FRP与钢材组合结构。现在研究与应用领域出现的FRP与混凝土组合结构主要有FRP约束混凝土、FRP—混凝土组合梁、FRP桥面板等几种形式。我国于2010年建成的大广高速6号桥，桥跨布置为(20+4×25+20)m，全宽8 m，是FRP组合结构首次应用于公路桥梁的主梁部位。

4 FRP附属及装饰结构

FRP复合材料应用于桥梁附属结构如栏杆、人行道板时可大大降低结构重量，减少工程造价，尤其在悬索桥这一类缆索承重桥梁中具有较强的竞争力，图3为FRP材料的人行道板应用于斜拉桥上。

FRP材料比较容易做成各种造型，同时耐久性也比较好，常被用于桥梁装饰结构，如北京某桥梁结构的外部装饰(如图4所示)。

5 FRP材料防火问题

FRP材料的防火问题一直是桥梁设计师关心的问题，树脂材料本身不可燃，但高温会影响树脂的力学性能，可通过树脂改性提高其耐高温性能。试验研究表明，FRP试件在60 ℃～90 ℃环境下仍具有较高的承载力。一般情况下，路面防火通过在FRP桥面板上面铺装混凝土表面层进行防护，FRP构件表面涂覆防火涂层。桥下火灾通过设置防火隔离层进行防护。同时，在施工过程中需避免明火。

6 FRP材料耐久性问题

FRP材料的耐久性问题包括徐变、紫外线老化、耐盐、耐冻、耐酸碱等等方面，而在以上所述的耐久性问题当中徐变最为重要。

清华大学教授曾对以上FRP材料耐久性问题进行试验研究，为期三年的FRP桥板徐变试验结果表明，FRP桥梁在长期荷载作用下徐变较显著，需通过设置预拱度等方式消除徐变挠度。紫外老化对于FRP桥梁长期性能具有一定影响，可通过设置最小构件厚度进行控制，并通过设计涂层进行防护。酸碱盐等化学介质中，只有碱对玻璃纤维有所影响，可通过富树脂层隔离，其余化学介质均无显著影响。

7 结语

2010年，清华大学教授曾组织对国际土木工程复合材料学会会员进行调查，其中，88%的会员认为FRP桥梁是目前最重要的研究方向。FRP复合材料构件的材料费和施工费目前高于传统材料，但其具有的轻质、高强、耐腐蚀的优点使其全寿命成本较低，具有较强的推广价值及广阔的应用前景。

[1] 冯 鹏.复合材料在土木工程中的发展与应用[J].玻璃钢/复合材料，2014(9)：99.

[2] 汤洪雁，王秀艳.FRP复合材料在桥梁工程中的应用与发展[J].城市道桥与防洪,2016(3)：182-183.

Application of FRP composite material in bridge

Lin Mao

(TianjinCityConstructionDesignInstituteCo.,Ltd,Tianjin300122,China)

The paper introduces the development application history of FRP composite material in bridge reinforcement, maintenance and transformation, describes its application status in newly-built bridge from aspects of FRP prestressed reinforcement, FRP cable and FRP composite structure, explores its firefighting and durability problems, and finally points out advantages of FRP composite material, such as light quality, high strength and corrosion resistance.

FRP composite material, bridge, FRP composite structure, durability

1009-6825(2016)20-0105-02

2016-05-09

林 茂(1979- )，男，高级工程师

TU528.043

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