纤维增强复合材料桥梁结构2019年度研究进展

叶华文，唐诗晴，段智超，杨哲，冉川

(西南交通大学 土木工程学院，成都 610031)

图1 复合材料发展历程Fig.1 Development course of composite materials

图2 波音787的复合材料应用情况[1]Fig.2 Application of composite materials in Boeing 787 [1]

图3 航空工业复合材料结构的材料结构一体化设计理念[1]Fig.3 Material-structure integrated design concept of composite material in aviation industry[1]

纤维增强复合材料的推广与普及为桥梁工程提供了新的发展方向和更大的创新空间，现阶段桥梁工程常用的复合材料主要是树脂基的纤维增强聚合物(Fiber Reinforced Polymer，FRP)，包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维及玄武岩纤维等增强聚合物，FRP材料适应了现代桥梁结构大跨、轻质、耐久的需求，成为砌体、混凝土和钢材等传统建筑材料之外的重要工程材料。根据其组成特点，FRP的强度、弹性模量、耐久性和特殊功能等关键材料性能方面可根据需要进行设计，这是传统的混凝土和钢材难以比拟的。因此，复合材料桥梁给桥梁结构的新形式和新设计理念提供了机会，也给现有工程管理体制提出了巨大挑战。笔者从FRP材料性能、构件和桥梁结构3个层次对近年来FRP在桥梁工程中的研究和应用进行回顾，总结近年来复合材料桥梁应用的研究与实例。

1 桥梁用FRP材料性能

1.1 FRP静力性能

FRP是将纤维和树脂基体通过一定制备工艺固化后形成的具有特定形状和性能的结构材料，如图4所示。其中，纤维一般包括碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维等，树脂包括环氧树脂、乙烯基树脂、不饱和聚酯树脂等。FRP是力学性质不同的纤维和树脂按照设定的比例和条件复合而成的新材料，纤维与树脂之间有明显的界面存在，其力学性能一般基于组分线性迭加复合原则，如图5所示。纤维材料的抗拉强度和拉伸模量很大程度上决定了FRP的力学性能，一般根据这两项基本指标进行区分，弹性模量越高，成本越高，各类纤维性能价格(2018年统计)见表1。高性能纤维材料的生产基本上被日本和欧洲的少数几家公司控制，图6所示为日本东丽公司的CFRP系列产品。

图4 典型纤维增强复合材料构造Fig.4 Typical fiber reinforced composite material structure

与传统建筑材料力学性能相比，FRP力学性能主要表现为以下三方面特点：

图5 FRP材料性能计算的线性复合原则Fig.5 Linear composite principle of FRP material properties calculation

图6 东丽公司Carbon产品的力学性能Fig.6 Mechanical properties of Toray’s Carbon products

表1 各类纤维性能与价格对比[2]Table 1 Comparison of various fiber properties and prices [2]

图7 FRP材料与钢材的应力应变曲线Fig.7 The stress-strain curves of FRP materials and steel

2)各向异性。FRP力学性能呈现明显的各向异性，抗拉强度和弹性模量与纤维方向和含量有很大关系，如图8、图9所示。由于很多FRP是单向纤维，所以，垂直于纤维方向的性能相对较差，如抗剪强度，成为制约其发展的一个因素。

图8 FRP性能与纤维含量的关系Fig.8 Relationship between FRP properties and fiber content

图9 FRP性能与纤维方向的关系Fig.9 Relationship between FRP properties and fiber direction

1.2 FRP疲劳性能

由于FRP的材料特性，其疲劳破坏过程与钢材有很大区别。如图10所示，疲劳破坏的临界状态首先表征为开裂，实际上仍能承载，纤维有显著的止裂效应。因此，FRP抗疲劳性能优异，按最大疲劳应力，钢疲劳强度一般是30%～50%的抗拉强度，而CFRP疲劳强度可达到70%～80%的抗拉强度，如图11所示[3]。

图10 FRP疲劳破坏过程Fig.10 The process of FRP fatigue failure

图11 FRP材料和钢材的S-N曲线图Fig.11 S-N curves of FRP materials and steel

1.3 FRP耐久性能

作为一种新型工程材料，FRP在服役条件下，如腐蚀、温度、辐射等作用下的力学性能演化是关注的重点，Liu等[4]对1 900多组FRP在各种环境下加速老化实验的结果进行分析发现，FRP对常温下(100 ℃以下)的腐蚀环境不敏感，耐久性能很好，但温度超过100 ℃后力学性能快速下降[5]，如图12所示。

图12 FRP的耐久性能[4]Fig.12 Durability of FRP[4]

2 桥梁用FRP构件的研究与应用

根据不同的使用要求，典型的FRP制品形式可分为片材(布、薄板等)、筋材(光面、肋纹、缠绕等)、索材(平行索、绞索)、型材(具有一定截面形状的制品，如管材、工字型材等)、网格材(包括硬质的网格和柔性的格栅)等[6]，如图13所示。轻质高强的FRP材料具有良好的耐久性和抗疲劳性能，已经在桥梁构件中得到广泛应用，主要形式表现在两个方面：1)用于提高刚度和承载能力的加固构件；2)与钢或混凝土结合，形成性能更优的组合构件。

2.1 FRP加固构件

FRP最早被广泛应用于混凝土结构加固领域，可封闭裂缝，有效提升极限承载能力。桥梁加固用FRP主要是片材和筋材。周朝阳等[7]对CFRP布、邢丽丽等[8]对AFRP加固混凝土梁进行试验研究。薛伟辰等[9]对AFRP筋与不同加固基体的粘结强度进行了系统的拉拔试验研究。吴智深等[10]开发了BFRP网格/筋加固技术，已在南京长江大桥的加固修复中得到成功应用。然而，大量桥梁病害研究表明：既有旧桥普遍存在的问题是刚度不足，导致开裂或变形过大，直接粘贴FRP加固时由于应力滞后效应，FRP材料的应力水平一般不超过其抗拉强度的20%，加固效率很低。因此，对FRP材料施加预应力是提高加固效率和改善加固效果的有效途径之一，如彭晖等[11]提出了嵌入式锚固的预应力CFRP板加固系统。由于CFRP抗拉强度和弹性模量都高，所以预应力CFRP加固技术得到快速发展，近年来中国已有工程应用实例，如图13所示。

图13 预应力CFRP板加固技术Fig.13 A strengthening technique using prestressed CFRP plates

在FRP加固钢结构方面，叶华文等[12-13]基于自主研发的预应力CFRP板锚固及张拉系统，采用多预应力水平CFRP板加固受损钢梁，通过疲劳试验和理论分析，评估无粘结CFRP板加固受损钢梁疲劳性能，提出简便实用的疲劳寿命计算理论和分析方法。Chen等[14]对CFRP加固受损钢管和钢板的裂纹扩展及疲劳寿命进行试验研究与分析。这些研究结果[13-15]都表明预应力FRP能显著提高损伤钢结构的剩余寿命。近年来，在预应力FRP技术的基础上，一些学者引入传感器，如光纤，形成智能复合材料。周智等[16]采用自主研发的满足拉挤成型工艺的OFBG-CFRP智能碳纤维复合板对混凝土梁进行预应力加固，并实时监测CFRP板应变。邓朗妮等[17]研制智能碳纤维(CFRP-OFBG)板，对钢筋混凝土梁进行嵌入式加固，试验结果表明CFRP-OFBG板在智能监测方面有良好的适用性，为今后结构加固与监测一体化提供了重要参考。

2.2 FRP组合构件

FRP组合构件在新建桥梁中得到越来越广泛的应用，主要表现为3种形式：

2)FRP作为桥梁结构的主要受力构件之一，如FRP拉索。与传统钢丝索相比，FRP索耐腐蚀，疲劳强度也高于钢索，因此，应用于大跨度的斜拉桥或悬索桥中可降低索自重，有利于结构受力。1996年Urs Meier在瑞士温特图尔(Winterthur)独塔斜拉桥 Storchenbrucke桥(63 m+61 m，公路桥)采用了2根35 m CFRP拉索，近30年来对CFRP索的应力监测表明了其状态良好，如图14所示。江苏大学也修建了CFRP索斜拉桥[21]。强士中等[22]基于国家863计划项目进行主跨3 500 m级CFRP主缆悬索桥原型设计研究，发现CFRP主缆的动力特性是控制因素。由于FRP抗剪强度远低于抗拉强度，阻碍FRP拉索大规模应用的关键问题是锚固系统，诸葛萍等[23]、汪昕等[24]提出了性能较好的锚具设计，实桥应用仍需继续研究。

图14 Winterthur公路桥CFRP索Fig.14 CFRP cable of Winterthur Highway Bridge

3)FRP型材作为桥面结构或桥墩船撞防护。熊治华等[25]对GFRP 桥面板的制作与受力性能进行研究，提出了大规模工程应用的建议。刘伟庆等[2]提出了复合材料桥梁防船撞系统，并应用于多项实际工程中。

由于FRP制造工艺和材料性能的特点，难免存在缺陷或损伤，这些缺陷或损伤对FRP结构的静强度、疲劳性能和稳定性产生重要影响。因此，FRP构件损伤无损检测方法、检测标准以及测试设备是FRP构件正常服役的保证，航空航天行业已经出台了一些规范，在桥梁结构上仍缺乏关注。

目前，针对FRP组合构件开展了一系列研究工作，在制作工艺、基本力学性能、耐久性、工程应用等多方面积累了大量的经验和基础数据，推动了其发展。在现有成果基础上，FRP构件的推广应用还需解决两方面问题：1)FRP构件与传统建筑材料构件连接构造的可靠性与耐久性；2)FRP构件标准化设计与制造、性能测试标准和技术。

3 全FRP桥梁结构

近30年来，FRP材料用于桥梁主要受力构件的工程实例越来越多。1986年重庆交通学院(现重庆交通大学)在校门口修建了一座主跨27 m的全部用GFRP制作的独塔单索面斜拉人行桥，造型优美，是中国第一座全FRP桥梁，可惜后来因故拆除。图15为位于威尔士的士里尔海港大桥(Rhyl Harbour Bridge)[26]，其主体结构采用玻璃纤维和碳纤维混合增强材料，从而减轻重量、节省施工周期并节能环保。图16是纽约市2019年完工的第一座FRP人行天桥，全长约70 m，桁架和桥面均采用FRP材料。缅因大学先进结构与复合材料中心2019年研发的拱桥主拱采用FRP管，跨度可达24 m，如图17所示，研发的AIT CT梁系统由FRP筒组成，比钢材轻50%，比混凝土梁轻75%，可明显降低施工成本。图18为几十座全FRP桥梁结构的统计情况，由图18可见，目前FRP桥梁主要是荷载较小的人行桥，材料主要是GFRP，在公路桥上的应用很少。由于相同跨度下FRP桥比钢桥或混凝土桥自重轻，其动力行为很可能是设计控制状态。Wei等[27]对大量的FRP、钢及混凝土人行桥的动力特性(自振频率和阻尼比)进行分析和测试发现，相同情况下FRP桥梁的阻尼比传统材料桥梁高2.5倍，自重轻8.6倍，对动载激励更敏感。

图15 里尔海港大桥FRP桥面板[26]Fig.15 FRP bridge deck of Rhyl Harbour Bridge[26]

图16 纽约FRP人行天桥[28]Fig.16 New York FRP pedestrian bridge[28]

图17 FRP主拱的拱桥[29]Fig.17 FRP main arch of arch bridge [29]

图18 FRP桥梁统计Fig.18 FRP bridges statistics

图19 FRP桥梁全寿命周期设计目标[30]Fig.19 The design goals of FRP bridge life cycle [30]

4 结论与展望

FRP因轻质高强、可设计性和高耐久性等特性已经在航空航天领域得到广泛应用。在桥梁工程中，高性能FRP结构的研发与应用是提升旧桥服役性能、实现超大跨桥梁的方案，日益得到关注。目前，FRP桥梁的发展仍局限于作为钢和混凝土构件的补充或替代品，与大规模应用有较大差距，产业发展面临一些亟待解决的问题，主要表现在FRP产品单一，产学研用相互脱节，产品推广应用困难，研发投入少且分散，缺乏完善的行业规范标准。因此，还应进行以下研究工作：

1) FRP产品性能的提升和成本降低。与航天级FRP产品相比，桥梁用FRP存在主要力学指标(如抗拉强度、抗剪强度和弹性模量)偏低，而造价较高，阻碍了其在大跨桥梁中的推广应用。FRP构件与传统建筑材料构件的连接构造也是FRP产品需要考虑的问题，尤其是其可靠性与耐久性。

2) FRP产品质量检测方法与标准。桥梁工程往往涉及到巨大的经济投入， 因此，确保FRP构件和结构的质量满足规定要求极为重要，目前专门针对FRP的专业产品检测标准和检测方法仍属空白。