新型GFRP組合橋梁的應(yīng)用與發(fā)展（PPT,共72頁）

1、新型GFRP組合橋梁的應(yīng)用與發(fā)展 李建中教授同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系內(nèi)容介紹一、FRPGFRP材料的特性及在橋梁中的應(yīng)用二、新型GFRP組合橋梁的型式三、新型GFRP組合橋梁的實(shí)際應(yīng)用四、GFRP組合橋梁今后的發(fā)展方向一、FRP材料的特性及在橋梁中的應(yīng)用纖維增強(qiáng)材料(Fiber Reinforced Plastics，簡(jiǎn)稱FRP)，是以非金屬 纖維(如玻璃纖維GFRP、芳綸纖維AFRP和碳纖維CFRP等)作增強(qiáng)材 料，以樹脂(如不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂和乙烯基酯樹脂)作基體 材料的復(fù)合材料。從80年代FRP開始在土木工程中應(yīng)用以來，它就以其優(yōu)越的性能開 始贏得土木工程師的青睞?，F(xiàn)在，F(xiàn)RP材料在橋梁

2、中的應(yīng)用也越來 越得到人們的重視。1 FRPGFRP材料的特性 重量輕，且僅有約20%的砼板重阻尼減振性好抵抗疲勞和腐蝕性能好可快速安裝，從而減少了施工時(shí)間和勞動(dòng)力成本 各向異性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系直至破斷均呈線性比強(qiáng)度高FRP的主要特性性能碳纖維紡綸纖維玻璃纖維鋼筋屈服強(qiáng)度(MPa)240340極限強(qiáng)度(MPa)441028402350380 520彈性模量(GPa)23010969200210延伸率1.92.44.016比重1.81.452.547.82 FRP材料的形式FRP材料的產(chǎn)品FRP片材FRP布板材FRP棒材FRP索FRP筋FRP拉擠型材FRP模壓型材型材 FRP布由連續(xù)長(zhǎng)纖維編織而成，

3、通常是單向纖維布，且使用前不浸潤(rùn)樹脂，施工時(shí)用樹脂浸潤(rùn)粘貼。 FRP片材FRP棒材FRP索：將連續(xù)的長(zhǎng)纖維單向編織，形成繩索狀的制品，再用樹脂 浸潤(rùn)固化而成。FRP筋：采用拉擠工藝生產(chǎn)，在表面進(jìn)行處理可以帶肋也可以不帶 肋，既可以在混凝土中代替鋼筋，也可以作為預(yù)應(yīng)力筋。FRP拉擠型材 FRP拉擠型材將纖維束或纖維織物通過紗架連續(xù)喂入，經(jīng)過一個(gè)樹脂膠槽將纖維浸漬，再穿過熱成型模具后進(jìn)入拉引機(jī)構(gòu)，形成連續(xù)的FRP制品，拉擠工藝可以生產(chǎn)出截面形狀復(fù)雜的連續(xù)型材，型材可以直接作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件，也可以與其他材料組合。 模壓工藝是將預(yù)浸樹脂的纖維或織物，干燥后放入金屬模具中進(jìn)行加溫加壓固化而成型。既可以是長(zhǎng)纖

4、維，也可以是短切纖維或纖維織物。此種型材尺寸準(zhǔn)確、表面光潔、質(zhì)量穩(wěn)定，通常在平面內(nèi)呈現(xiàn)為各向同性。FRP模壓型材 手糊成型是指在室溫低壓或無壓下用樹脂將纖維或織物粘接成型的方法，以前都是人工操作完成，因此稱為手糊。此法可生產(chǎn)出形狀復(fù)雜、纖維鋪陳方向隨意、大尺寸的FRP產(chǎn)品，但質(zhì)量不易穩(wěn)定。手糊FRP產(chǎn)品 用復(fù)合材料筋代替普通鋼筋（棒材） 用復(fù)合材料作預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的力筋（棒材） 將碳纖維復(fù)合材料索用在斜拉橋拉索中（棒材） 用纖維復(fù)合材料加固橋梁的上下部結(jié)構(gòu)（片材 ） 纖維復(fù)合材料混凝土組合橋梁（型材） 全纖維復(fù)合材料橋梁（型材）返回3 FRP在橋梁工程中的應(yīng)用二、新型GFRP組合橋梁的型式1

5、 拉擠成型組合橋面板GFRP組合橋梁橋面板拉擠成型組合橋面板蜂窩夾層組合橋面板主梁全FRP結(jié)構(gòu)1 拉擠成型GFRP橋面板 e) Asset系統(tǒng)f) ACCS系統(tǒng)主要拉擠成型橋面型式a) Superdeck系統(tǒng)b)DuraSpan系統(tǒng)c)EZ Span系統(tǒng) d)Strongwell系統(tǒng)Superdeck系統(tǒng) 此類系統(tǒng)又叫六邊形或H型橋面板，它是由西弗利亞大學(xué)（WUV）和美國(guó)陸軍建筑工程研究室（USACERL）聯(lián)合開發(fā)和測(cè)試的。這種新的型材既可被用作單個(gè)的梁?jiǎn)卧部山M裝起來產(chǎn)生正交異性的橋面板。 Superdeck系統(tǒng)橫截面 Superdeck系統(tǒng)實(shí)物照片 試驗(yàn)研究 西弗利亞大學(xué)（WUV）對(duì)這種截

6、面所進(jìn)行的靜力和疲勞測(cè)試結(jié)果表明豎向剛度在2,000,000次疲勞加載后無明顯退化，疲勞周數(shù)和靜力撓度無明顯相關(guān)關(guān)系且對(duì)橋面的極限強(qiáng)度幾乎無影響。疲勞加載前后的極限破壞荷載都大大超過了AASHTO規(guī)范的HS20（71.1KN）和HS25(88.9KN)活載。即使是HS25活載，該系統(tǒng)的極限強(qiáng)度安全系數(shù)也超過了6，且靜力撓度滿足了L/500的撓度需求。 H型橋面的疲勞測(cè)試H型橋面的破壞荷載測(cè)試 DuraSpan系統(tǒng)是由總部在北卡羅來那州的Raleigh的Martin Marietta 復(fù)合材料公司于1992年開發(fā)并由Creative拉擠公司生產(chǎn)的。目前有兩種Duraspan系統(tǒng)，均可承受AASH

7、TO HS25活載。其具體尺寸為2) DuraSpan系統(tǒng)橋面連接形式 這種橋面可安裝在鋼、砼和全復(fù)合材料的縱梁上，因此相應(yīng)的連接也有好幾種方式。但大部分的橋面采用了傳統(tǒng)的剪力鍵或蹬筋連接以利用其與縱梁的組合彎曲作用。此類板梁連接已經(jīng)進(jìn)行了水平剪切和橫向彎曲的靜力和疲勞測(cè)試，效果良好。與鋼縱梁的連接與砼縱梁的連接 試驗(yàn)研究 美國(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校的學(xué)者對(duì)該產(chǎn)品進(jìn)行了疲勞測(cè)試、靜力剛度測(cè)試、振動(dòng)測(cè)試和靜載破壞測(cè)試。除此之外，特拉華大學(xué)(University of Delaware)也對(duì)此種橋面及其由此組成的上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了廣泛的測(cè)試。測(cè)試包括有以下五個(gè)方面： a 層狀試件的拉壓測(cè)試； b 橋面接

8、頭的靜力、疲勞和耐久性測(cè)試； c 橋面和縱梁連接的靜力和疲勞測(cè)試； d 鋪裝層的耐久性測(cè)試； e 橋面本身的靜力和疲勞測(cè)試等。 橋面的靜力測(cè)試橋面的疲勞測(cè)試 橋面的局部疲勞測(cè)試3) EZ Span系統(tǒng) EZ Span系統(tǒng)是ARC（Atlantic Research Corp.）和佐治亞理工學(xué)院（Georgia Institute of Technology）1999年開發(fā)的一種GFRP橋面板。9英寸厚的面板由手糊的上下兩層面板和拉擠成型的三角形構(gòu)架芯管膠結(jié)組成。每個(gè)等邊三角形構(gòu)架芯管邊長(zhǎng)約8英寸，用ARC生產(chǎn)的浸潤(rùn)聚乙烯樹脂的三向編織無堿玻璃纖維拉擠而成，該編織纖維貫穿整個(gè)厚度范圍，可提供優(yōu)異

9、的耐久性能，如將其切開成平面織物片時(shí)寬約28英寸。而面板則由浸潤(rùn)聚乙烯樹脂的編結(jié)無堿玻璃纖維手糊而成。 4) Strongwell系統(tǒng) 從1998年春天開始，Virginia Tech和Strongwell公司開發(fā)和測(cè)試了Strongwell系統(tǒng)。此類GFRP橋面板也是完全采用拉擠型材粘貼而成的。所不同的是，它由GFRP拉擠方管和平板粘結(jié)組成。整個(gè)系統(tǒng)的厚度可因方管的尺寸變化而變化，范圍從120.7mm變化到203.3mm ，自重為 (90-117Kg/m2)，見下圖。 Strongwell系統(tǒng)截面6英寸拉擠方管 連續(xù)玻璃纖維墊玻璃纖維粗紗 試驗(yàn)研究 Virginia Tech 對(duì)此類面板作了

10、大量的荷載測(cè)試以驗(yàn)證其可行性。測(cè)試的橋面板為3跨1.2米（交通方向），寬4.2米，厚120毫米，由拉擠方管和上下面板組成。方管用環(huán)氧樹脂膠結(jié)并用間距0.3米，穿過管壁的玻璃纖維桿連接起來，而管和板間也用環(huán)氧樹脂膠結(jié)。全板支承在1.2米間距的4根W1640的鋼梁上，加載板為0.30.5米并放在氯丁橡膠上。測(cè)試包括強(qiáng)度測(cè)試，剛度測(cè)試和強(qiáng)度測(cè)試完成后的疲勞測(cè)試三個(gè)方面，其截面形式和測(cè)試設(shè)置見下圖。測(cè)試Strongwell系統(tǒng)斷面 Stronwell系統(tǒng)橋面板的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試 5) Asset系統(tǒng) Asset系統(tǒng)截面是由Mouchel(英國(guó))，F(xiàn)iberline(丹麥)，KTH(瑞典)，IETCC(西班牙

11、)，Skanska(瑞典)，HIM (荷蘭)和Oxfordshire County Council(英國(guó))等七個(gè)單位組成的合作體共同研發(fā)的。Asset系統(tǒng)截面是基于英國(guó)BS5400規(guī)范中HA和HB類荷載取2米的跨度和40噸的荷載來設(shè)計(jì)的。另外，截面的高度和尺寸均要滿足適于拉擠成型的方便及與現(xiàn)存橋梁具有相容性。最終采用的截面高度為225毫米，寬度包括搭接接頭為521毫米，并采用無堿玻璃纖維浸異酞聚合樹脂拉擠成型，如下圖。 試驗(yàn)研究 對(duì)Asset系統(tǒng)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)包括小比例和大比例的測(cè)試。在瑞典KTH進(jìn)行的小比例測(cè)試提供了各種層狀纖維敷設(shè)方式的力學(xué)屬性。測(cè)試出來的性質(zhì)包括了拉、壓及剪切的強(qiáng)度及模量。同

12、時(shí)，還對(duì)完全浸潤(rùn)的GFRP復(fù)合材料板進(jìn)行了小比例的耐久性測(cè)試。 大比例的測(cè)試則在西班牙的IETCC進(jìn)行，其測(cè)試項(xiàng)目包括靜力彎曲和剪切、疲勞（10,000,000次）、蠕變，沖擊等。通過以上測(cè)試表明Asset截面的實(shí)際結(jié)構(gòu)行為與設(shè)計(jì)一致，撓跨比小于1/300且靜力破壞模式主要是支承附近的腹板底部的剪切破壞。Asset系統(tǒng)橋面板的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試 6) ACCS系統(tǒng) ACCS（Advanced Composites Construction System）系統(tǒng)又叫COMPOSOLITETM系統(tǒng),是一種先進(jìn)的復(fù)合材料建筑板，可用作主要承載構(gòu)件。其模塊化的建筑系統(tǒng)由一些用拉擠法生產(chǎn)的互鎖FRP構(gòu)件所組成。

13、其主要受力構(gòu)件是有開口肋的面板，公稱尺寸為76.2mm厚609.6mm寬，此面板可以用三向連接器，450連接器，栓釘（toggle）或掛鉤(hanger)等五種互鎖的拉擠FRP構(gòu)件連接起來，見圖。主要構(gòu)件和連接構(gòu)件的尺寸見下頁圖。 主要有美國(guó)的KSCI(Kansas Structural Composites, Inc.)系統(tǒng)、Hardcore系統(tǒng)和加拿大的纖維纏繞三角管系統(tǒng)等。 (a) (b)蜂窩夾層組合面板 （a）Hardcore（b）KSCI2 蜂窩夾層組合橋面板1) Hardcore系統(tǒng) 特拉華的Hardcore公司制造的Hardcore橋面系統(tǒng)由上下表層的蒙皮加上中間的多重纏繞加勁腹

14、板所構(gòu)成。制造方法是真空輔助樹脂浸漬模塑成型工藝 (Seeman Composite Resin Infusion Molding Process(SCRIMP)。 這種橋面的主要特點(diǎn)有：重量輕，低恒載從而增大活載承受能力，無需更換下部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)就可更換和擴(kuò)寬橋面，易于運(yùn)輸制造和安裝，設(shè)計(jì)荷載可達(dá)HS25，撓度標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到L/800，2,000,000次疲勞測(cè)試能力優(yōu)異，耐久性良好，具高的抗腐蝕性，不受惡劣天氣影響，不透水，無破碎、生銹及腐爛的缺點(diǎn)，而且全年均可施工。Hardcore 系統(tǒng)所采用的FRP材料為縫制的無堿玻璃纖維織物加乙烯基樹脂，玻璃纖維織物被認(rèn)為在平面內(nèi)各向同性，其主要力學(xué)性能如表

15、 :2) KSCI系統(tǒng) Kansas結(jié)構(gòu)復(fù)合材料公司生產(chǎn)的KSCI系統(tǒng)屬于蜂窩夾層組合結(jié)構(gòu)，制造方法是采用多向鋪陳的GFRP夾心板接觸低壓成型法生產(chǎn)成型。此組合結(jié)構(gòu)由厚2.29毫米（0.09英寸）的波紋形片材加平面片材組成單胞尺寸50.8101.6毫米的蜂心，蜂心單元均是由聚脂薄膜接觸模壓形成。而表面板的制作是首先將玻璃纖維織物放在鋼模中，注入樹脂直至達(dá)到所需厚度，再將蜂心濕放入面板中，施加真空以壓緊并凝固。 由于主梁有砼、鋼及FRP等幾種型式，相應(yīng)的組合型式也有：GFRP橋面與砼縱梁相組合GFRP橋面與鋼縱梁相組合GFRP橋面與FRP縱梁相組合3 與主梁的組合型式返回三、新型GFRP組合橋梁

16、在實(shí)際中的應(yīng)用 新型GFRP組合橋梁1人行橋人行橋(全FRP結(jié)構(gòu))車行橋(組合FRP結(jié)構(gòu))2001年10月，在西班牙Lleida市以南3KM處，修建了一座穿過一 條公路，一條鐵路和新計(jì)劃的馬德里和巴塞羅那間的一條高速 鐵路的人行橋。橋式是全GFRP拉擠成型的型材修建的桁架。 跨度38米，矢高6.2米。（矢跨比大約為6），寬3m。橋總重約 為19噸。這座橋是世界上用玻璃纖維材料修建的最長(zhǎng)的拱橋。 所有的截面都是使用無堿玻璃纖維和機(jī)織復(fù)合襯墊制作的，玻 璃纖維的最小含量為50，膠結(jié)材料為異酞聚合物。此橋總體 見圖 。丹麥1997年建成的Fiberline 寬3.2m, 總長(zhǎng)40.3 m 主跨27,

17、 邊跨13 索采用100mm100mmGFRP棒材, 主梁和塔采用拉基型材.在英國(guó)，最近也有多座人行橋應(yīng)用了FRP 材料。其中, 在康沃 爾郡近博德明市的Halgavor 橋(跨度為47m的)，用GFRP作為主要 結(jié)構(gòu)材料以修建跨越干線的橋。見下圖 。位于蘭開夏州的Ribble路橋蘭開夏州的Ribble路橋 美國(guó)從90年代中期，開始發(fā)展FRP人行橋，現(xiàn)在有超過60座的復(fù) 合材料人行橋。典型的如美國(guó)密蘇里-羅拉大學(xué)2000年6月在校園 內(nèi)設(shè)計(jì)并建造的人行橋。該采用了拉擠成型的FRP管組型材系 統(tǒng)，橋長(zhǎng)9.14米，寬2.74米，每根GFRP管為76毫米76毫米， 厚 6.35毫米，這些管用環(huán)氧樹脂

18、粘為七層并用螺栓將順著和垂 直于交通方向的管連成橋面板。其橫截面形式是4 個(gè)沿橋縱向I 型梁。我國(guó)也是較早開始研究FRP橋梁的國(guó)家之一。從1986年起到1993年 共用手糊夾層的橋面板建造了8座復(fù)合材料混合式人行橋。2 車行橋西維吉尼亞大學(xué)建筑設(shè)備中心，西維吉尼亞交通局，美國(guó)陸軍工程研 究實(shí)驗(yàn)室及復(fù)合材料研究所修建了Superdeck的兩個(gè)樣板工程，分別是 1997年5月在西弗吉利亞州的路易絲鎮(zhèn)修建的Laurel Lick橋和1997年7 月到8月在泰勒鎮(zhèn)修建的Wickwire Run橋。 第一個(gè)項(xiàng)目更換了原來的 木橋面和鋼梁而全用寬翼緣（工字形）的GFRP梁及橋面系統(tǒng)。橋面用 的的Creat

19、ive拉擠公司生產(chǎn)的具有垂直于交通方向的六邊形和雙梯形 管截面的Superdeck系統(tǒng)。橋面全長(zhǎng)6.1米，寬4.88米，并支承在六根 6.1米長(zhǎng)間距0.76米的GFRP寬翼緣（工字形）梁上。第二座橋是西維吉尼亞州泰勒縣的Wickwire Run橋。它于1997年8月修建。應(yīng)用了相同的橋面板系統(tǒng)。但此系統(tǒng)由4根間距1.83米的鋼縱梁支承。此橋長(zhǎng)9.14米，寬6.61米，見圖。 主梁采用FRP的橋式2000年在加州Riverside縣的Kings Stormwater建設(shè)航道橋。此 橋 為兩跨10.06米的連續(xù)梁橋，13.41米寬，由六塊橋面板組成， 用了19毫米的聚合物膠結(jié)砼面層。該橋上部結(jié)構(gòu)高

20、度要求很低，故 采用了梁板組合的橋面板系統(tǒng)構(gòu)成。上部結(jié)構(gòu)的總高（包括19mm的 覆蓋層）為562mm。其中梁高362mm，板厚181mm?？v梁為線繞碳 環(huán)氧樹脂管內(nèi)填輕質(zhì)砼(CSS)。加州大學(xué)圣地亞哥分校還設(shè)計(jì)了I5/Gilman新型復(fù)合材料斜拉橋(下 頁圖)。此座137.2米的斜拉雙線公路橋計(jì)劃在Gilman車道處越過州際5 號(hào)公路。位于加州大學(xué)圣地亞哥分校校園內(nèi)。用復(fù)合材料修建，用來驗(yàn)證CSS(碳纖維管內(nèi)填砼系統(tǒng))和HTS(混合管梁 系統(tǒng))概念在基礎(chǔ)設(shè)施中應(yīng)用的有效性。此橋橋塔為一高57.9米的偏心 A型框架，是一扇形雙索面斜拉橋。上部結(jié)構(gòu)總寬約18.3米，高約1.45 米。由橫向玻璃纖維和碳纖維加強(qiáng)的橫梁連接兩個(gè)環(huán)形碳環(huán)氧樹脂管并 內(nèi)填砼的縱梁并支撐聚丙烯纖維加強(qiáng)的砼橋面板從而共同構(gòu)成上部結(jié) 構(gòu)。在環(huán)形碳環(huán)氧樹脂管內(nèi)有橫向肋以傳遞管與內(nèi)填砼之間的所有 力。這個(gè)概念對(duì)柱和梁均適應(yīng)。環(huán)