作者：刘玉擎 陈艾荣
前言
纤维增强复合材料(FRP)的生产技术迅速发展,材料种类、制品形式不断更新,使得它在桥梁结构中的应用也更加广泛。FRP材料除了用于旧桥结构的补修加固外,可以直接作为新建桥梁承重构件使用,显示出其较好的应用前景[1~2]。
许多国家都尝试着开发研究整座桥、或者上部结构全部用FRP材料的桥梁,但是FRP材料造价较高,在现阶段要大规模的采用还有极大的困难。FRP材料轻质高强、又具有良好的耐腐蚀性,将它与钢材、或与混凝土、或与两者共同形成组合构件,合理加以使用更具有可行性。为此,本文主要从组合结构的角度[3],依据日本土木学会结构工程委员会的调查研究报告[4],对FRP材料与钢材、混凝土组合构件在桥梁结构中的应用研究成果以及连接技术加以归纳。
1 FRP材料的连接
FRP材料组合结构是用螺栓、铆钉、粘着剂等把FRP制品与钢材、混凝土接合而成,其接合部的设计要充分考虑FRP材料特有的性质,即应力集中严重、各向异性、刚度较小等特点进行合理设计。
1.1粘着连接
粘着连接是指用环氧树脂、聚氨酯类等粘着剂接合的连接方法,这是一个完全受到粘着剂的力学特性影响的连接方式。粘着连接具有应力传递顺畅、截面欠损少、杆件数少等优点,但具有连接施工的质量难以保证、重复组装困难等缺点。
粘着连接可以分成对接、搭接、嵌接3种形式,如图1所示。对接连接的接着面积较小,抗拉弯性能较差,为此有时会使用垫板加强。搭接连接是靠连接层粘合剂的抗剪发挥作用的,有时为了改善端部的应力集中而采取一些措施。嵌接连接是比较合理的连接方式,但是加工精度要求较高。
1.2栓铆连接
栓铆连接是指用螺栓、铆钉等进行的连接方法,与粘着连接相比,其构件容易组装和拆卸、耐高温、连接强度离散度小、抗拉拔能力大,但是穿孔附近的应力集中、有效承载面积减少等问题也不容忽视。如图2所示,栓铆连接主要有拉伸形式和剪切形式两种,拉伸连接并不常用,而剪切连接用的比较多,主要有搭接和对接两种形式。
1.3套管连接
套管连接是指用两种以上的构件、相互插入或咬合的连接方法,主要有内插、外套两种方式,如图3所示。依据构件所处的位置,又有L形连接、T形连接、十字形连接。无论内插还是外套,有时候构件间还需要使用销钉或粘着剂等进一步强化连接性能。这些连接形式大都处于开发研究中,特别需要对徐变的影响、疲劳问题等事项作进一步探讨。
1.4膨胀连接
膨胀连接是指使用以CaO为主要成分的水泥基材料填充到管材构件内,膨胀被约束后而产生内压使FRP构件间或与钢构件等接合的连接方法,主要用于FRP棒材的锚固以及FRP管材的接合。
图4所示是锚固构造的示例,通过填充膨胀剂使FRP棒材与锚具套管连接。膨胀剂硬化之后与FRP棒材、套管之间产生很大的压力,当给棒材施加预应力时会产生摩擦力,因而是摩擦连接的一种形式。该锚固形式具有局部应力较小、锚固效率高、抗疲劳、长期荷载下的性能良好等技术特点。
图5所示是FRP管材与混凝土桥面板连接的示例,通过填充膨胀材料使FRP管材与钢套管连接,再在钢套管外侧配置焊钉与混凝土桥面板接合,形成FRP管材与混凝土的组合结构。
2 FRP材料与混凝土组合结构
2.1FRP管材与填充混凝土组合
FRP管材与钢管比较类似,具有很大的环向约束力,同时自重又轻,因此填充混凝土的FRP管材有较好的应用性。在加利福尼亚州建成的两座桥梁采用的就是FRP管混凝土梁。
金斯雨水水道(Kings Stormwater Channel)桥是一座两跨的连续梁桥,用填充轻骨料混凝土的碳纤维管材作为主梁,与FRP桥面板接合形成组合结构。纤维管内径为340 mm、壁厚为10 mm。并且主梁与混凝土桥台固结形成刚构体系,中间桥墩外包碳纤维材料。
Ⅰ-5/吉尔曼(Ⅰ-5/Gilman)桥是一座桥长137m、桥宽18.3 m的双索面斜拉桥。主梁为内径914mm、壁厚10 mm的碳纤维管材,填充轻骨料混凝土,间距为13.7 m;横梁为玻璃纤维与碳纤维的复合管材,间距4.9 m。主塔高58 m,采用直径1.52m、壁厚13 mm的碳纤维管材,内填混凝土。
2.2FRP管材与混凝土顶底板组合箱梁
预应力混凝土箱梁桥的自重较大,把混凝土腹板用FRP管材代替,能够达到减轻结构自重、降低维护费用的目的。如图6所示是用圆形FRP管材作为腹杆的组合箱梁的横截面,腹杆与钢套管用膨胀剂接合,套管表面配置焊钉与混凝土顶底板接合形成组合结构。
2.3FRP板材与混凝土顶底板组合箱梁
把混凝土腹板用FRP板材代替,同样能够使混凝土箱梁减轻重量、减少维护费用。箱梁腹板主要承担剪力,为此FRP板材要采用正交配置纤维的复合板来提高抗剪能力。该组合箱梁与混凝土箱梁的最大不同是FRP腹板与混凝土顶底板的连接,图7的接合方式是通过利用圆孔中的混凝土承担剪力,与开孔钢板连接件[3]的受力机理是一致的,已依据试验研究得到了验证。
3 FRP材料与钢材组合结构
FRP材料可以用于钢构件的加固以及与钢构件形成新型的组合结构体系。钢构件在强度不足时可以考虑用FRP材料进行加固,譬如钢梁受压区的加劲钢板,就可以采取对底板、加劲肋以及对两者同73FRP材料组合结构桥梁的新技术时进行粘贴FRP板材的加固措施;钢梁受拉翼缘通过粘贴FRP板材就可以提高抗弯承载能力。
图8所示是采用FRP型材加固的事例之一,通过在钢主梁与钢横梁间设置纵横GFRP梁形成组合结构体系进行加固钢筋混凝土桥面板。GFRP梁是拉拔成型的H形型材,通过粘着剂、螺栓与钢梁接合。GFRP纵梁翼缘上面铺设1层厚约10 mm的环氧树脂砂浆与混凝土桥面板接合。由于FRP型材自重轻,容易施工,该加固方法适合于使用在桥下空间狭小的桥面板加固。
4 FRP材料与钢材以及混凝土组合结构
FRP材料可以同时与钢材以及混凝土组合形成新型结构体系。日本为了减轻高价的FRP材料用量、大幅度提高承载性能,进行了FRP材料的板材或型材与混凝土的组合桥面板开发研究。图9所示是FRP板与混凝土板组合的桥面板构造示意。FRP底板是具有肋板的型材,沿横桥向铺设在钢梁上。FRP肋板的孔中可贯通下层分布钢筋、顶面可配置上层分布钢筋。主钢筋沿横桥向配置,主钢梁翼缘板上配置焊钉连接件,浇注混凝土后形成组合梁,是FRP材料与钢材以及混凝土的三者组合结构。FRP底板作为模板使用的同时又起到承载的作用,使承载能力大幅度提高。
日本已有多座桥梁采用该型FRP材料组合桥面板,图10所示是最近建成的东海北陆汽车专用线上的北谷桥的横截面及其FRP底板构造[5]。该桥为单跨简支组合梁桥,跨径61.9 m,桥宽10 m。
主梁采用窄幅钢箱梁,受压上翼缘仅设置1道纵向加劲肋,无横向加劲肋。桥面底板为宽650 mm的带T形肋的FRP板材,共计26块,沿横桥向设置。T形肋的高度为180 mm,间距为300 mm。
依据该型桥梁的比较分析结果,采用FRP材料组合桥面板的长处大致有以下几点:①FRP材料与混凝土组合,裂缝容易控制,耐久性提高;②无需大型起重设备,容易工地施工;③耐水耐腐蚀,容易维护管理;④FRP模板可在工厂制作,缩短在工地的施工工期;⑤无需木制模板及专业模板工;⑥容易取得与周边环境的协调。
5 结语
FRP材料在土木工程领域中的研究与应用开始于20世纪60年代的美国,特别是最近二十几年来在经济发达国家趋于活跃,而我国主要集中在对FRP材料补修加固技术进行研究并应用于工程实践。依据FRP材料的特点,整座桥梁结构或者上部结构全部使用FRP材料的桥型不断被加以开发,但是一般认为将FRP材料与钢材、或混凝土、或两者共同进行合理组合,即FRP材料组合结构桥梁更具有发展前景。
参考文献：
[1]陈开利. CFRP材料在桥梁加固工程中的应用[J].桥梁建设,2001, (1): 44-46.
[2]陈明宪,方志.纤维增强复合材料在土木工程中的应用研究[A].第十六届全国桥梁学术会议论文集[C].北京:人民交通出版社, 2004. 670-678.
[3]刘玉擎.组合结构桥梁[M].北京:人民交通出版社,2005.
[4]土木学会構造工学委員会.FRP橋梁-技術とその展望[M].東京:丸善(株), 2004.
[5]若山誠,小幡喜芳:北谷橋工事の設計·施工[J].佐藤鉄工技報,2002, (15): 7-12.
作者简介：
1 刘玉擎/副教授 毕业于日本九州大学土木工程专业 工学博士
2 陈艾荣/同济大学桥梁工程系 教授
