先进复合材料在桥梁中的应用现状和发展前景.doc

先进复合材料在桥梁中的应用现状和发展前景【文章提要：这是蔡国宏先生为本刊撰写的关于桥梁新材料��先进复合材料应用发展状况的专题文章。文中较为系统地介绍了先进复合材料的基本特性、国内外的研究和应用情况，分析总结了它在桥梁中的应用特点，对这一新材料的发展前景进行了展望，他认为21世纪的建桥材料将可能有大的变革，复合材料将可能逐步取代钢铁。】 一、前言现代交通的发展，对桥梁的营运质量和寿命提出了更高的要求。钢材的锈蚀是危及桥梁安全和耐久性的大敌，人们探索过很多防锈措施，但效果并不理想。先进复合材料具有耐腐蚀、重量轻(容重只有钢材的五分之一至四分之一)、强度高(强度高于高强钢丝或与之相当)等突出优点。为解决桥梁锈蚀问题，最近二十多年中，人们把目光转向新型材料，先进复合材料建桥技术的研究与开发受到重视，并已取得实用性成果。可以展望在二十一世纪，随着先进复合材料工业的技术进步、规模生产和成本的下降，它在桥梁结构工程中的应用规模将不断扩大，并必将把桥梁结构工程提高到一个崭新的水平。二、先进复合材料的基本特性先进复合材料(Advanced Composites)又称纤维增强塑料(Fibre Reinforced Plastics，简称FRP)，是以非金属纤维(如玻璃纤维、芳纶纤维和碳纤维)作增强材料，以树脂(如不饱和聚酯树脂、环氧树脂和乙烯基酯树脂)作基体材料的复合材料。树脂将纤维束结成整体，既能保护纤维免受机械破坏和化学腐蚀，又能使纤维整体受力。先进复合材料具有以下特点：1、强度高。用S玻璃纤维、芳纶纤维和碳纤维做成的复合材料筋束，其抗拉强度高于高强钢丝，用E玻璃纤维做成的复合材料筋束，其抗拉强度与高强钢丝接近。2、耐腐蚀。玻璃纤维复合材料水管的寿命为钢水管和混凝土水管的两倍。3、应变关系直至破断均呈线性。4、弹性模量。碳纤维复合材料的拉伸弹性模量高于钢材，但芳纶和玻璃纤维复合材料的拉伸弹性模量则仅为钢材的一半和四分之一。5、疲劳特性。碳纤维和芳纶纤维复合材料的疲劳强度高于高强纲丝，E玻璃纤维复合材料的疲劳强度则介于普遍钢丝和高强钢丝之间。金属材料在交变应力作用下，疲劳极限仅为静荷强度的30%40%。由于纤维与基体复合可缓和裂纹扩展，以及存在纤维内力再分配的可能性，复合材料的疲劳极限较高，约为静荷强度的70%80%，并在破坏前有变形显著的征兆。6、容重轻。约为钢的五分之一至四分之一。7、各向异性。8、电磁中性。9、在高温下的性能与预应力钢丝相同。三、国外的研究和应用情况(一)用复合材料筋代替普通钢筋的研究早在20年前美国就开始在混凝土结构中使用复合材料筋，主要用于有防腐要求的海洋工程、化学工程以及要求电磁中性的结构。近年来针对日趋严重的桥梁锈蚀问题，美国联邦公路总署安排了在混凝土结构中采用复合材料筋的科研项目。西弗吉尼亚大学和亚利桑那大学分别进行了大量小梁结构试验。复合材料筋由玻璃纤维和热固性乙烯基酯树脂组成，采用拉挤工艺生产，其玻璃纤维含量占71%，树脂含量占24%。结构试验的实测数据与理论值吻合，说明复合材料筋有效地增强了梁体，也说明传统的钢筋混凝土结构理论可适用于复合材料筋混凝土梁。但由于其弹性模量低(536GPa)，变形量可能成为控制设计的因素。然而，若将复合材料用作预应力混凝土结构的力筋，则效果会十分理想。(二)复合材料力筋预应力混凝土桥梁的研究与应用力筋所采用的非金属纤维材料，包括玻璃纤维、芳纶纤维和碳纤维。1、玻璃纤维复合材料力筋预应力混凝土桥梁的研究与应用70年代初，联邦德国斯图加特大学Rehn教授提出用玻璃纤维复合材料力筋取代传统的高强钢丝修建预应力混凝土桥的现实可行性。他进行了跨径9米的小梁荷载试验，所配置的力筋由价格较便宜的E玻璃纤维与不饱和聚酯树脂组成。梁的实际破坏荷载大于计算值，跨中挠度高达20厘米时，才发生混凝土受压区破裂，但复合材料力筋的状态仍然完好。根据联邦研究和技术部的科研项目，由Strabag公司开发出一种称为HLV的复合力筋，并由Bayer公司用其于1980年在杜塞尔多夫建成了一座跨径7米的试验桥-Lunenshe Gasse桥。桥梁荷载为30级，采用12根长7米的无粘结E玻璃纤维复合力筋(HLV)施加预应力。对力筋的灌胶锚头进行了5年的拉力监测，在现场验证了实验室取得的成果。1986年他们在杜塞尔多夫建成了世界上第一座采用玻璃纤维复合力筋的预应力混凝土公路桥-Ulenberg Strass桥。桥梁荷载等级为60/30级重交通荷载，上部结构为两跨21.30+25.60米的后拉预应力混凝土连续实体板，板宽15.00米，厚1.44米，共使用59根HLV力筋。每根力筋的工作荷载为600KN，由19根直径7.5毫米的E玻璃纤维复合材料筋组成。全桥共使用玻璃纤维复合材料4吨。1988年，他们又在柏林Marienfelde公园修建了一座跨径为27.63+22.95米的预应力混凝土人行桥，这是德国自1945年以来修建的第一座体外预应力桥梁。进入90年代后德国和奥地利又修建了三座复合材料筋预应力混凝土公路桥，并在其上部结构中布设了计算机长期监测系统。美国南达科他矿业和理工学院L.lyer教授对于先张预应力混凝土结构采用玻璃纤维增强塑料力筋的可行性，进行了较深入的研究。用作预应力力筋的S玻璃纤维绞线由Owens/corning公司提供，其直径为3毫米，纤维含量占79%(按重量计)，容重1.9g/cm2，抗拉强度2000MPa，拉伸弹性模量64000MPa，极限拉伸率3.1%。力筋由7股S玻璃纤维绞线组成。进行了两组共四根先张预应力混凝土梁的试验，其中一组(两根梁)配置玻璃纤维力筋。另一组(两根梁)配置高强低松驰钢丝束。试验梁在通用的先张台座上制备。每组梁中有一根进行静力弯曲强度荷载试验。另一根作重复弯曲荷载试验。通过试验得知，配置玻璃纤维绞线的梁，其破坏荷载、破坏模式、荷载一挠度关系、疲劳特性以及力筋与混凝土的粘结力等，均与配置钢绞线的梁相同。2、芳纶纤维复合材料力筋预应力混凝土桥的研究与应用芳纶(Aramid，又称芳香族聚酰胺)纤维于1965年由美国杜邦公司发明，与玻璃纤维相比，其比重更小，韧性较好，但价格较贵。美国、荷兰、德国、英国和日本等国都开展了采用芳纶纤维作预应力混凝土力筋的研究工作。这里着重介绍日本的情况。日本Sumitomo建设株式会社与Teijin株式会社合作研制的芳纶复合材料预应力筋束，以乙烯基酯树脂作基体，用拉挤工艺成形。筋束的直径为6毫米，纤维体积含量65%，容重1.3g/cm3，抗拉强度190Kg/mm2拉伸弹性模量5400Kg/mm2，破断时延伸率3.7%，预应力力筋由不同数量(1、3、7、12和19根)的筋束组成。还研制出不同尺寸的锚头。对先张和后张矩形戴面混凝土梁进行了承载能力和疲劳试验，得出以下结论：(1)芳纶筋束与传统的预应力钢丝索相比具有相同的抗拉强度；(2)芳纶筋束比传统的预应力钢丝索具有更高的与混凝土的粘结能力；(3)芳纶筋束先张预应力混凝土梁的挠度不因重复加载而变化，梁的承载能力不因疲劳加载而降低；(4)在初裂弯矩(0.45Mu)重复荷载作用下，后张梁的承载能力因疲劳降低约10%，但在设计弯矩(0.35Mu)复重荷载作用下，梁的承载能力不会降低。锚头经疲劳试验后未破坏。 到目前为止，日本已建成芳纶纤维复合力筋预应力混凝土桥多座，其中包括：跨径11.79米先张预应力混凝土示范性桥，桥面宽9.00米，梁高1.56米，上部结构由5根宽60厘米、高130厘米的空心箱梁加上混凝土桥面板组成。跨径25米的后张预应力混凝土示范性桥梁，桥面宽9.20米，梁高1.90米，上部结构由两个度宽2.80米的箱形截面组成。跨径54.5米的后张预应力混凝土吊床板人行桥。其主索采用总长7150米的芳纶纤维复合力筋(由8条带有垫层的扁平复合材料筋带组成)。3、碳纤维复合材料力筋预应力混凝土桥的研究和应用碳纤维是60年代以来随航天工业等尖端技术对复合材料的苛刻要求而发展起来的新材料，具有强度高、弹性模量高、比重小、耐疲劳和腐蚀，热膨胀系数低等优点。日本Kobe steel, Ltd, Mitsui Construction Co, Ltd和Shinko Wire Co, Ltd共同研制出一种称做CF-FIBRA的编织碳纤维复合力筋，已在实际建筑工程中应用。力筋由编织PAN基碳纤维纱线浸渍环氧树脂而成，纤维体积含量为72%。静力拉伸试验表明，CF-FIBRA抗拉强度为1960MPa，拉伸弹性模量为225GPa(等于或略高于钢丝的值)，容重为1.58g/cm2，其延伸量只为钢的八分之一。疲劳拉伸试验表明，CF-FIBRA的抗拉疲劳极限为1174MPa，为钢丝疲劳极限415MPa的近三倍。日本Saitama大学和东京绳索株式会社开发出一种称为CFCC的碳纤维复合力筋，它由搓捻的高强连续碳纤维浸渍树脂而成。他们已采用CFCC修建一座跨径7米的预应力混凝土工型梁桥-Shingu桥。德国1991年在路德维希港建成一座采用CFRP筋束施加部分预应力的全长80米的预应力混凝土桥梁。筋束制作程序是，把碳纤维束浸渍环氧树脂，拧成直径12.5毫米的索，再把19股索挤成预应力力筋。其碳纤维的比重只为钢的1/5，但价格为钢的7倍。(三)碳纤维复合材料索在斜拉桥拉索中的应用鉴于过去20多年中桥梁拉索和吊索的锈蚀损害状况日趋严重，迫切需要提高其抗疲劳和抗腐蚀能力。碳纤维增强塑料(CFRP)制成的平行丝束，具有耐腐蚀、高强、弹性模量与钢相近和抗疲劳性能好等优点，是制作斜拉索和吊索的理想材料。瑞士联邦材料试验研究所(EMPA)用其作为瑞士Winterthern Storchenbrucke桥的斜拉索。该桥于1996年建成，是63+61米的单塔斜拉组合加劲梁桥，桥塔为A型，高38米。该桥使用了两根碳纤维复合材料拉索，每根拉索由241根(5毫米的CFRP筋束组成，其碳纤维型号为Torayca T700S,强度4900MPa，弹性模量230GPa，破断延伸率2.1%，比重1.8g/cm3，轴向热膨胀系数几近于零。采用拉挤工艺将碳纤维制成CFRP筋束，其纵向抗拉强度为3300MPa，弹性模量165GPa，容重1.56g/cm3，纤维体积含量68%，轴向热膨胀系数0.210-6m/m/。用CFRP束制成的拉索，曾用三倍设计荷载进行1000万次重复荷载试验。在桥上的CFRP拉索和钢拉索，均设有普通传感器和光纤传感器进行应力和变形监测。(四)用纤维复合材料加固桥梁上下部结构士联邦材料试验研究所进行了采用粘贴碳纤维复合材料层合板加固钢筋混凝土结构和桥梁的研究。他们用宽200毫米、厚0.3毫米的碳纤维层合板对跨径2米的小梁作加固，使其承载能力增加一倍，荷载作用下的挠度减半。另一根跨径7米的梁，采用三条69503001毫米碳纤维层合板加固后，极限荷载提高22%，裂缝分布细而均匀。此后，瑞士ETH/SIA公司对Oberriet-Meiningen莱茵河桥进行了加固设计，其具体方法是：在桥面板上层将截面高度增加8厘米，先将遭受碳化的混凝土清除掉，然后布设负弯矩钢筋，浇注混凝土；在桥面板底面，采用160条长4.2米，宽80毫米、厚1.2毫米的碳纤维复合材料条带，按75厘米间距对受拉区实行粘贴加固。美国Lehigh大学也进行了一系列的小梁加固效果试验，采用的增强材料包括玻璃纤维、碳纤维和芳纶纤维，基体材料包括环氧树脂和聚丙烯树脂。试验表明，梁在加固后刚度提高17%至99%，极限强度提高40%至97%，裂缝状况也得到改善。美国亚利桑那大学在进行用玻璃纤维复合材料板加固跨径4.5米钢筋混凝土小梁的试验时，预先采用一对千斤顶在梁的两个三分点对称向上加载，使梁的跨中向上拱起5毫米，从而受到“预应力”，然后在梁的下缘粘贴复合材料板。用这种方式加固的梁，其承载能力增加了三倍多。美国加利福尼亚大学(圣迭戈)在洛杉矶Glendale高速公路的一座桥梁上，采用玻璃纤维外壳粘结和包裹其圆柱形桥墩，以提高其抗地震能力。他们还采用碳纤维浸渍带加固圆柱形桥墩，拱桥的拱肋和拱上立柱等。(五)纯纤维复合材料桥梁和纤维复合材料�混凝土组合桥梁目前，国外已建成纯纤维复合材料桥梁10座，其中公路桥梁2座，人行桥8座。1970年英国在利物浦修建一座跨径10米，宽1.5米的连续梁人行桥。1972年以色列在特拉维夫修建一座跨径24米、宽1.8米的跨铁路线简支梁人行桥，采用预应力钢筋张拉玻璃纤维复合材料箱梁。1976年美国在弗吉尼亚修建跨径4.9米、宽2.1米、高0.46米的简支桁架玻璃纤维复合材料人行桥。1982年是纤维复合材料桥梁发展的里程碑。我国在北京密云建成跨径20.7米、宽9.2米玻璃纤维复合材料简支箱梁公路桥(本文将另有叙述)，同年保加利亚在索非亚建成跨径12米、宽8米的玻璃纤维复合材料简支梁公路桥，美国建成跨径32.3米简支桁架公路桥。该桥由碳纤维复合材料和玻璃纤维复合材料两种材料制成。1989年，日本在千叶县建成跨径8米，宽2.5米的碳纤维复合材料人行桥。纤维复合材料桥梁的实践，不仅证实了采用这种新材料制作桥梁的可行性，而且还提供了10-28年的长期观测结果，证明了复合材料具有相当的耐久性。实践也表明，完全采用纤维复合材料制作桥梁上部结构，其承载能力受结构刚度和局部屈曲控制，使复合材料抗拉强度高的优势难于发挥。但若采用复合材料与混凝土建造组合式桥梁，则能取得十分理想的技术经济效果。在总结和吸收各国应用经验(特别是我国北京密云桥的经验)的基础上，美国加利福尼亚大学(圣迭戈)科研组认为，由于先进复合材料的价格比传统的材料贵很多，完全采用该种材料的结构缺乏竞争能力。正确的思路应当是充分发挥先进复合材料受拉强度高和混凝土材料受压强度高的优点，用其组成具有重大技术经济潜力的组合结构。他们基于这种构思，创造出一种称作“先进复合材料斜拉桥系统”的结构，其桥塔采用碳纤维(或碳纤维-玻璃纤维混合材料)复合材料预制管内填混凝土，预制管具有混凝土外模板和塔柱配筋双重作用。管壳内壁设有肋条，以增强与混凝土的连结。斜拉桥的加劲梁也采用复合材料预制管混凝土。在美国联邦公路总署和加州交通厅支持下，他们已完成这种桥梁体系的初步设计。 四、国内研究和应用情况我国玻璃纤维工业起步之初，1960年交通部科学研究院就与河北、新疆和西藏等省(自治区)交通部门合作，从事用玻璃纤维束取代受力钢筋修建混凝土桥梁的探索，进行了配置玻璃纤维主筋的小梁试验。小梁为819厘米矩形截面，下部配置55厘米水泥浆粘结玻璃纤维芯棒一根，保护层厚1.5厘米，配筋率2.3%。梁的跨径分120厘米(梁长140厘米)和220厘米(梁长240厘米)两种。该院还与北京市政二公司合作，于1961年在北京市石景山路修建一座跨径4米、宽50米的混凝土板式公路桥梁，上部结构由50块宽1米的混凝土板组成，每块板内配置16根水泥浆粘结玻璃纤维芯棒。上述小梁试验和板桥通车5年的实践表明，配置玻璃纤维芯桥的混凝土结构，具有良好的短期强度。该桥因修建地下铁道而于1966年拆除，小梁长期荷载试验也于同年被迫停止。笔者曾参加此项研究工作。由于芯棒采用强度不很高的有碱玻璃纤维，并采用水泥浆作粘结剂，水泥中的碱易使纤维受腐蚀而脆化，这种结构的长期强度是会有问题的。七十年代末期，我国玻璃纤维增强塑料(俗称玻璃钢)技术水平有显著提高，交通部公路科学研究所着手玻璃钢公路桥梁的研究，于1982年在北京密云建成一座跨径20.7米、宽9.2米的全玻璃钢蜂窝箱梁公路桥。设计荷载为汽车-15级，挂车-80。桥梁现场荷载试验表明，玻璃钢这类复合材料可以制作承重结构。该桥通车后，出现了桥面下陷和箱梁腹板上方局部压屈等问题。笔者曾担任指导该课题工作的桥梁专业组组长，从充分发挥复合材料重量轻、抗拉强度高和混凝土材料价格便宜、抗压强度高的优点出发，曾主张开发两种材料的组合结构，并建议按此思路对试验桥进行改造。1987年将主体承重结构改为钢筋混凝土桥面板一玻璃钢箱梁组合结构后，情况显著改善，通车迄今已达11年，结构状况仍良好。实践表明，发展组合结构体系的构思是正确的。继交通部公路科学研究所之后，重庆交通学院也进行了玻璃钢人行桥的研究，并修建试验桥多座。安徽省公路管理局和科研所正着手进行复合材料力筋预应力混凝土桥梁的研究。上述事实说明，我国在应用复合材料建桥方面进行了勇敢的探索，并已取得十分有价值的成果。五、发展前景和建议从二十八年来复合材料在桥梁中应用的情况看，可以认为：1.复合材料在桥梁和承重结构中的应用不仅是可行的，而且具有广阔的发展前景。桥梁的技术进步总是和建桥材料的技术进步紧密相关的。复合材料所具有轻质、高强和耐腐蚀等特性，是其具有发展前景的基本条件。可以预计，在21世纪，随着复合材料的大规模生产以及生产成本的下降，其在桥梁领域的应用范围将逐步扩大。如果说20世纪是以钢铁和水泥为主要建桥材料的时代，那么21世纪将有可能成为复合材料逐步取代钢铁建桥的时代。2. 采用复合材料筋束做预应力混凝土桥梁的力筋，或做斜拉桥的拉索(或吊拉组合结构中的部分吊索)，最能发挥其优良特性，应当作为复合材料在桥梁中应用的重点。3在旧桥加固领域使用复合材料，所需费用不高，效果却可观，是值得首先推广应用的领域。4复合材料在桥梁梁体和柱体(含拱肋)中的应用，宜采用复合材料�混凝土组合结构，以便充分发挥两种材料的优点，降低成本。北京密云公路桥已有成功先例。美国加利福尼亚大学提出的“先进复合材料斜拉桥系统”，也体现了这种构思。只有超长跨径的桥梁，对减轻自重有特殊要求，其上部结构可全部采用复合材料，但要对桥面结构做特殊研究。