新型GFRP组合桥梁的应用与发展（PPT,共72）

新型GFRP组合桥桥梁的的应用用与发发展李建中教教授同济大大学桥桥梁工工程系系内容介介绍一、FRP－GFRP材料的的特性及在桥桥梁中中的应应用二、新型GFRP组合桥桥梁的的型式式三、新型GFRP组合桥桥梁的的实际际应用用四、GFRP组合桥桥梁今今后的的发展展方向向一、FRP材料的的特性性及在在桥梁中中的应应用纤维增增强材材料(FiberReinforcedPlastics，简称FRP)，是以非非金属属纤维(如玻璃璃纤维维GFRP、芳纶纶纤维维AFRP和碳纤纤维CFRP等)作增强强材料，以以树脂脂(如不饱饱和聚聚酯树树脂、、环氧氧树脂脂和乙乙烯基基酯树树脂)作基体体材料的的复合合材料料。从80年代FRP开始在土土木工程程中应用用以来，，它就以以其优越越的性能能开始赢得土土木工程程师的青青睐。现现在，FRP材料在桥桥梁中的的应用也也越来越得到人人们的重重视。1FRP－GFRP材料的特特性重量轻，，且仅有有约20%的砼板重重阻尼减振振性好抵抗疲劳劳和腐蚀蚀性能好好可快速安安装，从从而减少少了施工工时间和和劳动力力成本各向异性性应力应变变关系直直至破断断均呈线线性比强度高高FRP的主要特特性性能碳纤维纺纶纤维玻璃纤维钢筋屈服强度(MPa)240～340极限强度(MPa)441028402350380～520弹性模量(GPa)23010969200～210延伸率1.92.44.016比重1.81.452.547.82FRP材料的形形式FRP材料的产产品FRP片材FRP布板材FRP棒材FRP索FRP筋FRP拉挤型材材FRP模压型材材型材FRP布由连续续长纤维维编织而而成，通通常是单单向纤维维布，且且使用前前不浸润润树脂，，施工时时用树脂脂浸润粘粘贴。FRP片材FRP棒材FRP索：将连续的的长纤维维单向编编织，形形成绳索索状的制制品，再再用树脂脂浸润固化化而成。。FRP筋：采用拉挤挤工艺生生产，在在表面进进行处理理可以带带肋也可可以不带带肋，既可可以在混混凝土中中代替钢钢筋，也也可以作作为预应应力筋。。FRP拉挤型材材FRP拉挤型材材将纤维维束或纤纤维织物物通过纱纱架连续续喂入，，经过一一个树脂脂胶槽将将纤维浸浸渍，再再穿过热热成型模模具后进进入拉引引机构，，形成连连续的FRP制品，拉拉挤工艺艺可以生生产出截截面形状状复杂的的连续型型材，型型材可以以直接作作为结构构构件，，也可以以与其他他材料组组合。模压工艺艺是将预预浸树脂脂的纤维维或织物物，干燥燥后放入入金属模模具中进进行加温温加压固固化而成成型。既既可以是是长纤维维，也可可以是短短切纤维维或纤维维织物。。此种型型材尺寸寸准确、、表面光光洁、质质量稳定定，通常常在平面面内呈现现为各向向同性。。FRP模压型材材手糊成型型是指在在室温低低压或无无压下用用树脂将将纤维或或织物粘粘接成型型的方法法，以前前都是人人工操作作完成，，因此称称为手糊糊。此法法可生产产出形状状复杂、、纤维铺铺陈方向向随意、、大尺寸寸的FRP产品，但但质量不不易稳定定。手糊FRP产品用复合材材料筋代代替普通通钢筋（（棒材））用复合材材料作预预应力混混凝土结结构的力力筋（棒棒材）将碳纤维维复合材材料索用用在斜拉拉桥拉索索中（棒棒材）用纤维复复合材料料加固桥桥梁的上上下部结结构（片片材））纤维复合合材料－－混凝土土组合桥桥梁（型型材）全纤维复复合材料料桥梁（（型材））返回3FRP在桥梁工工程中的的应用二、新型GFRP组合桥梁梁的型式式1拉挤成型型组合桥桥面板GFRP组合桥梁梁桥面板拉挤成型型组合桥桥面板蜂窝夹层层组合桥桥面板主梁全FRP结构1拉挤成型型GFRP桥面板e)Asset系统f)ACCS系统主要拉挤成型桥面型式a)Superdeck系统b)DuraSpan系统c)EZSpan系统d)Strongwell系统Superdeck系统此类系统统又叫六六边形或或H型桥面板板，它是是由西弗弗利亚大大学（WUV）和美国陆军建建筑工程程研究室室（USACERL）联合开开发和测测试的。。这种新新的型材材既可被用作作单个的的梁单元元也可组组装起来来产生正正交异性性的桥面面板。Superdeck系统横截截面Superdeck系统实物物照片试验研究究西弗利亚亚大学（（WUV）对这种种截面所所进行的的静力和和疲劳测测试结果果表明竖竖向刚度度在2,000,000次疲劳加加载后无无明显退退化，疲疲劳周数数和静力力挠度无无明显相相关关系系且对桥桥面的极极限强度度几乎无无影响。。疲劳加加载前后后的极限限破坏荷荷载都大大大超过过了AASHTO规范的HS20（71.1KN）和HS25(88.9KN)活载。即即使是HS25活载，该该系统的的极限强强度安全全系数也也超过了6，且静力力挠度满满足了L/500的挠度需需求。H型桥面的的疲劳测测试H型桥面的的破坏荷荷载测试试DuraSpan系统是由由总部在在北卡罗罗来那州州的Raleigh的MartinMarietta复合材料料公司于于1992年开发并并由Creative拉挤公司司生产的的。目前前有两种种Duraspan系统，均均可承受受AASHTOHS25活载。其其具体尺尺寸为2)DuraSpan系统桥面连接接形式这种桥面面可安装装在钢、、砼和全全复合材材料的纵纵梁上，，因此相相应的连连接也有有好几种种方式。。但大部部分的桥桥面采用用了传统统的剪力力键或蹬蹬筋连接接以利用用其与纵纵梁的组组合弯曲曲作用。。此类板板梁连接接已经进进行了水水平剪切切和横向向弯曲的的静力和和疲劳测测试，效效果良好好。与钢纵梁梁的连接接与砼纵梁梁的连接接试验研究究美国加州州大学圣圣地亚哥哥分校的的学者对对该产品品进行了了疲劳测测试、静静力刚度度测试、、振动测测试和静静载破坏坏测试。。除此之之外，特特拉华大大学(UniversityofDelaware)也对此种种桥面及及其由此此组成的的上部结结构进行行了广泛泛的测试试。测试试包括有有以下五五个方面面：a层状试件件的拉压压测试；；b桥面接头头的静力力、疲劳劳和耐久久性测试试；c桥面和纵纵梁连接接的静力力和疲劳劳测试；；d铺装层的的耐久性性测试；；e桥面本身身的静力力和疲劳劳测试等等。桥面的静静力测试试桥面的疲疲劳测试试桥面的局局部疲劳劳测试3)EZSpan系统EZSpan系统是ARC（AtlanticResearchCorp.）和佐治治亚理工工学院（（GeorgiaInstituteofTechnology）1999年开发的的一种GFRP桥面板。。9英寸厚的的面板由由手糊的的上下两两层面板板和拉挤挤成型的的三角形形构架芯芯管胶结结组成。。每个等等边三角角形构架架芯管边边长约8英寸，用用ARC生产的浸浸润聚乙乙烯树脂脂的三向向编织无无碱玻璃璃纤维拉拉挤而成成，该编编织纤维维贯穿整整个厚度度范围，，可提供供优异的的耐久性性能，如如将其切切开成平平面织物物片时宽宽约28英寸。而而面板则则由浸润润聚乙烯烯树脂的的编结无无碱玻璃璃纤维手手糊而成。4)Strongwell系统从1998年春天开开始，VirginiaTech和Strongwell公司开发发和测试试了Strongwell系统。此此类GFRP桥面板也也是完全全采用拉拉挤型材材粘贴而而成的。。所不同同的是，，它由GFRP拉挤方管管和平板板粘结组组成。整整个系统统的厚度度可因方方管的尺尺寸变化化而变化化，范围围从120.7mm变化到203.3mm，自重为为(90-117Kg/m2)，见下图图。Strongwell系统截面面6英寸拉挤挤方管连连续玻玻璃纤维维垫玻玻璃纤纤维粗纱纱试验研究究VirginiaTech对此类面面板作了了大量的的荷载测测试以验验证其可可行性。。测试的的桥面板板为3跨1.2米（交通方方向），，宽4.2米，厚120毫米，由拉挤挤方管和和上下面面板组成成。方管管用环氧氧树脂胶胶结并用用间距0.3米，穿过管壁壁的玻璃璃纤维杆杆连接起起来，而而管和板板间也用用环氧树树脂胶结结。全板板支承在在1.2米间距的4根W16××40的钢梁上上，加载载板为0.3××0.5米并放在在氯丁橡橡胶上。。测试包包括强度度测试，，刚度测测试和强强度测试试完成后后的疲劳劳测试三三个方面面，其截截面形式式和测试试设置见见下图。。测试Strongwell系统断面面Stronwell系统桥面面板的实实验室测测试5)Asset系统Asset系统截面面是由Mouchel(英国)，Fiberline(丹麦)，KTH(瑞典)，IETCC(西班牙)，Skanska(瑞典)，HIM(荷兰)和OxfordshireCountyCouncil(英国)等七个单单位组成成的合作作体共同同研发的的。Asset系统截面面是基于于英国BS5400规范中HA和HB类荷载取取2米的跨度度和40吨的荷载载来设计计的。另另外，截截面的高高度和尺尺寸均要要满足适适于拉挤挤成型的的方便及及与现存存桥梁具具有相容容性。最最终采用用的截面面高度为为225毫米，宽宽度包括括搭接接接头为521毫米，并并采用无无碱玻璃璃纤维浸浸异酞聚聚合树脂脂拉挤成成型，如如下图。。试验研究究对Asset系统进行行的实验验包括小小比例和和大比例例的测试试。在瑞瑞典KTH进行的小小比例测测试提供供了各种种层状纤纤维敷设设方式的的力学属属性。测测试出来来的性质质包括了了拉、压压及剪切切的强度度及模量量。同时时，还对对完全浸浸润的GFRP复合材料料板进行行了小比比例的耐耐久性测测试。大比例的的测试则则在西班班牙的IETCC进行，其其测试项项目包括括静力弯弯曲和剪剪切、疲疲劳（10,000,000次）、蠕蠕变，冲冲击等。。通过以以上测试试表明Asset截面的实实际结构构行为与与设计一一致，挠挠跨比小小于1/300且静力破破坏模式式主要是是支承附附近的腹腹板底部部的剪切切破坏。。Asset系统桥面面板的实实验室测测试6)ACCS系统ACCS（AdvancedCompositesConstructionSystem）系统又又叫COMPOSOLITETM系统,是一种先先进的复复合材料料建筑板板，可用用作主要要承载构构件。其其模块化化的建筑筑系统由由一些用用拉挤法法生产的的互锁FRP构件所组组成。其主要受受力构件件是有开开口肋的的面板，，公称尺尺寸为76.2mm厚609.6mm宽，此面面板可以以用三向向连接器器，450连接器，，栓钉（（toggle）或挂钩钩(hanger)等五种互互锁的拉拉挤FRP构件连接接起来，，见图。。主要构构件和连连接构件件的尺寸寸见下页页图。主要有美美国的KSCI(KansasStructuralComposites,Inc.)系统、Hardcore系统和加加拿大的的纤维缠缠绕三角角管系统统等。(a)(b)蜂窝夹层层组合面面板（a）Hardcore（b）KSCI2蜂窝夹层层组合桥桥面板1)Hardcore系统特拉华的的Hardcore公司制造造的Hardcore桥面系统统由上下下表层的的蒙皮加加上中间间的多重重缠绕加加劲腹板板所构成成。制造造方法是是真空辅辅助树脂脂浸渍模模塑成型型工艺(SeemanCompositeResinInfusionMoldingProcess(SCRIMP))。这种桥面面的主要要特点有有：重量量轻，低低恒载从从而增大大活载承承受能力力，无需需更换下下部结构构和基础础就可更更换和扩扩宽桥面面，易于于运输制制造和安安装，设设计荷载载可达HS25，挠度标标准达到到L/800，2,000,000次疲劳测测试能力力优异，，耐久性性良好，，具高的的抗腐蚀蚀性，不不受恶劣劣天气影影响，不不透水，，无破碎碎、生锈锈及腐烂烂的缺点点，而且且全年均均可施工工。Hardcore系统所采采用的FRP材料为缝缝制的无无碱玻璃璃纤维织织物加乙乙烯基树树脂，玻玻璃纤维维织物被被认为在在平面内内各向同同性，其其主要力力学性能能如表:2)KSCI系统Kansas结构复合合材料公公司生产产的KSCI系统属于于蜂窝夹夹层组合合结构，，制造方方法是采采用多向向铺陈的的GFRP夹心板接接触低压压成型法法生产成成型。此此组合结结构由厚厚2.29毫米（0.09英寸）的的波纹形形片材加加平面片片材组成成单胞尺尺寸50.8×101.6毫米的蜂蜂心，蜂蜂心单元元均是由由聚脂薄薄膜接触触模压形形成。而而表面板板的制作作是首先先将玻璃璃纤维织织物放在在钢模中中，注入入树脂直直至达到到所需厚厚度，再再将蜂心心湿放入入面板中中，施加加真空以以压紧并并凝固。。由于主梁梁有砼、、钢及FRP等几种型型式，相相应的组组合型式式也有：：GFRP桥面与砼砼纵梁相相组合GFRP桥面与钢钢纵梁相相组合GFRP桥面与FRP纵梁相组组合3与主梁的的组合型型式返回三、新型GFRP组合桥梁梁在实际际中的应应用新型GFRP组合桥梁梁1人行桥人行桥(全FRP结构)车行桥(组合FRP结构)2001年10月，在西西班牙Lleida市以南3KM处，修建建了一座座穿过一一条公路，，一条铁铁路和新新计划的的马德里里和巴塞塞罗那间间的一条条高速铁路的人人行桥。。桥式是是全GFRP拉挤成型型的型材材修建的的桁架。。跨度38米，矢高高6.2米。（矢矢跨比大大约为6），宽3m。桥总重重约为19吨。这座座桥是世世界上用用玻璃纤纤维材料料修建的的最长的的拱桥。。所有的截截面都是是使用无无碱玻璃璃纤维和和机织复复合衬垫垫制作的的，玻璃纤维维的最最小含含量为为50％，胶胶结材材料为为异酞酞聚合合物。。此桥桥总体体见图。丹麦1997年建成成的Fiberline宽3.2m,总长40.3m主跨27,边跨13索采用100mm100mmGFRP棒材,主梁和塔采采用拉基型型材.在英国，最最近也有多多座人行桥桥应用了FRP材料。其中中,在康沃尔郡近博德德明市的Halgavor桥(跨度为47m的)，用GFRP作为主要结构材料以以修建跨越越干线的桥桥。见下图图。位于兰开夏夏州的Ribble路桥兰开夏州的的Ribble路桥美国从90年代中期，，开始发展展FRP人行桥，现现在有超过过60座的复合材料人行行桥。典型型的如美国密苏里里-罗拉大学2000年6月在校园内设计并建建造的人行行桥。该采用了拉挤挤成型的FRP管组型材系系统，桥长9.14米，宽2.74米，每根GFRP管为76毫米×76毫米，厚6.35毫米，这些些管用环氧氧树脂粘为为七层并用用螺栓将顺顺着和垂直于交通方方向的管连连成桥面板板。其横截截面形式是是4个沿桥纵向向I型梁。我国也是较较早开始研研究FRP桥梁的国家家之一。从从1986年起到1993年共用手糊夹夹层的桥面面板建造了了8座复合材料料混合式人人行桥。2车行桥西维吉尼亚亚大学建筑筑设备中心心，西维吉吉尼亚交通通局，美国国陆军工程程研究实验室及及复合材料料研究所修修建了Superdeck的两个样板板工程，分分别是1997年5月在西弗吉吉利亚州的的路易丝镇镇修建的LaurelLick桥和1997年7月到8月在泰勒镇镇修建的WickwireRun桥。第一一个项目更更换了原来来的木桥面和钢钢梁而全用用宽翼缘（（工字形））的GFRP梁及桥面系系统。桥面面用的的Creative拉挤公司生生产的具有有垂直于交交通方向的的六边形和和双梯形管截面的Superdeck系统。桥面面全长6.1米，宽4.88米，并支承承在六根6.1米长间距0.76米的GFRP宽翼缘（工工字形）梁梁上。第二座桥是是西维吉尼尼亚州泰勒勒县的WickwireRun桥。它于1997年8月修建。应应用了相同同的桥面板板系统。但但此系统由由4根间距1.83米的钢纵梁梁支承。此此桥长9.14米，宽6.61米，见图。。主梁采用用FRP的桥式2000年在加州Riverside县的King’’sStormwater建设航道桥桥。此桥为两跨跨10.06米的连续梁梁桥，13.41米宽，由六六块桥面板板组成，用了19毫米的聚合合物胶结砼砼面层。该该桥上部结结构高度要要求很低，，故采用了梁板板组合的桥桥面板系统统构成。上上部结构的的总高（包包括19mm的覆盖层）为为562mm。其中梁高高362mm，板厚181mm。纵梁为线线绕碳－环氧树脂管管内填轻质质砼(CSS)。加州大学圣圣地亚哥分分校还设计计了I－5/Gilman新型复合材材料斜拉桥桥(下页图)。此座137.2米的斜拉双双线公路桥桥计划在Gilman车道处越过过州际5号公路。位位于加州大大学圣地亚亚哥分校校校园内。用复合材料料修建，用用来验证CSS(碳纤维管内内填砼系统统)和HTS(混合管梁系统)概念在基础础设施中应应用的有效效性。此桥桥桥塔为一一高57.9米的偏心A型框架，是是一扇形双双索面斜拉拉桥。上部部结构总宽宽约18.3米，高约1.45米。由横向玻璃璃纤维和碳碳纤维加强强的横梁连连接两个环环形碳－环环氧树脂管管并内填砼的纵纵梁并支撑撑聚丙烯纤纤维加强的的砼桥面板板从而共同同构成上部部结构。在环形形碳－环氧氧树脂管内内有横向肋肋以传递管管与内填砼砼之间的所所有力。这个概概念对柱和和梁均适应应。环形碳碳－环氧树树脂管内填