新型GFR组合桥梁的应用与发展

新型GFRP组合桥梁的应用与发展

李建中教授同济大学桥梁工程系内容介绍一、FRP－GFRP材料的特性及在桥梁中的应用二、新型GFRP组合桥梁的型式三、新型GFRP组合桥梁的实际应用四、GFRP组合桥梁今后的发展方向一、FRP材料的特性及在桥梁中的应用纤维增强材料(FiberReinforcedPlastics，简称FRP)，是以非金属纤维(如玻璃纤维GFRP、芳纶纤维AFRP和碳纤维CFRP等)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。从80年代FRP开始在土木工程中应用以来，它就以其优越的性能开始赢得土木工程师的青睐。现在，FRP材料在桥梁中的应用也越来越得到人们的重视。1FRP－GFRP材料的特性重量轻，且仅有约20%的砼板重阻尼减振性好抵抗疲劳和腐蚀性能好可快速安装，从而减少了施工时间和劳动力成本各向异性应力应变关系直至破断均呈线性比强度高FRP的主要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材料的形式FRP材料的产品FRP片材FRP布板材FRP棒材FRP索FRP筋FRP拉挤型材FRP模压型材型材

FRP布由连续长纤维编织而成，通常是单向纤维布，且使用前不浸润树脂，施工时用树脂浸润粘贴。FRP片材FRP棒材FRP索：将连续的长纤维单向编织，形成绳索状的制品，再用树脂浸润固化而成。FRP筋：采用拉挤工艺生产，在表面进行处理可以带肋也可以不带肋，既可以在混凝土中代替钢筋，也可以作为预应力筋。FRP拉挤型材

FRP拉挤型材将纤维束或纤维织物通过纱架连续喂入，经过一个树脂胶槽将纤维浸渍，再穿过热成型模具后进入拉引机构，形成连续的FRP制品，拉挤工艺可以生产出截面形状复杂的连续型材，型材可以直接作为结构构件，也可以与其他材料组合。

模压工艺是将预浸树脂的纤维或织物，干燥后放入金属模具中进行加温加压固化而成型。既可以是长纤维，也可以是短切纤维或纤维织物。此种型材尺寸准确、表面光洁、质量稳定，通常在平面内呈现为各向同性。FRP模压型材

手糊成型是指在室温低压或无压下用树脂将纤维或织物粘接成型的方法，以前都是人工操作完成，因此称为手糊。此法可生产出形状复杂、纤维铺陈方向随意、大尺寸的FRP产品，但质量不易稳定。手糊FRP产品用复合材料筋代替普通钢筋（棒材）用复合材料作预应力混凝土结构的力筋（棒材）将碳纤维复合材料索用在斜拉桥拉索中（棒材）用纤维复合材料加固桥梁的上下部结构（片材）纤维复合材料－混凝土组合桥梁（型材）全纤维复合材料桥梁（型材）返回3FRP在桥梁工程中的应用二、新型GFRP组合桥梁的型式1拉挤成型组合桥面板GFRP组合桥梁桥面板拉挤成型组合桥面板蜂窝夹层组合桥面板主梁全FRP结构1拉挤成型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

此类系统又叫六边形或H型桥面板，它是由西弗利亚大学（WUV）和美国陆军建筑工程研究室（USACERL）联合开发和测试的。这种新的型材既可被用作单个的梁单元也可组装起来产生正交异性的桥面板。

Superdeck系统横截面 Superdeck系统实物照片

试验研究

西弗利亚大学（WUV）对这种截面所进行的静力和疲劳测试结果表明竖向刚度在2,000,000次疲劳加载后无明显退化，疲劳周数和静力挠度无明显相关关系且对桥面的极限强度几乎无影响。疲劳加载前后的极限破坏荷载都大大超过了AASHTO规范的HS20（71.1KN）和HS25(88.9KN)活载。即使是HS25活载，该系统的极限强度安全系数也超过了6，且静力挠度满足了L/500的挠度需求。

H型桥面的疲劳测试H型桥面的破坏荷载测试

DuraSpan系统是由总部在北卡罗来那州的Raleigh的MartinMarietta复合材料公司于1992年开发并由Creative拉挤公司生产的。目前有两种Duraspan系统，均可承受AASHTOHS25活载。其具体尺寸为2)DuraSpan系统桥面连接形式这种桥面可安装在钢、砼和全复合材料的纵梁上，因此相应的连接也有好几种方式。但大部分的桥面采用了传统的剪力键或蹬筋连接以利用其与纵梁的组合弯曲作用。此类板梁连接已经进行了水平剪切和横向弯曲的静力和疲劳测试，效果良好。与钢纵梁的连接

与砼纵梁的连接

试验研摇究美国艺加州偿大学牧圣地贤亚哥错分校绳的学兴者对岭该产辜品进蚂行了窗疲劳昨测试缺、静禾力刚赶度测岸试、皆振动冰测试声和静阔载破诉坏测歇试。夕除此结之外案，特若拉华孩大学(Un除ive坏rsi桌ty桃of霜Del另awa泥re)也对袄此种浙桥面雅及其罢由此邮组成察的上挪部结花构进委行了滑广泛略的测免试。唇测试面包括若有以西下五其个方律面：a层状拦试件寨的拉聚压测廊试；b桥面备接头老的静落力、纹疲劳元和耐泥久性侍测试渠；c桥面葵和纵轧梁连趁接的旱静力潜和疲雄劳测慌试；d铺装层哲的耐久滑性测试庙；e桥面本欣身的静策力和疲裳劳测试莲等。桥面的围静力测发试桥面的铅疲劳测攀试桥面戒的局茎部疲罩劳测惭试3)冠E改Z厨Sp租an系统EZ秤S皮pa斑n系统提是AR筒C（At友la焰nt恼ic览R怒es化ea色rc伪h益Co用rp萄.）和否佐治预亚理迹工学呈院（Geo浆rgi冈aI叹nst停itu殃te料of星Tec且hno半log牵y）19扣99年开发话的一种GF巾RP桥面板圆。9英寸纲厚的态面板纪由手就糊的半上下汉两层晚面板牛和拉饮挤成壮型的僻三角遮形构股架芯喘管胶迎结组圾成。铁每个充等边妻三角济形构敬架芯摸管边弯长约8英寸，善用ARC生产的篮浸润聚泪乙烯树拍脂的三农向编织狗无碱玻范璃纤维荷拉挤而幼成，该宅编织纤叫维贯穿父整个厚廉度范围翼，可提伴供优异盛的耐久宾性能，忧如将其窜切开成泳平面织姻物片时零宽约28英寸纯。而只面板童则由钳浸润和聚乙匹烯树恨脂的仗编结近无碱昂玻璃瓣纤维吩手糊握而成。4)St练ro画ng奸we猫ll系统从199揪8年春援天开茧始，Vir咸gin附ia榆Tec去h和St颠ro狂ng乒we染ll公司开句发和测特试了Str虽ong浪wel豆l系统策。此告类GFR轨P桥面板量也是完赢全采用主拉挤型父材粘贴喷而成的械。所不名同的是辈，它由GFR员P拉挤爪方管待和平突板粘葬结组千成。陕整个俩系统架的厚该度可录因方蔑管的吉尺寸申变化景而变端化，舱范围杏从12沸0.再7m痒m变化驶到20旅3.合3m许m，自重匀为(9皮0-沙11贿7K乡丰g/凑m2计)，见煎下图月。St袭ro训ng严we徐ll系统截雷面6英寸拉存挤方管断连续股玻璃纤浩维垫水玻璃魔纤维粗员纱试验研脸究Vir控gin俩ia情Tec期h对此类两面板作介了大量幅的荷载简测试以砍验证其病可行性愿。测试候的桥面栋板为3跨1.2米（交通抱方向）名，宽4.2米，厚120毫米，由拉肤挤方管进和上下导面板组舟成。方浮管用环沃氧树脂孔胶结并信用间距0.3米，穿过管殃壁的玻乌璃纤维责杆连接横起来，赤而管和概板间也家用环氧足树脂胶光结。全壁板支承屋在1.2米间距的4根W1弓6×昏40的钢梁罪上，加鼓载板为0.妄3×挪0.黄5米并放访在氯丁眠橡胶上削。测试萄包括强洒度测试掉，刚度循测试和怨强度测循试完成边后的疲狡劳测试静三个方奥面，其盒截面形镜式和测赖试设置搅见下图循。测试St惜ro败ng晴we猫ll系统断唐面Str刮onw跑ell系统桥舒面板的岛实验室艳测试5)痛Ass财et系统As柏se牢t系统截猜面是由Mou虏che杜l(英国)，Fib缩慧erl难ine(丹麦)，KTH读(瑞典)，IET棚CC(西班找牙)，Sk山an构sk衡a(瑞典)，HI汁M墨(荷兰)和Ox里fo侧rd疲sh苏ir烂eCou担nty屠Co朋unc饺il(英国)等七个京单位组角成的合览作体共篮同研发躁的。As份se闻t系统截幕面是基志于英国BS5读400规范们中HA和HB类荷载艘取2米的懒跨度缩慧和40吨的荷孔载来设盖计的。接另外，妹截面的围高度和做尺寸均悉要满足酿适于拉捡挤成型具的方便腾及与现魔存桥梁魄具有相屋容性。叮最终采尤用的截乞面高度岂为225毫米龙，宽红度包铸括搭腰接接础头为52历1毫米掘，并迹采用易无碱幅玻璃杨纤维受浸异洁酞聚柳合树宋脂拉服挤成镰型，克如下仆图。试验研剧究对As勾se介t系统惕进行堤的实违验包妖括小罢比例鲁和大霜比例罢的测毒试。瓶在瑞啄典KT膊H进行的透小比例伶测试提错供了各捎种层状洒纤维敷峡设方式巷的力学叔属性。猪测试出奖来的性艳质包括雷了拉、评压及剪外切的强赛度及模惕量。同盏时，还物对完全辨浸润的GF棋RP复合材胀料板进蜻行了小孝比例的捏耐久性加测试。大比例泛的测试旗则在西爷班牙的IET姑CC进行锁，其秩测试饲项目碍包括获静力窝弯曲拐和剪茶切、罩疲劳场（10,株000黎,00庸0次）、版蠕变，详冲击等昌。通过披以上测蚕试表明As艰se蜂t截面的罩实际结桐构行为围与设计姨一致，老挠跨比撞小于1/3抄00且静力稼破坏模都式主要免是支承枕附近的纳腹板底担部的剪赛切破坏配。Ass痕et系统桥桑面板的除实验室督测试6)蛾A效CC忘S系统ACC驶S（Adv府anc夸ed必Com棵pos林ite哈sC唯ons数tru档cti泊on廉Sys京tem）系伟统又劳叫COM腊POS嘉OLI清TETM系统,是一交种先四进的下复合该材料弃建筑望板，光可用掠作主正要承姜载构掩件。熔其模斯块化箭的建王筑系州统由弱一些户用拉胁挤法肢生产惰的互余锁FR百P构件所岭组成。其主要哄受力构庭件是有虾开口肋挥的面板运，公称秆尺寸为76.凳2mm厚60窄9.离6m扔m宽，她此面河板可予以用劝三向来连接广器，450连接区器，音栓钉敏（to冻gg谅le）或财挂钩(ha裂nge质r)等五悼种互窜锁的找拉挤FRP构件培连接违起来比，见抬图。捐主要享构件划和连颤接构双件的监尺寸净见下正页图易。主要有明美国的KSC芝I(K吹ans绑asSt崭ru灯ct永ur中al懒C估om岁po剩si颠te钢s,获I刮nc宅.)系统、Har窄dco抵re系统错和加委拿大墙的纤粘维缠颜绕三功角管季系统象等。(a)抗(b)蜂窝沙夹层艘组合绵面板（a）Ha趟rd荐co康re（b）KS坑CI2蜂窝缴夹层帝组合妄桥面撤板1)Ha射rd鸡co拥re系统特拉华段的Ha特rd谨co建re公司呈制造狂的Ha泉rd底co揭re桥面敏系统破由上唐下表粥层的卖蒙皮蛾加上滋中间妙的多谜重缠和绕加鸣劲腹喇板所至构成拴。制环造方映法是呼真空转辅助亲树脂胳浸渍艰模塑旁成型咱工艺(See民manCo扶mp旁os扇it京e励Re耀si请n遍In拉fu宣si贝on么M洋ol旦di乒ngPro域ces趴s(S驰CRI享MP))。这种桥券面的主衰要特点衔有：重星量轻，贞低恒载泥从而增民大活载帮承受能擦力，无雕需更换线下部结两构和基彼础就可顿更换和盟扩宽桥质面，易格于运输哗制造和贪安装，煎设计荷钻载可达HS2赔5，挠度明标准达停到L/8习00，2,0莫00,毫000次疲姑劳测染试能辣力优选异，拐耐久言性良礼好，阀具高宿的抗策腐蚀才性，婚不受罚恶劣箩天气稿影响籍，不耀透水艳，无麦破碎篮、生光锈及贯腐烂伸的缺绵点，商而且欺全年穗均可血施工猎。Har归dco击re系统所充采用的FRP材料为健缝制的寇无碱玻稀璃纤维痕织物加府乙烯基晓树脂，习玻璃纤隙维织物查被认为富在平面内内各向抄同性，确其主要迎力学性贵能如表:2)助KSC笔I系统Kan雄sas结构复虹合材料劝公司生浆产的KS询CI系统属汤于蜂窝厘夹层组绍合结构咐，制造歌方法是既采用多功向铺陈燥的GF同RP夹心板笼接触低殖压成型记法生产秧成型。荷此组合探结构由跪厚2.2业9毫米（0.命09英寸）系的波纹宏形片材厌加平面尿片材组撇成单胞刺尺寸50.牙8×1暖01.岔6毫米胜的蜂拘心，湾蜂心横单元木均是见由聚勇脂薄扫膜接骡触模刮压形搂成。逝而表贞面板汉的制免作是糕首先而将玻籍璃纤块维织钱物放体在钢推模中仿，注旷入树怖脂直挥至达境到所吸需厚双度，初再将远蜂心腾湿放怀入面熄板中余，施鹊加真资空以影压紧构并凝花固。由于主足梁有砼代、钢及FR孔P等几牢种型隐式，滔相应解的组坏合型拐式也珍有：GFR放P桥面与舞砼纵梁浩相组合GFR导P桥面沈与钢灵纵梁朱相组饰合GF诉RP桥面与FR提P纵梁偶相组章合3与主钥梁的楼组合义型式返回三、新型GF誉RP组合桥拿梁在实酷际中的渡应用新型GF滨RP组合桥件梁1人行叉桥人行桥(全FR拢P结构)车行业桥(组合FR冶P结构)200暖1年10月，李在西际班牙Ll肠ei当da市以佳南3KM处，修觉建了一悦座穿过腊一条公路铅，一条翠铁路和茫新计划仪的马德汪里和巴壤塞罗那张间的一煎条高速铁路据的人磁行桥樱。桥拳式是炎全GF连RP拉挤成仗型的型酿材修建诞的桁架罢。跨度38米，矢牲高6.2米。（衫矢跨比散大约为6），轮宽3m。桥受总重齿约为19吨。地这座狗桥是街世界躁上用伸玻璃汉纤维旁材料乳修建般的最迫长的盾拱桥法。所有灯的截虹面都肆是使俩用无区碱玻逝璃纤挨维和框机织买复合永衬垫档制作春的，颤玻璃纤夏维的朗最小占含量栏为50％，胶伸结材料搏为异酞敬聚合物选。此桥蜜总体见图。丹麦199闹7年建沸成的Fi腐be派rl膀in坚e宽3.2家m,总长40.忙3m主跨27纵,边跨13索采用10率0m县m10口0mm政GFR卷P棒材,主梁瞧和塔吃采用筋拉基环型材.在英稀国，雨最近这也有争多座柴人行侵桥应篮用了FRP材料菜。其醉中,在康正沃尔郡次近博压德明角市的Ha闭lg篮av六or桥(跨度为47背m的)，用GFRP作为主邻要结构辨材料醋以修撒建跨速越干帐线的瞧桥。激见下腐图。位于兰伙开夏州亭的Rib烘ble路桥兰开夏芝州的Ri顶bb饥le路桥美国从90年代蒙中期愁，开凉始发硬展FR顿P人行东桥，嫌现在士有超浴过60座的主复合材辉料人斜行桥违。典酱型的纠如美国体密苏连里-罗拉券大学200块0年6月在校萝园内设计咽并建造皆的人行恩桥。该采用兵了拉弊挤成景型的FRP管组厦型材界系统，自桥长9.丝式14米，宽2.7丽4米，每瞒根GF亭RP管为76毫米×76毫米昂，厚6.祝35毫米嫁，这春些管密用环鲁氧树腐脂粘极为七沉层并层用螺逃栓将峰顺着喇和垂直于交隶通方向牢的管连蚀成桥面霜板。其樱横截面胃形式是4个沿冷桥纵穗向I型梁。我国波也是泥较早罪开始码研究FR警P桥梁效的国床家之慨一。夕从198坚6年起到19卸93年共用还手糊弦夹层略的桥籍面板郊建造欠了8座复瞎合材寇料混社合式侧人行言桥。2车行桥西维吉裁尼亚大迷学建筑源设备中堆心，西润维吉尼蜜亚交通疑局，美理国陆军纱工程研究实摘验室搬及复扔合材滴料研许究所环修建熟了Su氧pe滚rd盯ec岔k的两呆个样练板工女程，释分别时是199陶7年5月在虎西弗珍吉利慢亚州跪的路柳易丝深镇修痛建的La脚ur勤el尤L砖ic威k桥和199慨7年7月到8月在仇泰勒翁镇修迎建的Wic蹈kwi幕reRu寇n桥。急第一个男项目更富换了原群来的木桥秒面和坚钢梁道而全田用宽坛翼缘休（工需字形阴）的GF矮RP梁及桥东面系统良。桥面案用的的Cre盈ati鸽ve拉挤公撒司生产扶的具有触垂直于祝交通方诞向的六圾边形和狱双梯形管截面拨的Su五pe潮rd拿ec卡k系统枝。桥凯面全字长6.射1米，狠宽4.8丈8米，震并支罢承在闯六根6.稀1米长间厦距0.零76米的GF愈RP宽翼缘蹄（工字恼形）梁跳上。第二江座桥椅是西座维吉坐尼亚呈州泰栗勒县秆的Wic凯kwi驴reRu棕n桥。它尼于199愧7年8月修建新。应用钩了相同馅的桥面桶板系统邮。但此醒系统由4根间距1.8隶3米的泊钢纵洽梁支暖承。固此桥逐长9.1块4米，宽6.忌61米，遮见图爆。主梁贩采用FRP的桥式200缺0年在加营州Ri鄙ve诉rs拴id懂e县的Kin丙g’sSto轨rmw蹦ate挖r建设掘航道稼桥。跨此桥为恭两跨10.连06米的楼连续捧梁桥刚，13.番41米宽，投由六块乔桥面板已组成，用了19毫米的唐聚合物闷胶结砼倡面层。孩该桥上示部结构逆高度要馆求很低厕，故采用腿了梁版板组解合的那桥面累板系讽统构盖成。升上部啦结构德的总在高（汪包括19m哗m的覆盖事层）券为562嚷mm。其中伟梁高36翅2m片m，板舌厚181多mm。纵梁秀为线绕艘碳－环氧评树脂钥管内畏填轻我质砼(C锄SS勾)。加州合大学为圣地思亚哥默分校抛还设乎计了I－5/匪Gi手lm称an新型复桥合材料源斜拉桥(下页图)。此座137颈.2米的纽奉斜拉美双线严公路卡桥计坟划在Gil先man车道处挎越过州筑际5号公而路。通位于跌加州泼大学淹圣地贿亚哥示分校笔校园概内。用复合索材料修吉建，用描来验证CS夫S(碳纤维柏管内填苗砼系统)和HTS晃(混合婚管梁系统)概念比在基尊础设弱施中软应用奋的有辛效性踪蝶。此态桥桥鉴塔为昌一高57.刑9米的切偏心A型框架府，是一役扇形双扣索面斜柏拉桥。似上部结行构总宽墓约18温.3米，高杜约1.围45米。由横向角玻璃纤扯维和碳敏纤维加男强的横闸梁连接福两个环扑形碳－交环氧树衡脂管并内填世砼的怠纵梁叔并支码撑聚犁丙烯黎纤维跪加强竖的砼寒桥面吸板从裳而共茅同构出成上详部结构。在渗环形碳皂－环氧爪树脂管迎内有横脏向肋以裤传递管币与内填叹砼之间砌的所有力。茂这个碌概念瓦对柱英和梁届均适基应。没环形洲碳－动环氧志树脂肥管内服填普权通砼雕可以提供化三个粱功能珠：稳搞定碳颜－环闸氧树眯脂管丹；帮偶助构毅件承绑受拉盏绳的觉压应得力；为索的坛锚具提霉供锚定漠。管和录桥面板稀的连接樱是通过膏剪力键类实现的瓶。上部结构妥的横究向梁端用