作者：劉玉擎 陳艾榮
前言
纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)的生產(chǎn)技術(shù)迅速發(fā)展,材料種類、制品形式不斷更新,使得它在橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用也更加廣泛。FRP材料除了用于舊橋結(jié)構(gòu)的補(bǔ)修加固外,可以直接作為新建橋梁承重構(gòu)件使用,顯示出其較好的應(yīng)用前景[1~2]。
許多國家都嘗試著開發(fā)研究整座橋、或者上部結(jié)構(gòu)全部用FRP材料的橋梁,但是FRP材料造價(jià)較高,在現(xiàn)階段要大規(guī)模的采用還有極大的困難。FRP材料輕質(zhì)高強(qiáng)、又具有良好的耐腐蝕性,將它與鋼材、或與混凝土、或與兩者共同形成組合構(gòu)件,合理加以使用更具有可行性。為此,本文主要從組合結(jié)構(gòu)的角度[3],依據(jù)日本土木學(xué)會結(jié)構(gòu)工程委員會的調(diào)查研究報(bào)告[4],對FRP材料與鋼材、混凝土組合構(gòu)件在橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究成果以及連接技術(shù)加以歸納。
1 FRP材料的連接
FRP材料組合結(jié)構(gòu)是用螺栓、鉚釘、粘著劑等把FRP制品與鋼材、混凝土接合而成,其接合部的設(shè)計(jì)要充分考慮FRP材料特有的性質(zhì),即應(yīng)力集中嚴(yán)重、各向異性、剛度較小等特點(diǎn)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。
1.1粘著連接
粘著連接是指用環(huán)氧樹脂、聚氨酯類等粘著劑接合的連接方法,這是一個(gè)完全受到粘著劑的力學(xué)特性影響的連接方式。粘著連接具有應(yīng)力傳遞順暢、截面欠損少、桿件數(shù)少等優(yōu)點(diǎn),但具有連接施工的質(zhì)量難以保證、重復(fù)組裝困難等缺點(diǎn)。
粘著連接可以分成對接、搭接、嵌接3種形式,如圖1所示。對接連接的接著面積較小,抗拉彎性能較差,為此有時(shí)會使用墊板加強(qiáng)。搭接連接是靠連接層粘合劑的抗剪發(fā)揮作用的,有時(shí)為了改善端部的應(yīng)力集中而采取一些措施。嵌接連接是比較合理的連接方式,但是加工精度要求較高。
1.2栓鉚連接
栓鉚連接是指用螺栓、鉚釘?shù)冗M(jìn)行的連接方法,與粘著連接相比,其構(gòu)件容易組裝和拆卸、耐高溫、連接強(qiáng)度離散度小、抗拉拔能力大,但是穿孔附近的應(yīng)力集中、有效承載面積減少等問題也不容忽視。如圖2所示,栓鉚連接主要有拉伸形式和剪切形式兩種,拉伸連接并不常用,而剪切連接用的比較多,主要有搭接和對接兩種形式。
1.3套管連接
套管連接是指用兩種以上的構(gòu)件、相互插入或咬合的連接方法,主要有內(nèi)插、外套兩種方式,如圖3所示。依據(jù)構(gòu)件所處的位置,又有L形連接、T形連接、十字形連接。無論內(nèi)插還是外套,有時(shí)候構(gòu)件間還需要使用銷釘或粘著劑等進(jìn)一步強(qiáng)化連接性能。這些連接形式大都處于開發(fā)研究中,特別需要對徐變的影響、疲勞問題等事項(xiàng)作進(jìn)一步探討。
1.4膨脹連接
膨脹連接是指使用以CaO為主要成分的水泥基材料填充到管材構(gòu)件內(nèi),膨脹被約束后而產(chǎn)生內(nèi)壓使FRP構(gòu)件間或與鋼構(gòu)件等接合的連接方法,主要用于FRP棒材的錨固以及FRP管材的接合。
圖4所示是錨固構(gòu)造的示例,通過填充膨脹劑使FRP棒材與錨具套管連接。膨脹劑硬化之后與FRP棒材、套管之間產(chǎn)生很大的壓力,當(dāng)給棒材施加預(yù)應(yīng)力時(shí)會產(chǎn)生摩擦力,因而是摩擦連接的一種形式。該錨固形式具有局部應(yīng)力較小、錨固效率高、抗疲勞、長期荷載下的性能良好等技術(shù)特點(diǎn)。
圖5所示是FRP管材與混凝土橋面板連接的示例,通過填充膨脹材料使FRP管材與鋼套管連接,再在鋼套管外側(cè)配置焊釘與混凝土橋面板接合,形成FRP管材與混凝土的組合結(jié)構(gòu)。
2 FRP材料與混凝土組合結(jié)構(gòu)
2.1FRP管材與填充混凝土組合
FRP管材與鋼管比較類似,具有很大的環(huán)向約束力,同時(shí)自重又輕,因此填充混凝土的FRP管材有較好的應(yīng)用性。在加利福尼亞州建成的兩座橋梁采用的就是FRP管混凝土梁。
金斯雨水水道(Kings Stormwater Channel)橋是一座兩跨的連續(xù)梁橋,用填充輕骨料混凝土的碳纖維管材作為主梁,與FRP橋面板接合形成組合結(jié)構(gòu)。纖維管內(nèi)徑為340 mm、壁厚為10 mm。并且主梁與混凝土橋臺固結(jié)形成剛構(gòu)體系,中間橋墩外包碳纖維材料。
?、?5/吉爾曼(Ⅰ-5/Gilman)橋是一座橋長137m、橋?qū)?8.3 m的雙索面斜拉橋。主梁為內(nèi)徑914mm、壁厚10 mm的碳纖維管材,填充輕骨料混凝土,間距為13.7 m;橫梁為玻璃纖維與碳纖維的復(fù)合管材,間距4.9 m。主塔高58 m,采用直徑1.52m、壁厚13 mm的碳纖維管材,內(nèi)填混凝土。
2.2FRP管材與混凝土頂?shù)装褰M合箱梁
預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋的自重較大,把混凝土腹板用FRP管材代替,能夠達(dá)到減輕結(jié)構(gòu)自重、降低維護(hù)費(fèi)用的目的。如圖6所示是用圓形FRP管材作為腹桿的組合箱梁的橫截面,腹桿與鋼套管用膨脹劑接合,套管表面配置焊釘與混凝土頂?shù)装褰雍闲纬山M合結(jié)構(gòu)。
2.3FRP板材與混凝土頂?shù)装褰M合箱梁
把混凝土腹板用FRP板材代替,同樣能夠使混凝土箱梁減輕重量、減少維護(hù)費(fèi)用。箱梁腹板主要承擔(dān)剪力,為此FRP板材要采用正交配置纖維的復(fù)合板來提高抗剪能力。該組合箱梁與混凝土箱梁的最大不同是FRP腹板與混凝土頂?shù)装宓倪B接,圖7的接合方式是通過利用圓孔中的混凝土承擔(dān)剪力,與開孔鋼板連接件[3]的受力機(jī)理是一致的,已依據(jù)試驗(yàn)研究得到了驗(yàn)證。
3 FRP材料與鋼材組合結(jié)構(gòu)
FRP材料可以用于鋼構(gòu)件的加固以及與鋼構(gòu)件形成新型的組合結(jié)構(gòu)體系。鋼構(gòu)件在強(qiáng)度不足時(shí)可以考慮用FRP材料進(jìn)行加固,譬如鋼梁受壓區(qū)的加勁鋼板,就可以采取對底板、加勁肋以及對兩者同73FRP材料組合結(jié)構(gòu)橋梁的新技術(shù)時(shí)進(jìn)行粘貼FRP板材的加固措施;鋼梁受拉翼緣通過粘貼FRP板材就可以提高抗彎承載能力。
圖8所示是采用FRP型材加固的事例之一,通過在鋼主梁與鋼橫梁間設(shè)置縱橫GFRP梁形成組合結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行加固鋼筋混凝土橋面板。GFRP梁是拉拔成型的H形型材,通過粘著劑、螺栓與鋼梁接合。GFRP縱梁翼緣上面鋪設(shè)1層厚約10 mm的環(huán)氧樹脂砂漿與混凝土橋面板接合。由于FRP型材自重輕,容易施工,該加固方法適合于使用在橋下空間狹小的橋面板加固。
4 FRP材料與鋼材以及混凝土組合結(jié)構(gòu)
FRP材料可以同時(shí)與鋼材以及混凝土組合形成新型結(jié)構(gòu)體系。日本為了減輕高價(jià)的FRP材料用量、大幅度提高承載性能,進(jìn)行了FRP材料的板材或型材與混凝土的組合橋面板開發(fā)研究。圖9所示是FRP板與混凝土板組合的橋面板構(gòu)造示意。FRP底板是具有肋板的型材,沿橫橋向鋪設(shè)在鋼梁上。FRP肋板的孔中可貫通下層分布鋼筋、頂面可配置上層分布鋼筋。主鋼筋沿橫橋向配置,主鋼梁翼緣板上配置焊釘連接件,澆注混凝土后形成組合梁,是FRP材料與鋼材以及混凝土的三者組合結(jié)構(gòu)。FRP底板作為模板使用的同時(shí)又起到承載的作用,使承載能力大幅度提高。
日本已有多座橋梁采用該型FRP材料組合橋面板,圖10所示是最近建成的東海北陸汽車專用線上的北谷橋的橫截面及其FRP底板構(gòu)造[5]。該橋?yàn)閱慰绾喼ЫM合梁橋,跨徑61.9 m,橋?qū)?0 m。
主梁采用窄幅鋼箱梁,受壓上翼緣僅設(shè)置1道縱向加勁肋,無橫向加勁肋。橋面底板為寬650 mm的帶T形肋的FRP板材,共計(jì)26塊,沿橫橋向設(shè)置。T形肋的高度為180 mm,間距為300 mm。
依據(jù)該型橋梁的比較分析結(jié)果,采用FRP材料組合橋面板的長處大致有以下幾點(diǎn):①FRP材料與混凝土組合,裂縫容易控制,耐久性提高;②無需大型起重設(shè)備,容易工地施工;③耐水耐腐蝕,容易維護(hù)管理;④FRP模板可在工廠制作,縮短在工地的施工工期;⑤無需木制模板及專業(yè)模板工;⑥容易取得與周邊環(huán)境的協(xié)調(diào)。
5 結(jié)語
FRP材料在土木工程領(lǐng)域中的研究與應(yīng)用開始于20世紀(jì)60年代的美國,特別是最近二十幾年來在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家趨于活躍,而我國主要集中在對FRP材料補(bǔ)修加固技術(shù)進(jìn)行研究并應(yīng)用于工程實(shí)踐。依據(jù)FRP材料的特點(diǎn),整座橋梁結(jié)構(gòu)或者上部結(jié)構(gòu)全部使用FRP材料的橋型不斷被加以開發(fā),但是一般認(rèn)為將FRP材料與鋼材、或混凝土、或兩者共同進(jìn)行合理組合,即FRP材料組合結(jié)構(gòu)橋梁更具有發(fā)展前景。
參考文獻(xiàn)：
[1]陳開利. CFRP材料在橋梁加固工程中的應(yīng)用[J].橋梁建設(shè),2001, (1): 44-46.
[2]陳明憲,方志.纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在土木工程中的應(yīng)用研究[A].第十六屆全國橋梁學(xué)術(shù)會議論文集[C].北京:人民交通出版社, 2004. 670-678.
[3]劉玉擎.組合結(jié)構(gòu)橋梁[M].北京:人民交通出版社,2005.
[4]土木學(xué)會構(gòu)造工學(xué)委員會.FRP橋梁-技術(shù)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(shè)計(jì)·施工[J].佐藤鉄工技報(bào),2002, (15): 7-12.
作者簡介：
1 劉玉擎/副教授 畢業(yè)于日本九州大學(xué)土木工程專業(yè) 工學(xué)博士
2 陳艾榮/同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系 教授
