FRP复合材料桥梁的发展与趋势

原文题为《FRP 在人行天桥上的应用研究》，“拆解文献”过程中有删减

作者：袁渐超 ，黄鹏超 ，王国栋，发表于《世界桥梁》2014年第42期。

1、FRP材料用于桥梁结构有何优点

FRP ，纤维增强复合材料 （ Fiber Reinforced Polymer ）的优点：密度低 、变形率低 、吸水率低 、环境影响小、轻质高强、耐腐蚀；

FRP 桥梁的重量仅为相同尺寸及载荷能力的混凝土桥的5％ 、钢桥的30％ ，相对于混凝土和钢结构 ， FRP 桥的制造 、运输和安装更加简便 ，也更加坚固耐用 ，使用寿命可以超过100 年 。 同时由于 FRP 桥梁自重较轻 ，使其非常适合水上和沼泽环境 。

2、FRP 桥梁工艺

2.1 拉挤工艺

2.1.1 工艺与型材

拉挤工艺是一种连续生产复合材料型材的自动化生产工艺 ，是将纱架上的无捻玻璃纤维粗纱 、玻纤布 、表面毡等增强材料在外力的牵引下 ，经过树脂浸渍 ，然后通过保持一定截面形状的成型模具 ，使其在模具内固化成型后连续出模 ，由此形成拉挤制品 。

拉挤型材中纤维主要沿轴向分布，具有很好的轴向受力性能 ，可直接作为受力构件，也可以与其它材料组合受力 。 而横向强度和剪切强度较低，不适宜承担主要荷载 。

拉挤型材类似于杆件，适合承受弯矩和拉力 ，因此比较适用于桁架结构 。 同时 ，由于 FRP 材料弹性 模量较低 ，将其应用于桁架结构则可提供更好的弯曲刚度 ，且能节省材料 。

西班牙于2010年修建的一座 FRP 人行天桥 ，该桥分为成3跨 ，单跨跨径分别为 40.5，18，40.5 m，总长99 m，全桥主体结构采用槽型拉挤型材拼接而成 。

我国 2012 年在重庆市偏远 山区完成了一座拉挤型材桁架桥 —— 重庆市彭水县茅以升公益桥 ［３］ （见图 ４） 。 该桥是国内惟一的拉挤FRP 桁架桥 ，桥宽2 m ，桥长20 m ，桁架全高 3.75m ，内部净空2.75m 。

2.1.2 拉挤 FRP 叠合梁桥

除可采用上述桁架结构来提高刚度外 ，还有一种叠合梁式结构也可满足桥梁刚度要求 。 拉挤 FRP 叠合梁桥是采用拉挤型材作为桥面板和护栏 ，承力主梁依然采用传统的钢筋混凝土或结构钢 。 图 5所示为飞博来 （ Fi‐berline ）公司于 2008年在德国黑森洲乐山建立的一座拉挤 FRP 叠合梁桥 。 该桥全长 21.45m ，宽 5 m ，重 40 t （其中复合材料重 9 t ） 。

在欧洲和美国有较多 1930~1940年代修建 的叠合梁式旧桥 ，这些桥梁大部分基础结构依然可用 ，在桥梁维护时多用FRP桥面板取代原来的破旧桥面板。

2.2 灌注型 FRP 桥梁

灌注工艺是一种面向大型结构部件的 FRP 成 型工艺 ，是先在模腔内预先铺放增强材料预成型体 、芯材和预埋件 ，然后在压力或真空作用力下将树脂注入闭合模腔 ，浸润纤维 ，固化后脱模 ，再进行二次加工等后处理工序。这种工艺的优势在于可以根据需要加强任何方向的刚度和强度 ，同时还能够对局部结构进行细微的调整和强化 。

2.2.1 一体成型式灌注 FRP 桥梁

一体成型式灌注 FRP 桥梁实际上是一种板梁桥 。 FRP板梁类似于三明治夹芯的结构 ，是复合材料和芯材共同真空导注成型的整体结构 ，具有重量轻 、强度高 、刚度好 、对集中荷载的抵抗能力强等特点。 这种板梁桥在荷兰已有大量实例 。 2004年荷兰光纤芯 IP 有限公司（ Fibercore ）在鹿特丹市建造的一座长18m 、宽1.5m 的跨河人行桥 。

由于桥面荷载除了均布荷载，还经常出现集中荷载，而集中荷载往往是FRP 桥面板破坏的主要因素。与主要采用纵向玻璃纤维粗纱为增强体的拉挤型材相比 ，灌注构件可以根据结构设计要求分别对横向和纵向进行加强处理，这就保证了灌注构件不会出现拉挤型材在集中荷载作用下横向开裂的现象——这种结构形式更适合于公路桥的建设 。

图 9 所示为荷兰奥斯特沃德 （ Oosterwolde ）升降桥 ，是欧洲第一座可升降的全 FRP 桥梁 ，该桥设计承载力为60 t 。 桥梁主体采用一体成型式灌注复合材料桥面板 ，该桥面板在宽度方向为中间厚两边薄的不规则结构 。

2.2.2 分体成型式灌注 FRP 桥梁

分体成型式灌注 FRP 桥梁是采用灌注工艺分别成型上 、下面板和腹板 ，之后再采用结构胶将各部件组装成箱形结构梁 。荷兰德尔法特（ Delft Infra ）在荷兰乌德勒支（ Utrecht ）建造了一座人行桥 。 该桥长12 m ，宽 5m ，建筑高度为 0.55 m ，采用螺栓将整体 FRP 组合箱梁与金属护栏连接而成 。 其中箱梁由 1 个下面板 、3个工字腹板 、2 个侧面板及 1 个上面板粘接而成（见图 11） 。这种结构具有优秀的可设计性 ，完全可以按照要求设计不同部位的厚度和形状。同时，与上述一体成型式相比 ，由于是中空的箱梁结构 ，所以具备更好的经济性和可操作性 。

3、FRP 桥梁新探索

3.1 树脂注入式螺栓连接

英国瓦里克（ Warwick ）大学 Jawed 教授发明了一种新型的树脂注入式螺栓连接技术 。 这种螺栓的结构如图 12所示 ，在螺栓头部钻一个直径3.2 mm的孔来进行树脂注射 ，通过下垫圈的槽排出多余的空气 ，使树脂均匀地充满螺栓与 FRP 机体间的空隙 。 一系列试验数据证明 ，该连接技术可以有效地减少复合材料的疲劳损伤和连接件间的滑动位移。

3.2 3D 编织玻纤织物在 FRP 桥梁上的应用

英国曼彻斯特大学的陈教授联合英国特克宁（ TexEng ）软件公司和特尼克斯 （ TechniTex ）公司共同研发了3D 编织玻纤织物 ，并且成功将其应用到了 FRP 桥梁建设领域。 FRP 桥梁上主要应用了各种 3D 编织玻纤织物形式。通过使用这些织物，整合了复合材料结构 ，克服了复合材料面对的多种问题 ，特别是厚度方向上的性能得到明显改善。同时，3D 编织玻纤织物的使用还会降低产品材料成本、织物制造和 FRP 生产上的人力成本。

4 结论

（１） FRP 具有轻质 、高强 、耐腐蚀和方便工业化生产等特点 ，在桥梁结构中 ，适宜于地震等灾难发生时桥梁抢建工程 、偏远山区或恶劣地貌桥梁架设工程 、市中心或商业街等交通繁忙地段桥梁安装工程 ，具有施工快速 、便捷 ，对交通影响小等优点 。 同时复合材料作为一种绿色环保材料 ，还具有耗能少 、污染小和不破坏环境等特点 。

（２） 为使 FRP 在桥梁工程中得到更为广泛的应用 ，当前急需解决的问题为 ：① FRP 桥梁连接结构安全性与耐久性验证问题 ；② FRP 桥梁结构如何有效提高其刚度 ，从而使其强度利用率得到提高 ；③FRP 桥梁结构成本问题 。