橋梁是連接道路，方便行人和車輛通行的重要建筑。作為橋梁材料，古代主要依靠木材與石材，18世紀(jì)后期，開始用鋼鐵及混凝土?，F(xiàn)在，鋼材及鋼筋混凝土仍然是建橋的主要材料。橋梁對于河流多、山脈多和海岸線長的國家與地區(qū)來說，已是非常重要的建筑?？墒?，鋼鐵橋和鋼筋混凝土橋由于長期遭受雨水和鹽害侵蝕，極易生銹損害。尤其在臨海地區(qū)，受海水腐蝕更為嚴(yán)重。又如，在冬季寒冷地區(qū)，橋上積雪阻礙通行，常用鹽作融雪劑也會對橋造成腐蝕損害。為此，橋梁設(shè)計和建筑工作者們選擇FRP用于建橋和修補加固橋梁，經(jīng)過許多人的努力試制和應(yīng)用，現(xiàn)在已取得顯著效果。
FRP的優(yōu)點是質(zhì)量輕、強度高、耐腐蝕、非磁性、安裝架設(shè)方便，對軟質(zhì)地基上也能架設(shè)、施工周期短和日常維護也方便；其缺點是成本高。據(jù)稱，與同樣規(guī)模的鋼鐵橋成本相比，F(xiàn)RP步道橋要高出2倍以上。
另外，F(xiàn)RP片材用于修補加固橋板、橋柱等例子很多，效果很好。特別是日本，自從阪神·淡路大地震后，許多橋梁被破壞或產(chǎn)生裂紋，采用FRP修補加固，與其他方法相比，省工省時，進度快，已取得引入注目的業(yè)績。中國采用FRP片材修補加固橋板和柱，近年來也取得可喜的成績。
建橋用FRP主要使用拉擠成型FRP型材，如C型材、工字材，管材，棒材等；對于大斷面FRP材，設(shè)備成型有困難，也可用人工手糊FRP材。其增強纖維主要選用玻璃纖維，碳纖維及芳綸或它們的混雜纖維；基體樹脂主要選用不飽和聚酯樹脂、乙烯基酯樹脂及環(huán)氧樹脂等。
本文以歐美、日本及中國為例，將有關(guān)FRP步道橋、FRP公路橋、公路橋用FRP橋地板以及FRP片材修補加固橋板、柱等方面的部分應(yīng)用實例予以介紹，供讀者參考。 1 FRP步道橋
1．1 美國圣弗郎西斯科(原名舊金山)的FRP步道橋
在美國圣弗郎西斯科國立公園建立的FRP步道橋，英文名Long span prestek，是一座具有中心支承21．4m距離的FRP制構(gòu)架梁吊橋式的步道橋，F(xiàn)RP質(zhì)量為3t(橋總質(zhì)量5t)。橋位于浴場附近。常有波浪水花飛濺。該橋主要采用玻璃纖維為增強材料，間苯二酸聚酯樹脂為基體樹脂，通過拉擠成型為C型槽狀FRP型材及中空狀FRP型材所建而成。據(jù)說，就在這座公園內(nèi)，類似的FRP步道橋有多座，有的架設(shè)于沿海邊的斷崖外，有的架設(shè)于山脈的山頂處。在架設(shè)FRP步道橋時，因構(gòu)件質(zhì)量輕，可用人工及直升飛機搬運與施工。
1．2英國蘇格蘭的FRP步道橋
在英國蘇格蘭Aberfeldy高爾夫球場內(nèi)的一條河流上架設(shè)的FRP步道橋，橋名為Aberfeldy Foot Bridge。該橋主塔高18m，橋長113m(由25m+63m+25m 3節(jié)組成)，橋?qū)?．2m為狹窄橋，全由FRP建成。據(jù)說，這座橋是世界上首次建成的最大FRP斜拉橋。該橋所用的張力繩索，是由芳綸制成。橋的梁、塔結(jié)構(gòu)件，是采用拉擠GFRP型材制成。因斜拉橋為撓性建筑，采用吊掛式可實現(xiàn)相當(dāng)長的橋體FRP步道橋。因是全FRP步道橋，質(zhì)量輕，能在軟質(zhì)地基上架設(shè)，施工進度快，能滿足公園業(yè)主關(guān)于減少建橋成本的要求。
1．3 美國伊利諾斯州的FRP步道橋
在美國伊利諾斯州Antionch高爾夫球場內(nèi)架設(shè)的FRP步道橋，橋名為Antionch Pedestrian Bridge。橋長13．5m，橋?qū)?m，橋總質(zhì)量5t，為構(gòu)架式FRP步道橋。橋地板是木制的，可供行人、裝運高爾夫棒球小車及高爾夫球場維持管理車輛通行。橋的構(gòu)架是FRP制的，由E-玻璃纖維為增強纖維材料和聚酯樹脂為基體樹脂，經(jīng)拉擠成型制得C型槽FRP型材，再加工成FRP構(gòu)架。橋上還裝有變形計，定期檢測、觀察橋的耐久變形情況。據(jù)說，這座橋?qū)樵谝话悱h(huán)境中，監(jiān)控暴露的FRP結(jié)構(gòu)長期耐久性能之目的而建造的。 1．4丹麥的FRP步道橋
在丹麥建設(shè)的FRP步道橋是斜拉橋，橋名為Kolding Bridge。橋長40m，為使5t重除雪車和救護車通行，采用的設(shè)計載荷為5kPa。橋梁和塔的構(gòu)件是采用玻璃纖維和不飽和聚酯樹脂，經(jīng)拉擠成型的FRP型材制成。橋質(zhì)量為13t，據(jù)稱，是同樣規(guī)模的鋼制橋質(zhì)量的一半。橋體架設(shè)的時間花費18h(每d干6h，共3d完成)。該橋不受降雨、潮風(fēng)、霜等的影響，期待使用壽命約100a。
1．5 美國的工字梁式FRP步道橋
在美國建設(shè)的橋長18m工字梁式FRP步道橋，構(gòu)件是由GFRP和CFRP并用為特色制成，可提高主梁剛度，設(shè)計載荷為4kPa，能滿足L／180(L為支承距離長度)的撓度限制。
1.6 日本沖繩的FRP步道橋
這是一座位于日本沖繩縣伊計平良川線所建設(shè)的街心公園跨路用FRP步道橋。該橋?qū)⒔⒃诘缆穬蓚?cè)的展望塔相連接。橋長約37m(由20m+17m二節(jié)構(gòu)成)，橋有效寬度3．5m。這座橋是二跨度連接C型梁橋式的FRP步道橋。這條伊計平良川線稱為海中道路，由于周圍被海包圍，處于腐蝕環(huán)境嚴(yán)酷的位置，認(rèn)為在這樣環(huán)境下，采用日本首座全FRP制步道橋很合適。橋的主梁采用GFRP手工糊制型材，橋地板等構(gòu)件采用GFRP拉擠型材制成。橋的安裝架設(shè)使用移動吊車施工[1]。
1．7 中國制FRP步道橋
由武漢工業(yè)大學(xué)新材料研制廠制造的FRP步道橋，產(chǎn)品名為GRP非對稱斜拉人行道。橋長27．4m，橋?qū)?．4m，橋高0．7m，橋質(zhì)量8～9t，可承質(zhì)量10t。其特點是外型美觀、強度高和吊裝方便。這座橋己在重慶交通學(xué)院實用[2]。
2 FRP公路橋
2．1 美國維吉尼亞州的FRP公路橋 在美國維吉尼亞州西部建立的FRP公路橋，橋名為Laurel Lick Bridge。梁和橋地板都由FRP制成，地板為蜂窩狀結(jié)構(gòu)。增強纖維材料是采用三向E-玻璃纖維織物、連續(xù)玻璃纖維氈及短切玻璃纖維氈；基體樹脂選用聚酯樹脂。此外，在FRP公路橋地板(20cm厚)上，還鋪裝薄層聚合物混凝土。
2．2 美國維吉尼亞工科大學(xué)附近的FRP公路橋
在美國維吉尼亞工科大學(xué)附近有一條公路，每天交通量有約1 000輛車次通行，其中，學(xué)生上學(xué)用汽車占95％，其余為上班族用車。以前，這里有一座舊鋼制橋，因年久腐蝕損壞，后改用FRP橋。橋長6m，橋?qū)?．2m，主粱用高度為20cm盒型FRP工字梁制成。FRP型材是采用碳纖維和玻璃纖維為增強纖維材料，采用乙烯基酯樹脂為基體樹脂，經(jīng)拉擠成型法制成。因使用碳纖維，故提高了梁斷面的剛性。由于碳纖維撓性好，所以用在FRP型材凸緣部位。把這樣的橋梁24根并排使用。這座橋地板，選用了木制層壓板。
2．3 美國俄亥俄州郊區(qū)的FRP公路橋
在美國俄亥俄州郊區(qū)架設(shè)的FRP公路橋，名叫TECH21。橋長10m，橋?qū)?．2m。該橋有3根主梁，因梁的斷面大，現(xiàn)有拉擠設(shè)備無法成型制造，只好選用人工手糊成型。增強纖維材料選用E-玻璃纖維；基體樹脂選用不飽和聚酌樹脂。梁為U型FRP梁。橋地板是將拉擠成型梯形斷面的管子作為芯材，把它挾在FRP板中，采用夾層結(jié)構(gòu)。這座橋通過15人作業(yè)。僅用3h就在安裝現(xiàn)場一氣呵成。
2．4 英國運河上的FRP公路橋
在英國運河上架設(shè)的FRP公路橋，橋名為Bonds Mill Lift Bridge。橋長8．2m，橋?qū)?．3 m(為單車線)。FRP橋梁6根，通過拉擠成型制成。這座FRP公路橋是有效利用FRP質(zhì)量輕，用作可移動橋的一個例子。將具有發(fā)泡環(huán)氧樹脂填充的6根主要槽形盒式梁，采用環(huán)氧樹脂為粘合劑，沿橋軸向粘接，橋地板也是槽型結(jié)構(gòu)FRP。在這些FRP中，為提高耐候性，在基體樹脂聚酯中都含有UV(紫外線)吸收劑，橋地板是擠拉成型FRP制的[1]。 3 公路橋用FRP橋地板
普通鋼制公路橋、混凝土制公路橋，采用FRP材質(zhì)作為地板的應(yīng)用例子也不少，尤其在美國北部一些州，那里冬季嚴(yán)寒，降雪多，常需要在橋地板上撒布鹽作為融雪劑，以前用鋼制地板或鋼筋混凝土地板，容易被鹽腐蝕損害，作為一項防腐蝕措施，才選用FRP橋地板。FRP板也分兩種，一種全由FRP制成；另一種是外輪廓由FRP制成，而內(nèi)部填充水泥沙漿或者填充硬質(zhì)發(fā)泡聚氨酯樹脂，以后一種用的較多。
有一座橋名叫Kings Storm water Channel Bridge，橋地板的斷面結(jié)構(gòu)，是將拉擠成型的FRP型材用粘合劑粘接厚度為20cm的蜂窩結(jié)構(gòu)。該地板已在維基尼亞工科大學(xué)室內(nèi)進行疲勞試驗，并在各州間實際的高速公路有關(guān)橋上鋪放，大型載重卡車通過時，采用載荷計測量，進行耐久性考核試驗。另外，最近的研究成果，是開發(fā)簡單斷面結(jié)構(gòu)的橋地板以及能節(jié)約原材料的橋地板等，都有方案提出[1]。
日本也在開發(fā)研究公路橋用FRP地板，例如，日本一家公司開發(fā)出一種芳綸棒，它是由芳綸為增強材料，環(huán)氧樹脂為基體樹脂，經(jīng)拉擠法制成的KFRP棒。棒徑從3~22mm多種，具有強度高、模量高、非磁性、非導(dǎo)電性、表面帶有凹凸?fàn)钔炷劣袃?yōu)良的附著性等特點，可以面向海洋結(jié)構(gòu)物等方面應(yīng)用。據(jù)稱，東京灣的連絡(luò)橋“彩虹橋”，橋地板就是將芳綸棒作為PC(預(yù)應(yīng)力混凝土)空芯地板的補強材料使用。其特征是對鹽害有優(yōu)良的耐久性，還可免去維修保養(yǎng)[3]。
4 FRP片材在修補固橋梁方面的應(yīng)用
FRP片材在修補加固橋梁方面的應(yīng)用實例很多，尤其是近10a來，因地震多，橋板、橋梁、橋柱等產(chǎn)生裂紋不能使用。假如用鋼板、鋼筋混凝土修補加固，費工費時，施工不方便，而選用FRP片材就很方便。現(xiàn)在，采用碳纖維片材、芳綸片材修補加固橋板、橋梁和橋柱非常盛行，已有專門的片材生產(chǎn)單位、修補加固施工單位及施工方法。這里僅就日本、中國部分例子進行簡述。 4．1 日本采用FRP片材修補加固橋梁情況
1995年1月17日，在日本Akasi海峽中部發(fā)生阪神·淡路大地震，傷亡7000多人，許多建筑物被破壞，約造成10萬億日元的損失，其中建筑物、高架橋等損失高達8萬億日元。為了迅速搶修，在高架橋道路支柱修復(fù)工程中，選擇了高性能FRP片材作為加固材料，與采用鋼板焊接加固法相比，該加固材料質(zhì)量輕、模量高、柔軟自由度大、施工用設(shè)備簡單，施工容易、不生銹、安全性好、工程費及日常保養(yǎng)費用低。例如，地震后在日本關(guān)西地區(qū)，被破壞的IR鐵路橋結(jié)構(gòu)物和隧道鋼筋混凝土構(gòu)件都使用FRP片材修補加固，經(jīng)過幾年實用證明，F(xiàn)RP安全可靠，獲得施工部門及鐵路用戶好評。目前，F(xiàn)RP片材應(yīng)用目標(biāo)，集中用于高架橋公路的支承柱上。特別是大中城市中的高速公路橋支柱加固更為重要，以免地震受損[4]。
據(jù)說，有關(guān)芳綸廠商和大型建設(shè)公司還專門組成“芳綸補強研究會”，并委托鐵道綜合技術(shù)研究所，制訂出“采用芳綸片材，設(shè)計、施工鐵道高架橋柱的耐震補強方針”，已于1996年12月完成。還專門召開有關(guān)鐵道事業(yè)人員參加的報告會，進行介紹和實施所制訂的方針：關(guān)于使用芳綸片材補強，充分利用已有的研究成果，把鐵道框架結(jié)構(gòu)的高架橋作為修補加固對象，對必須特別確認(rèn)的事項，如剪切補強效果、變形性等，需采用實物模型進行載荷試驗，把補強耐力評價和韌性率評價等都納入方針內(nèi)容。據(jù)稱，芳綸片材用于耐震補強加固有以下特點：強度高，耐久性優(yōu)異，被其加固的混凝土結(jié)構(gòu)件耐震性能大幅度提高；輕質(zhì)、同樹脂粘合性好、施工性優(yōu)良和工期短；耐腐蝕和電絕緣性好，不必?fù)?dān)心發(fā)生電氣事故[5]。
日本有不少單位和廠家研制和開發(fā)FRP片材，如日本東燃公司的產(chǎn)品，1993年已商品化；東麗·杜邦公司的產(chǎn)品，1993年已商品化；日本帝人公司的產(chǎn)品，1996年己商品化。還有些廠家產(chǎn)品就不一一列舉[6]。
4．2 中國采用FRP片材修補加固橋梁情況
FRP片材用于修補加固混凝土建筑物及橋板、橋柱等技術(shù)，在中國也猶如雨后春筍般蓬勃發(fā)展，并取得令人睹目的業(yè)績。從事這項事業(yè)起步較早的單位有冶金部建筑研究總院工程結(jié)構(gòu)研究所等院所和高校，在該項技術(shù)研究和推廣應(yīng)用中，作出顯著成績。據(jù)說，采用FRP片材己修復(fù)加固幾百個工程項目，僅使用的碳纖維就多達200t/a以上[7]。在FRP片材開發(fā)營銷方面，杭州索奇先進復(fù)合材料有限公司出售的索奇牌碳纖維片材系列產(chǎn)品，如網(wǎng)格熱壓型，經(jīng)向編織型、緯向編織型等各種規(guī)格品種，供用戶選擇使用，已取得很好效果。北京特希達科技有限公司與冶金工業(yè)部建筑研究總院，已于2001年11月取得“碳纖維片材修復(fù)補強混凝土結(jié)構(gòu)工法”國家級工法證書。采用碳纖維片材加固的典型例子，有浙江寧波同三線高速公路立交橋、江蘇鎮(zhèn)澄運河大橋腹板、滬寧高速公路丹陽運河大橋等，不勝枚舉。 5 結(jié) 語
如上所述，F(xiàn)RP已在步道橋、公路橋、橋地板和修補加固橋方面獲得應(yīng)用。充分發(fā)揮了FRP輕質(zhì)、高強、耐腐蝕、非磁性、施工設(shè)備簡單、易施工等優(yōu)點。但是也有不足之處，如成本高，像FRP步道橋與同樣規(guī)模鋼步道橋相比造價要高2倍以上；FRP用于建造公路橋，還僅限于10m長以下短小橋。長橋，大橋仍受限制；加工制造大斷面的FRP型材，還缺少大型拉擠設(shè)備，尚需業(yè)內(nèi)人員不斷研制和創(chuàng)新，任重道遠。

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文章來源： 永年加固公司
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