蔣以華

（南寧市建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,廣西南寧530012）

目前,在橋梁工程領(lǐng)域,鋼筋混凝土或預(yù)應(yīng)力混凝土是當(dāng)前橋體的基本結(jié)構(gòu)形式,其中因鋼筋銹蝕而引起的結(jié)構(gòu)退化或功能缺陷等問(wèn)題是影響橋梁服役年限的重要因素。針對(duì)該問(wèn)題,FRP材料（纖維增強(qiáng)復(fù)合材料）在橋梁工程中得到了成功應(yīng)用并成為解決鋼筋銹蝕問(wèn)題的一種有效措施[1-2]。自20世紀(jì)40年代問(wèn)世以來(lái),FRP材料便在各個(gè)領(lǐng)域得到了迅速發(fā)展,如航空、醫(yī)療、車輛以及造船等行業(yè)。而在土木與建筑工程領(lǐng)域,憑借其輕質(zhì)、高強(qiáng)以及耐久性優(yōu)異等特性,FRP材料也于七八十年代開(kāi)始得到初步應(yīng)用,且深受業(yè)內(nèi)人員的青睞,主要包括碳纖維(CF)、玻璃纖維(GF)及芳綸纖維(AF)復(fù)合材料等。當(dāng)前,FRP材料的自身加工工藝日趨成熟,而國(guó)內(nèi)公路、鐵路等建設(shè)項(xiàng)目規(guī)模仍持續(xù)增長(zhǎng),因此FRP材料在工程建設(shè)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力巨大,研究FRP材料在橋梁工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 FRP復(fù)合材料及其特點(diǎn)

1.1 FRP的組成

FRP是傳統(tǒng)纖維和樹(shù)脂融合的產(chǎn)物,兩者共同決定了FRP材料的各項(xiàng)性能。其中,纖維具有加強(qiáng)功能,能有效分擔(dān)受力,如碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維等。樹(shù)脂主要用于包裹纖維使之形成整體,起到傳力以及黏結(jié)的功能,并保護(hù)纖維不受機(jī)械損傷與化學(xué)侵蝕。另外,樹(shù)脂中可適當(dāng)加入一定的添加劑,以改善性能。

1.2 FRP的性能特點(diǎn)

（1）物理性質(zhì)。FRP材料的密度較低,僅為常規(guī)鋼筋的1/5左右,其熱膨脹系數(shù)呈現(xiàn)各向異性,橫縱向的性能區(qū)別取決于纖維和樹(shù)脂的種類及比例。

（2）力學(xué)性能。纖維與樹(shù)脂類別及摻加量的不同造成了FRP材料的力學(xué)性能差異。FRP材料僅由單一纖維構(gòu)成時(shí),其沿順纖維方向的抗拉強(qiáng)度更大,且呈現(xiàn)線彈性變化趨勢(shì),且其抗壓能力普遍不如抗拉性能,如碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維的抗壓強(qiáng)度,分別僅為各自抗拉強(qiáng)度的約4/5、1/2、1/5[3]。

（3）持時(shí)特性。在長(zhǎng)期的受力條件下,FRP材料經(jīng)受較長(zhǎng)時(shí)間作用后將引起破壞,即發(fā)生徐變斷裂,其中玻璃纖維對(duì)此最為敏感。當(dāng)FRP材料受力中長(zhǎng)度維持固定時(shí),其應(yīng)力將不斷變小,即發(fā)生應(yīng)力松弛,其中芳綸纖維的松弛率最大。另外,FRP材料中的纖維能進(jìn)行內(nèi)力再分配,更好地承擔(dān)拉應(yīng)力,故抗疲勞性能較強(qiáng),其中碳纖維與芳綸纖維的抗疲勞性能均已超過(guò)高強(qiáng)鋼絲,但高溫高濕環(huán)境將不利于FRP材料性能的發(fā)揮[4]。

（4）耐久性能。一般而言,作為非金屬材料,FRP材料適用于酸堿等各種復(fù)雜環(huán)境條件,較傳統(tǒng)鋼筋的耐腐蝕能力更強(qiáng),可視情況用于鋼筋替換作業(yè)。但不同的腐蝕環(huán)境也會(huì)一定幅度影響不同F(xiàn)RP材料的性能,如相比碳纖維與芳綸纖維,玻璃纖維的耐酸堿性能相對(duì)較弱,而芳綸纖維對(duì)紫外線或潮濕條件更敏感等。

2 FRP復(fù)合材料的應(yīng)用形式

（1）FRP片材。FRP片材一般指復(fù)合布或復(fù)合板。復(fù)合布大多為單向纖維組成,應(yīng)用時(shí)可直接以樹(shù)脂浸潤(rùn)后進(jìn)行粘貼。復(fù)合板一般先由工廠進(jìn)行樹(shù)脂浸潤(rùn)以及固化定型等工序,施工時(shí)再粘貼樹(shù)脂。

（2）FRP棒材。 FRP棒材一般指復(fù)合索和復(fù)合筋。復(fù)合索包括絞線型與發(fā)辮型,由長(zhǎng)纖維單向編織成索狀,經(jīng)由樹(shù)脂浸潤(rùn)形成整體。復(fù)合筋是將纖維絲浸潤(rùn)后經(jīng)拉擠工序制得,纖維摻量越大,拉擠工序越難開(kāi)展,但所得復(fù)合筋的強(qiáng)度將越大。實(shí)踐中,復(fù)合筋中的纖維摻量一般為63%左右。

（3）FRP型材。 FRP型材分為格柵、管狀、蜂窩等。FRP格柵中纖維垂直交織,經(jīng)由樹(shù)脂浸潤(rùn)形成整體。FRP管是先將纖維絲浸潤(rùn)樹(shù)脂,再遵循相應(yīng)的方式纏裹至襯膽外面,靜置固化成型。FRP蜂窩板包括上下兩側(cè)復(fù)合板與中間的夾心材料,其構(gòu)造上充分借助復(fù)合板的強(qiáng)度優(yōu)勢(shì),具備優(yōu)異的力學(xué)性能。

3 FRP復(fù)合材料在橋梁工程中的應(yīng)用

3.1 FRP片材的應(yīng)用

FRP片材在混凝土結(jié)構(gòu)加固中應(yīng)用廣泛[5],其中碳纖維復(fù)合片材的抗拉強(qiáng)度較高,常見(jiàn)于橋梁結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域。相比以往的常規(guī)加固方法,FRP片材加固施工較為便捷,加固效果顯著,能有效增強(qiáng)構(gòu)件的承載能力,且不增加額外的自重與截面面積,同時(shí)能適應(yīng)不同的加固環(huán)境。在實(shí)際應(yīng)用中,FRP片材在加固時(shí)可針對(duì)受彎、 受剪及抗震等不同工況。

3.1.1 受彎加固

在構(gòu)件受彎工況下,利用FRP片材進(jìn)行加固,能借助FRP材料的抗拉能力增強(qiáng)承載力,復(fù)合布或復(fù)合板均可采用,施工時(shí)片材宜與構(gòu)件軸向相同。采用FRP片材開(kāi)展加固時(shí),其設(shè)計(jì)機(jī)制仍為極限法,即極限工況下的應(yīng)力按照線彈性關(guān)系而定,而應(yīng)變則取構(gòu)件在極限工況時(shí)的相應(yīng)數(shù)值。結(jié)構(gòu)所受載荷應(yīng)在纖維片材加固前除去,如無(wú)法完全卸載,則應(yīng)考慮二次受力效應(yīng)。另外,為充分利用FRP片材的高強(qiáng)性能,可對(duì)片材施加一定的預(yù)應(yīng)力后再實(shí)施結(jié)構(gòu)加固,從而更有效地降低構(gòu)件變形撓度,進(jìn)一步緩解裂縫的發(fā)生與發(fā)展。

3.1.2 受剪加固

梁體構(gòu)件受剪時(shí)易產(chǎn)生裂縫,而將FRP片材布設(shè)于梁的側(cè)面,可有效提升構(gòu)件承載力,并使構(gòu)件剛度得到強(qiáng)化。應(yīng)用中FRP片材應(yīng)垂直于構(gòu)件軸向進(jìn)行布設(shè),具體可采取封閉式、U形或側(cè)面式等粘貼方案。將FRP片材用于構(gòu)件抗剪加固時(shí),其實(shí)施效果取決于加固方式、錨固方案、片材用量以及纖維取向等,構(gòu)件加固后最終的破壞形式包括斜拉、彎曲、剝離或片材拉斷等,實(shí)踐中大多為幾種破壞模式的組合。

3.1.3 抗震加固

FRP片材用于抗震主要是對(duì)柱進(jìn)行環(huán)向加固,恢復(fù)受損位置的承載力,提升抗震強(qiáng)度,片材應(yīng)當(dāng)對(duì)柱的箍筋加密區(qū)進(jìn)行連續(xù)粘貼。借助復(fù)合布約束混凝土的環(huán)向變位屬于一種被動(dòng)式加固,即當(dāng)混凝土軸向壓力增大,橫向膨脹力將使得外包FRP材料發(fā)生一定程度的外伸,使之產(chǎn)生徑向的收縮力,其環(huán)向約束效果受柱結(jié)構(gòu)膨脹特點(diǎn)以及外包復(fù)合布的環(huán)向剛度影響。在FRP復(fù)合布約束柱構(gòu)件過(guò)程中,其受力過(guò)程主要如下：初始階段,混凝土發(fā)生線彈性變形,外包復(fù)合布變形較少,應(yīng)力約束值低；當(dāng)柱變形趨于顯著時(shí),外包復(fù)合布的環(huán)向應(yīng)變變大,繼而產(chǎn)生較大的環(huán)向約束力,達(dá)到提升柱構(gòu)件強(qiáng)度、增加延性變形的目的。

3.2 FRP棒材的應(yīng)用

3.2.1 RC結(jié)構(gòu)增強(qiáng)筋

由于FRP材料的抗腐蝕性能優(yōu)于普通鋼筋,因此在某些環(huán)境惡劣的條件下,可考慮采用FRP復(fù)合筋替代傳統(tǒng)的鋼筋,從而保證RC（鋼筋混凝土）結(jié)構(gòu)的耐久性,如在鋼筋混凝土梁或橋面板中,將FRP筋作為主要受力筋進(jìn)行配置,可提升服役年限。但FRP筋彈性模量較小,且其與混凝土之間的粘結(jié)性不同于傳統(tǒng)鋼筋,因此FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)的承載性能較之普通RC結(jié)構(gòu)存在差異。相關(guān)研究表明[6],FRP筋混凝土的裂縫發(fā)生規(guī)律、應(yīng)力傳遞模式以及極限承載力等均與傳統(tǒng)RC結(jié)構(gòu)不同。具體而言,FRP筋混凝土梁可能發(fā)生兩種脆性破壞模式,分別為混凝土受壓破壞以及FRP筋拉斷破壞,其中混凝土受壓破壞的延性優(yōu)于后者。在極限承載力計(jì)算方面,FRP筋混凝土梁與傳統(tǒng)RC梁差別不大,但其主要影響因素為裂縫寬度與撓度,因此應(yīng)當(dāng)將更多的FRP筋布設(shè)于受拉部位。

3.2.2 PC結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力筋

FRP筋具備高強(qiáng)的性能,將其施加一定的預(yù)應(yīng)力不但能充分發(fā)揮其力學(xué)特性,而且可實(shí)現(xiàn)FRP筋混凝土梁抗裂能力的提升。目前,FRP預(yù)應(yīng)力筋在實(shí)踐中可用于PC（預(yù)應(yīng)力混凝土）構(gòu)件體內(nèi)或體外。

FRP筋的抗壓與抗剪性能稍差,因此施加預(yù)應(yīng)力時(shí),其錨固性能將成為關(guān)鍵一環(huán)。當(dāng)下錨具形式較為多樣化,基于受力原理主要分為機(jī)械夾持型與黏結(jié)型,并形成相應(yīng)的錨固體系,但總體而言,FRP筋預(yù)應(yīng)力錨固工藝還處于初級(jí)階段,遠(yuǎn)不如傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力鋼筋錨固工藝的成熟度。

FRP筋彈性模量較低,其發(fā)生破壞時(shí)沒(méi)有顯著的塑性變化特點(diǎn),故在受力特性上,FRP筋預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)PC結(jié)構(gòu)具有較大的不同。當(dāng)FRP筋用于構(gòu)件體內(nèi)時(shí),結(jié)構(gòu)梁的受力特性存在三種可能的過(guò)程：最大應(yīng)力大于混凝土抗壓強(qiáng)度,混凝土受壓破壞；最大應(yīng)力小于等于混凝土抗壓強(qiáng)度,FRP筋受拉斷裂,此時(shí)混凝土處于塑性變形,結(jié)構(gòu)梁的受彎承載能力應(yīng)根據(jù)等效應(yīng)力塊進(jìn)行分析；最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于混凝土抗壓強(qiáng)度,此時(shí)梁的配筋率低,破壞時(shí)混凝土應(yīng)力處于線性發(fā)展階段,此時(shí)結(jié)構(gòu)梁的受彎承載能力應(yīng)根據(jù)工作應(yīng)力分析[7]。

FRP筋的抗腐蝕性能突出,因此作為體外預(yù)應(yīng)力筋或無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋時(shí),FRP預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的應(yīng)用潛力巨大。相關(guān)研究指出,在受力特性方面,無(wú)粘結(jié)FRP預(yù)應(yīng)力混凝土梁與預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁,以及體外預(yù)應(yīng)力FRP筋混凝土梁與體外預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁,均呈現(xiàn)類同的發(fā)展特點(diǎn),故計(jì)算方式也類同,其最為重要的是需要對(duì)無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋或者體外預(yù)應(yīng)力筋的極限應(yīng)力進(jìn)行明確。

FRP筋在發(fā)生破壞時(shí)沒(méi)有顯著的塑性變化特點(diǎn),延性較差,不利于結(jié)構(gòu)的安全應(yīng)用?；诖?實(shí)踐中較多專家提出了改進(jìn)措施,例如使用混雜FRP筋（此類混雜筋屈服點(diǎn)明確、極限應(yīng)變?nèi)≈递^大）、局部結(jié)構(gòu)中應(yīng)用FRP預(yù)應(yīng)力或者體內(nèi)外預(yù)應(yīng)力筋結(jié)合等方法。

3.2.3 纜索承重橋的受力構(gòu)件

對(duì)于懸索橋、斜拉橋、系桿拱橋等纜索承重橋而言,其中的主要豎向受力構(gòu)件大多設(shè)置于結(jié)構(gòu)外部,且所處環(huán)境惡劣,并持久承受高應(yīng)力,對(duì)傳統(tǒng)鋼筋提出較大的挑戰(zhàn)。而FRP筋具備顯著的耐久性與抗疲勞性,且比強(qiáng)度是傳統(tǒng)高強(qiáng)鋼絲的5倍,因此替代傳統(tǒng)鋼筋作為主纜、斜拉索或吊桿等部件,將有效規(guī)避上述缺陷,并提升橋體跨越及承載能力[8]。例如,懸索橋傳統(tǒng)鋼主纜跨越極限約為5km,而應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料主纜將能使跨徑增至10km；斜拉橋的極限跨徑目前水平向投影約為1.2km,而應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料斜拉索將能使跨徑增至3.8km；同樣,受銹蝕與疲勞等影響,系桿拱橋中的吊桿服役年限一般設(shè)計(jì)為20年,而碳纖維復(fù)合材料吊桿憑借優(yōu)異的耐腐蝕性能,可極大提升系桿拱橋的使用壽命。

3.3 FRP型材的應(yīng)用

3.3.1 FRP格柵

在室外較為惡劣的環(huán)境工況中,橋面板時(shí)常發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象,影響通行安全。為化解橋面冰塊,目前大多應(yīng)用化冰鹽,但這易引起橋面板中的鋼筋網(wǎng)片發(fā)生銹蝕,故將由樹(shù)脂浸潤(rùn)形成整體的FRP格柵進(jìn)行替代,可避免銹蝕發(fā)生,延長(zhǎng)不利環(huán)境下橋面板的使用壽命。

3.3.2 FRP蜂窩板

橋面板中的鋼筋銹蝕較為普遍,除采用FRP格柵替代外,也可直接運(yùn)用FRP橋面板[9]。FRP橋面板的應(yīng)用形式主要為蜂窩板,其特點(diǎn)有：具有優(yōu)異的抗腐蝕和耐久性,在海洋、鹽堿侵蝕等惡劣的環(huán)境中能保證使用功能,維修養(yǎng)護(hù)成本低；自重較輕,能減少對(duì)橋梁墩柱的荷載作用,利于保證安全；屬于彈性材質(zhì),抗疲勞性能強(qiáng),在橋面通行車輛超載的情況下也不致于發(fā)生脆性破壞,且能在變形后恢復(fù)初始狀況,不會(huì)造成后續(xù)使用的困擾。

3.3.3 FRP管

將混凝土灌注于FRP管中,即可形成FRP管混凝土組合結(jié)構(gòu)[10],該種結(jié)構(gòu)耐久性優(yōu)異,且其中的FRP管可直接作為模板使用,在不便于支模的結(jié)構(gòu)施工中應(yīng)用廣泛。FRP管混凝土組合結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)鋼管混凝土的隔聲隔熱性能更佳,既擁有FRP材料的特殊性能,同時(shí)也兼?zhèn)浠炷敛牧系目箟耗芰εc低成本優(yōu)勢(shì)。FRP管混凝土組合結(jié)構(gòu)在經(jīng)過(guò)科學(xué)設(shè)計(jì)與合理組合后,擁有十分優(yōu)異的力學(xué)特性,目前很多發(fā)達(dá)國(guó)家均對(duì)其受力性能、纖維類別、構(gòu)造形式以及纏繞方向等進(jìn)行了深入研究,如為增強(qiáng)FRP管的局部穩(wěn)定能力,可在管內(nèi)設(shè)置一定間距的FRP肋等。

4 結(jié)語(yǔ)

FRP材料的輕質(zhì)高強(qiáng)、抗腐蝕、耐久性優(yōu)良等特性能滿足橋梁工程建設(shè)的大多數(shù)要求,在橋梁建設(shè)領(lǐng)域中的應(yīng)用潛力巨大。但FRP材料的彈性模量較低,抗剪能力和延性均比傳統(tǒng)鋼筋更差,因此在橋梁工程的實(shí)際應(yīng)用中仍有較多缺陷需要克服。另外,相關(guān)研究者雖然對(duì)FRP材料進(jìn)行了大量研究與實(shí)踐應(yīng)用嘗試,取得了較多的發(fā)展成果,但在FRP材料的生產(chǎn)成本、生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)以及應(yīng)用規(guī)范等方面仍需進(jìn)一步完善,這是未來(lái)FRP材料在橋梁工程應(yīng)用中需要突破的重點(diǎn)方向。