摘要 玻璃纖維強(qiáng)復(fù)合材料（GFRP）是一種輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕的高性能材料，近年來廣泛應(yīng)用于橋梁工程中。根據(jù)GFRP在橋梁中使用部位不同，該文對GFRP材料在橋面板、橋墩、桁架和欄桿等部位的應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)，分析了其優(yōu)點(diǎn)與不足，旨在推動GFRP材料在橋梁工程中的進(jìn)一步發(fā)展。

關(guān)鍵詞 橋梁工程；GFRP材料； 應(yīng)用研究

中圖分類號 U445.72 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）14-0182-04

0 引言

橋梁工程發(fā)展至今，傳統(tǒng)建材建造的橋梁鋼材銹蝕問題日漸突出，橋梁耐久性能降低，甚至出現(xiàn)安全事故?，F(xiàn)如今，世界各國在橋梁耐久性檢測維護(hù)上花費(fèi)了大量人力物力，美國在2005年統(tǒng)計：因?yàn)楦g、劣化等問題，美國每年需花費(fèi)1～3萬億美元用于維修加固橋梁[1]。在我國，每年因?yàn)殇摬匿P蝕導(dǎo)致的損失超過600億美元[2]。由此可見，鋼材銹蝕已經(jīng)成為制約橋梁工程發(fā)展的一道難題，在越來越多的橋梁工程中使用新材料來代替鋼材成為比較好的解決辦法。

FRP（Fiber Reinforced Plastics）即纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。根據(jù)纖維種類分為玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（GFRP）、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）、芳綸纖維（AFRP）和玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（BFRP）等。自20世紀(jì)70年代開始，F(xiàn)RP材料開始應(yīng)用于建筑行業(yè)，與傳統(tǒng)材料相比，GFRP具有強(qiáng)度高、重量輕、耐腐蝕和抗疲勞等優(yōu)點(diǎn)，因此被大量應(yīng)用在橋梁工程、近海工程、地下工程等。

1 橋面板

橋面板使用GFRP材料可以有效減輕結(jié)構(gòu)自重，降低結(jié)構(gòu)恒載，使承載能力顯著提升。同時GFRP材料良好的抗疲勞特點(diǎn)，使橋梁更好經(jīng)受車輛反復(fù)荷載作用，GFRP材料優(yōu)異的耐腐蝕性，也使得橋梁的耐久性得到提高，延長了橋梁的使用壽命。在橋面板中，GFRP的應(yīng)用方式有GFRP筋代替鋼筋、全GFRP橋面板和GFRP組合橋面板等。

GFRP筋是以高強(qiáng)玻璃纖維為增強(qiáng)材料、合成樹脂為基體材料，并摻入適量輔助劑，經(jīng)拉擠、纏繞而成的復(fù)合材料。El-Salakawy[3]對不同筋材類型（GFRP筋、CFRP筋和鋼筋）的單向混凝土板進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明：GFRP筋混凝土板的承載力均高于鋼筋混凝土單向板，隨著配筋率的增加GFRP筋混凝土板的抗彎剛度隨之增加，裂縫的間距、寬度和深度均減少；GFRP筋代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼筋不會降低橋梁承載力，并且由于GFRP筋具有低松弛的特性且拉伸彈性模量低，用于預(yù)應(yīng)力筋時能有效降低筋材由于應(yīng)力松弛、混凝土收縮徐變等因素導(dǎo)致的預(yù)應(yīng)力損失。高丹盈等[4]制作了6塊混凝土單向板，包括1塊對比板和5塊體外預(yù)應(yīng)力GFRP筋加固混凝土單向板，試驗(yàn)表明：外預(yù)應(yīng)力GFRP筋能有效提高混凝土單向板的開裂荷載、屈服荷載、極限荷載和剛度，同時仍然保持了較好的延性；GFRP筋混凝土橋面板有著優(yōu)異的抗疲勞性能，Carvelli等[5]對四個GFRP筋混凝土橋面板進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)，所受荷載為規(guī)范最大載荷1.5倍的試件，在150萬次移動載荷循環(huán)之后，其承載能力僅減少1.2%。所受荷載為規(guī)范最大載荷3倍的試件，在14萬次移動載荷循環(huán)之后，其承載能力僅降低了3.4%，抗疲勞能力優(yōu)異。

采用全GFRP材料的橋面板重量要比鋼筋混凝土橋輕80%[6]，極大程度上減輕橋面板自重，全GFRP橋面板能夠抵抗除冰鹽、海水、空氣中氯離子的侵蝕，維護(hù)費(fèi)用低，且全GFRP橋面板在工廠預(yù)制生產(chǎn)，工程現(xiàn)場安裝方便，可極大縮短工期。全GFRP橋面板有GFRP夾芯板、擠拉型材拼接板和由上、下GFRP面板和中間型材腹板連接而成的組合板等形式。1970年，英國Liverpool建成了一座GFRP連續(xù)梁的人行天橋[7]，我國于1982年在北京密云建成了一座全GFRP蜂窩箱梁公路橋[7]，近年來，大量全GFRP橋面板的靜力試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)表明[8-11]，合理截面形式的全GFRP橋面板能滿足實(shí)際工程使用。但全GFRP橋面板剛度較低，工程中不得不增加構(gòu)件的用量來加強(qiáng)橋面板的剛度，且GFRP價格較高，導(dǎo)致全GFRP橋面板經(jīng)濟(jì)性較差，因此大部分全GFRP橋面板用于人行天橋或小型橋梁。

GFRP與其他材料組合使用成組合結(jié)構(gòu)形式，例如GFRP-混凝土組合結(jié)構(gòu)，在橋面板中應(yīng)用廣泛。GFRP型材在下部代替鋼筋受拉，混凝土在上部受壓，兩者采用合理的連接形式組合在一起[12]。郭濤[13]設(shè)計了由三塊單孔GFRP試件黏結(jié)成三孔箱型與上部澆筑混凝土形成組合板構(gòu)件，進(jìn)行靜力試驗(yàn)，組合結(jié)構(gòu)GFRP－混凝土組合橋面板在正常使用階段，能夠充分發(fā)揮兩種材料各自的優(yōu)勢，組合效果良好，相對于傳統(tǒng)的鋼筋混凝土橋面板和全GFRP橋面板，GFRP－混凝土組合橋面板在承載力、剛度和延性都得到了提高；楊勇等[14]對FRP－混凝土組合橋面板試件進(jìn)行了高周疲勞試驗(yàn)研究，在疲勞荷載下，試件剛度和強(qiáng)度均無明顯退化，組合板中FRP與混凝土界面之間未出現(xiàn)明顯滑移，表現(xiàn)出良好疲勞性能；有效的黏結(jié)是兩者工作的基礎(chǔ)，佟兆杰[15]在GFRP－混凝土橋面板靜力實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，GFRP與混凝土接觸面連接方式會直接影響到組合結(jié)構(gòu)的性能，GFRP表面刷環(huán)氧樹脂后覆蓋礫石可以提高兩者黏結(jié)的延性，黏結(jié)后的構(gòu)件在極限荷載80%時才發(fā)生極小滑移。范海豐等[16]設(shè)計了三組GFRP－混凝土橋面板，也同樣發(fā)現(xiàn)，接觸面采用粘砂處理同時設(shè)置抗剪連接件能使連接更加可靠。GFRP—混凝土組合結(jié)構(gòu)能充分發(fā)揮兩種材料各自的優(yōu)點(diǎn)，混凝土可以彌補(bǔ)GFRP剛度不足的缺點(diǎn)，同時GFRP代替鋼筋受拉，抗腐蝕性和耐久性得到提升，且GFRP型材可作為永久性模板，簡化施工程序，加快施工進(jìn)度。此外，GFRP－鋼組合結(jié)構(gòu)、GFRP－混凝土－鋼組合結(jié)構(gòu)等其他組合結(jié)構(gòu)在工程中也有應(yīng)用。

2 橋墩

橋墩是橋梁的重要承重構(gòu)件，承受來自上部結(jié)構(gòu)傳來的荷載，橋墩的結(jié)構(gòu)安全對橋梁至關(guān)重要。在沿海地區(qū)的橋梁或跨海橋梁中，海水和空氣中的氯離子通常會侵蝕鋼筋，對橋梁的安全性和耐久性產(chǎn)生負(fù)面影響。

GFRP管鋼筋混凝土橋墩柱，將傳統(tǒng)鋼筋混凝土柱外圍用GFRP管包圍，有效防止氯離子侵蝕橋墩內(nèi)部的鋼筋，延長了橋梁的使用壽命。此外，當(dāng)橋墩受到軸向力產(chǎn)生外擴(kuò)的趨勢時，GFRP管憑借優(yōu)異的抗拉性能，能有效約束橋墩柱，使混凝土處于三向受壓，能更好發(fā)揮混凝土材料的抗壓能力。大量試驗(yàn)表明[17-21]，GFRP管的存在能增大橋墩柱的破壞時的極限承載力和極限變形，承載力和延性得到提高。

GFRP布作為補(bǔ)強(qiáng)材料，也被廣泛應(yīng)用于橋墩結(jié)構(gòu)中[22-24]。與GFRP管類似，GFRP布通常粘貼在橋墩柱表面，約束混凝土的側(cè)向膨脹。與GFRP管不同，GFRP管在橋墩建設(shè)時使用，作為橋墩結(jié)構(gòu)的同時，也為混凝土澆筑充當(dāng)模板。GFRP布則多是后期粘貼，作為橋墩的補(bǔ)強(qiáng)措施。

國內(nèi)外學(xué)者對GFRP縱筋受拉性能研究較多，認(rèn)為GFRP筋受拉性能良好可應(yīng)用于受拉或受彎構(gòu)件。對GFRP縱筋受壓性能，國內(nèi)外研究人員針對GFRP筋增強(qiáng)混凝土柱受壓性能的試驗(yàn)研究表明：GFRP縱筋對正截面承載力有一定貢獻(xiàn)，但是目前對GFRP筋自身受壓性能的研究還處于初步研究階段，需要進(jìn)一步完善相關(guān)測試方法[25-28]。在混凝土柱中，有試驗(yàn)表明，合理位置和間距的GFRP筋作為箍筋能增強(qiáng)混凝土柱的受壓性能，明顯提高軸壓承載力和延性[29-31]，但由于GFRP材料各向異性，在箍筋彎曲部位較為薄弱。

3 桁架

桁架結(jié)構(gòu)由桿件和接頭組成，是目前使用廣泛的桿系結(jié)構(gòu)，桁架結(jié)構(gòu)桿件以軸力抵抗荷載，能充分發(fā)揮材料性能。GFRP桁架橋是采用GFRP拉擠型材作為橋梁結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件的一種新型橋梁結(jié)構(gòu)。GFRP型材纖維軸向分布，與桁架結(jié)構(gòu)單向受力的結(jié)構(gòu)體系十分契合，將其用于桁架結(jié)構(gòu)能夠獲得良好的結(jié)構(gòu)性能和較高的材料利用率[32-35]。

桁架結(jié)構(gòu)中多采用等截面的圓管或者方管，其桿件完全由復(fù)合材料制成。馮鵬等[33]進(jìn)行了GFRP桁架橋梁的靜力試驗(yàn)，認(rèn)為FRP拉擠型材桁架具有較高的承載能力和剛度，在45%設(shè)計人群荷載作用下結(jié)構(gòu)最大變形為2.09 mm，在正常使用期間結(jié)構(gòu)荷載變形曲線呈線性；陳思鵬[36]在GFRP桁架橋荷載試驗(yàn)結(jié)果中得到，在基本荷載組合作用下，各主要構(gòu)件的應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全儲備很高。但跨中撓度接近規(guī)范值，因此陳思鵬建議將撓度變形作為GFRP桁架橋設(shè)計的主要考慮因素。

GFRP桁架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)有機(jī)械連接、膠結(jié)和機(jī)械膠結(jié)混合連接等方式。機(jī)械連接是在構(gòu)件開孔處使用螺栓或銷釘將桁架連接成整體的連接方式。膠結(jié)連接不需對構(gòu)件進(jìn)行開孔，對試件損傷小，但性能和強(qiáng)度受施工質(zhì)量和環(huán)境因素影響。機(jī)械膠結(jié)混合連接試驗(yàn)結(jié)果與其他兩種連接方式對比可以發(fā)現(xiàn)，其力學(xué)性能十分優(yōu)異。Nguyen測試了一些僅采用螺栓連接和螺栓－膠結(jié)連接的CFRP板和GFRP板試樣。結(jié)果表明，在接頭處組合使用鋼螺栓、黏合劑和V型槽口拼接板有助于提高接頭的剛度。此外Higgoda開發(fā)了采用拉擠圓形管狀構(gòu)件和創(chuàng)新的非金屬管狀連接的桁架，其中非金屬構(gòu)件連接，包括結(jié)構(gòu)黏合劑、GFRP桿內(nèi)灌注水泥砂漿和GFRP布纏繞加固，試驗(yàn)結(jié)果顯示，相比于普遍使用黏合劑連接的桁架，發(fā)現(xiàn)GFRP桿內(nèi)灌注水泥砂漿和在弦桿和構(gòu)件連接處使用GFRP布纏繞加固會增加的極限載荷。灌漿GFRP桿試件將極限載荷增加了約71%。組合使用灌漿以及纏繞GFRP布的構(gòu)件極限荷載提升281%。GFRP桿內(nèi)灌漿對桁架延性提升最大，其次是GFRP布纏繞加固。由于節(jié)點(diǎn)處幾何構(gòu)造以及受力情況復(fù)雜，是制約GFRP桁架結(jié)構(gòu)發(fā)展的難點(diǎn)。實(shí)際工程中為保證桁架結(jié)構(gòu)整體變形滿足要求，其應(yīng)力水平很低，無法充分發(fā)揮材料輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)。

4 欄桿

欄桿作為橋梁的組成部分，雖不參與整體受力，但對人們的生命財產(chǎn)安全十分重要[37]。GFRP拉擠型材具有穩(wěn)定的力學(xué)性能和抗腐蝕能力，用于欄桿結(jié)構(gòu)中耐久性好、免維護(hù)，并能設(shè)計出豐富的外觀效果，在橋梁中具有廣闊的應(yīng)用前景。常見欄桿材質(zhì)有鋼、混凝土、鋁合金等材料，鋼材欄桿容易銹蝕需后期定時維護(hù)，混凝土欄桿易損壞且外形不美觀，鋁合金欄桿強(qiáng)度較低，作為橋梁欄桿有安全隱患。隨著纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的發(fā)展，GFRP拉擠型材被應(yīng)用于橋梁欄桿。馮鵬等[38]對拉擠FRP欄桿管件進(jìn)行短管軸心壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)拉擠GFRP管件在板條拉伸和短管受壓時均表現(xiàn)出很好的彈性行為，力學(xué)性能滿足實(shí)際工程需求；崔學(xué)常等[39]設(shè)計的FRP板條式柵欄型欄桿，單側(cè)每米自重約0.35 kN，約為鋼欄桿自重的1/4和混凝土欄桿自重的1/8；GFRP欄桿耐久性能優(yōu)異，重慶交通大學(xué)研發(fā)的GFRP橋梁人行道欄桿，在多處橋梁中應(yīng)用，服役期未做過維修養(yǎng)護(hù)，欄桿的耐久性能優(yōu)異[39]。綜上，GFRP拉擠型材橋梁欄桿有材料輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕材料優(yōu)勢和后期維護(hù)方便等技術(shù)優(yōu)勢，是橋梁欄桿未來發(fā)展的一個方向。

5 總結(jié)

該文介紹了GFRP這一新型結(jié)構(gòu)材料在橋梁工程中的應(yīng)用，GFRP材料憑借其優(yōu)異的性能成為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料的必要補(bǔ)充，解決橋梁工程中腐蝕、劣化等問題，根據(jù)GFRP材料在橋梁不同位置的使用，該文給出以下總結(jié)：

在橋面板中，GFRP材料的應(yīng)用方式有GFRP筋代替鋼筋、全GFRP橋面板和GFRP組合橋面板等。GFRP材料的使用，減輕橋面板結(jié)構(gòu)自重同時提高橋面板延性。

橋墩中使用GFRP管和GFRP布在橋墩柱外側(cè)，防止鋼筋被氯離子侵蝕的同時，增強(qiáng)了橋墩的承載力和延性。GFRP筋在橋墩中也有應(yīng)用，但GFRP縱筋抗壓性能與GFRP箍筋彎曲部分性能薄弱問題還值得進(jìn)一步研究。

GFRP拉擠型材應(yīng)用于桁架結(jié)構(gòu)能充分GFRP拉擠型材的軸向性能，提高材料利用率。但桁架節(jié)點(diǎn)受力復(fù)雜，實(shí)際工程中設(shè)計偏保守。

GFRP欄桿與傳統(tǒng)建筑材料欄桿相比，具有穩(wěn)定的力學(xué)性能和抗腐蝕能力，用于欄桿結(jié)構(gòu)中耐久性好、免維護(hù)，并能設(shè)計出豐富的外觀效果，在橋梁中具有廣闊的應(yīng)用前景。

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收稿日期：2024-04-25

作者簡介：趙鑫（1989-），男，本科，工程師，研究方向：橋梁工程。