1、 組合結構橋梁設計課程論文題目：FRP在組合結構橋梁中的應用學院： 土木工程學院 專業：* 學號： * 姓名： * 2013年12月20日FRP在組合結構橋梁中的應用1 引言長期以來，鋼筋混凝土或預應力混凝土結構一直存在由于鋼筋銹蝕引起的結構過早退化或結構功能不足的缺點。而我們對材料的要求愈來愈嚴格，這些傳統材料已不能符合此方面的要求，故應運而生了質量輕、強度高、彈性好的復合材料纖維增強復合材料（Fiber Reinforced Plastic，簡稱FRP）。FRP結構在航空、航天、車輛、艦船、化工等領域已經得到了較多的應用，并發展迅猛。在土木工程領域，FRP的應用才剛起步。2 FRP簡介2.

2、1 FRP的基本成分FRP有三個基本成分：纖維、基材及纖維基材的界面。其主要分類見圖2-1。 玻璃纖維纖維 碳纖維 克維拉纖維 聚酯樹脂 基材 環氧樹脂 熱塑性塑料 纖維表面處理界面 基材改質圖2-1 FRP材料的三種成分纖維為強化材料，使FRP材料具有很高的強度和彈性系數，且使FRP材料承受應力時不至于彎曲或破壞。纖維強化材料決定FRP材料機制性能的主要因素，其在FRP材料中主要承受主要負載，限制微裂縫延伸，提高材料強度與剛性，改善材料抗疲勞、抗徐變性能，提高材料使用壽命與可靠性。基材最主要的功能是傳送應力或分散應力到每根纖維中，且使纖維固定在所需要的排列方向，基材也可以保護纖維免受到摩擦或

3、侵蝕，同時基材料也可結合纖維，是復合材料受應力時不至于破壞和變形。纖維基材的界面是決定復合材料使用壽命的重要因素，在截面處具有很高的局部應力，纖維復合材料可能從截面處先被破壞，故纖維基材截面必須具有良好的物理和化學性質，以便使負荷能夠很順利地由基材傳送到纖維。2.2 FRP的分類 1.FRP片材。FRP片材包括FRP布和FRP板。FRP布是由連續的長纖維編織而成，通常是單向纖維布，且使用前不浸潤樹脂，施工時用樹脂浸潤粘貼。FRP板是將纖維在工廠經過平鋪、浸潤樹脂、固化成型制成，施工中再用樹脂粘貼。2.FRP棒材。FRP棒材包括FRP索和FRP筋。FRP索是將連續的長纖維單向編織成繩索狀，再用樹

4、脂浸潤固化而制成，其外形可分為絞線狀和發辮狀；FRP筋是將連續纖維絲通過基底材料進行浸漬膠合后，經拉擠成型技術和必要的表面處理而制成，其外形可分為光圓狀和變形狀。一般來說，纖維含量越高，FRP筋強度越高，但擠拉成型愈困難，典型的FRP筋纖維體積百分比為60%-65%。3.FRP型材。FRP型材包括格柵型、管型、蜂窩型等。FRP格柵是將長纖維束按照一定的間距相互垂直交叉編織，再用樹脂浸潤固化而成。FRP管是將連續纖維束或纖維織物浸漬樹脂后，按照一定的規律纏繞到芯模表面，再經固化而成。FRP蜂窩板由上下面的FRP板和夾心材料組成，故也稱作夾心板，它充分利用了面層FRP材料強度，有很高的比強度和比剛

5、度。2.3 FRP的性能FRP材料的性能與傳統結構材料有很大差別，了解和掌握FRP材料的優缺點，才能在工程結構應用中充分發揮它的優勢，避免其不足。1.物理性質。FRP的比重很小，為普通鋼材的1/61/4，單向FRP的熱膨脹系數在纖維縱向和橫向上不同，差別大小取決于纖維和樹脂的類型以及纖維體積率。2.力學性能。FRP中不同的纖維組成和含量決定了其具有不同的力學性能。單一類型纖維組成的FRP受拉性能的特點是直到破壞仍保持線彈性的應力一應變關系，順纖維向抗拉強度高；FRP的彈性模量相對于鋼材較低；FRP材料的抗壓強度低于其抗拉強度；FRP的抗壓彈性模量也比其抗拉彈性模量小。3.持時特性。FRP在持續

6、荷載作用下，經歷一段時間后會發生突然的破壞，這種現象稱為徐變斷裂，也是FRP特有的性能。FRP在保持長度不變時，其應力會隨時間而逐漸降低，這種現象稱為應力松弛。FRP具有優越的抗疲勞性能，這是因為纖維間內力可以再分配，纖維與基體的復合可以緩和裂紋擴展。FRP棒材的疲勞強度遠高于高強鋼絲，但其抗疲勞性能略低于鋼筋，高溫高濕會降低FRP的疲勞性能。4.耐久性能。FRP是非金屬材料，在腐蝕環境中的耐久性一般要顯著優于鋼筋，從而成為替代鋼材用于腐蝕環境中的最佳選擇。但研究發現，不同FRP對酸、堿、鹽、高溫、潮濕、紫外線等環境條件具有一定的敏感性，處于這些環境中時，FRP的力學性能(如抗拉強度、彈性模量

7、)會有一定程度的衰減，而環境條件對不同FRP的影響是獨特的，故在設計時應考慮所用的材料性能的變化趨勢。3 FRP混凝土組合構件與傳統的橋梁結構相比，FRP橋梁具有一些顯著的優勢。美國聯邦公路局認為FRP作為橋梁上部結構主要有以下優點：輕質、恒載小、可利用的承載力相對高、耐超載、高強、使用壽命長、不銹蝕、不開裂、耐化學侵蝕、模塊化、施工快、施工對交通影響小、相對容易安裝、不需要大型安裝機械、加工環境可控，質量有保證、環境友好、花費節省等。在我國，傳統的混凝土結構和鋼結構橋梁的設計、加工和施工技術都較為成熟，FRP橋梁不可能完全替代它們，FRP橋梁自身具有顯著的優勢。FRP組合結構是近十年內發展起

8、來的一種新型結構形式。FRP與混凝土結合可形成組合構件，如FRP混凝土組合梁板、FRP管混凝土柱等。FRP混凝土組合梁板具有FRP結構的一些優勢，同時又通過使用混凝土彌補了全FRP構件剛度不足、價格較高等缺點，可用于橋梁上部結構中。FRP管約束混凝土以及FRP一鋼管混凝土組合構件，可充分利用混凝土的強度和變形性能以及FRP的高強度，非常適合在橋柱中應用。3.1 FRP混凝土組合粱FRP混凝土組合梁、板的形式很多，比如可以縱向為FRP混凝土組合梁，橫向為FRP一混凝土組合板。其設計概念與鋼混凝土組合梁板相同，即上部混凝土主要受壓，下部FRP構件主要受拉，它們之間通過剪力連接件協同工作。這樣既使F

9、RP得到充分利用，又可以充分利用混凝土獲得較大的剛度。FRP和混凝土之間的剪力傳遞方式是保證其受力的關鍵，目前常見的形式有增強摩擦力、錨栓、機械咬合、FRP剪力件和環氧粘結等。大部分研究都認為采用環氧粘結和錨栓連接相結合的剪力連接方式相對較為可靠。FRP混凝土組合梁的破壞模式主要有以下幾種：混凝土受壓區壓碎而發生彎曲破壞；混凝土剪切破壞；FRP上翼緣受壓破壞；FRP下翼緣受拉破壞；FRP梁腹板剪切破壞；FRP混凝土界面連接破壞。這幾種破壞形式中，除混凝土受壓破壞有一定的延性以外，其他破壞模式都是脆性破壞，因此設計合理的FRP一混凝土組合梁應以第一種破壞模式為主，即混凝土壓碎而發生彎曲破壞。3.

10、2 FRP混凝土組合管FRP管混凝土和FRP鋼管一混凝土都是充分利用材料性能的合理結構形式，核心混凝土約束了FRP管和鋼管的屈曲破壞，同時FRP管的約束使核心混凝土處于三向受力狀態，具有更高的強度和延性；FRP管可充當模板，提高施工速度；FRP管耐腐蝕，可用在鹽度大、濕度高等環境中，解決了腐蝕問題。在受力上，FRP管混凝土與鋼管混凝土相比有兩點不同： FRP管為各向異性，在軸向上通常彈性模量比環向小很多，不宜出現因軸向受壓而與混凝土分離； FRP不會屈服，約束力會隨著混凝土的橫向膨脹不斷提高，約束效果更好。4 FRP鋼組合結構橋梁4.1 FRP鋼組合結構橋面板以大廣高速公路衡大改建段上跨大廣高

11、速的6號分離式立交橋為例，這是我國第一座FRP鋼組合結構公路橋。該橋的橋面采用拉擠GFRP橋面板+鋪裝橋面構造組成，下部結構采用薄壁墩、柱式臺，樁基礎。由于GFRP（Glass Fiber Reinforced Plastic玻璃纖維增強塑料）材料具有彈性模量低和各向異性等特點，簡單地使用GFRP材料制造橋面板不易滿足高性能、低成本的要求。因此，將FRP材料及傳統結構材料進行合理的組合，開發出經濟實用的新型FRP組合橋面板，這是目前國內外主要的研究領域之一。通過對目前國際上通常采用GFRP橋面板產品進行調研和比較，擬定出GFRP橋面板結構的截面形式，如圖3-1所示。 圖3-1 FRP橋面板結構

12、的截面形式在FRP組合結構中，模具是拉擠成型工藝中的關鍵部分，包括預成型模和成型模具的設計與加工。主要是設計和加工出具有足夠強度和剛度、加熱后熱量分布均勻穩定、模腔表面光滑耐磨、摩擦阻力小且具有較高使用壽命的成型模具。在GFRP復合材料型材的拉擠成型工藝方面，采用國內提供的牽引力為25噸的玻璃鋼拉擠機組，性能可滿足生產的需要。4.2 GFRP橋面界面力學性能研究GFRP橋面板和承重梁之間的連接性能是FRP鋼組合結構橋梁要解決的一個重要問題。為了考察GFRP橋面板和承重梁之間連接的可靠性，需進行GFRP橋面板和承重梁的連接試驗，以檢測橋面板和承重梁采用膠接連接時膠接層以及螺栓連接時的抗剪能力。進

13、行GFRP橋面板和承重梁之間界面剪力有限元分析、GFRP拉擠型材-鋼粘結性能推出試驗和GFRP拉擠型材-鋼螺栓連接性能推出試驗。4.3 GFRP橋面板鋪裝試驗研究在FRP鋼組合結構橋梁中，橋面鋪裝層與GFRP橋面板之間的粘結性能極為重要，一旦粘結性能喪失，就預示著GFRP橋面鋪裝已發生或者即將發生破壞。在完成混合料配合比設計與試驗的基礎上，進行GFRP橋面鋪裝拉拔試驗，用于評價粘結層與GFRP面板之間的粘結強度以及GFRP橋面鋪裝體系的粘結性能。拉拔試驗可用于檢測粘結層與GFRP橋面板以及粘結層與鋪裝層之間的粘結性能，同時也能反應鋪裝層的抗拉性能。FRP橋面鋪裝的結構性能是FRP一鋼組合結構橋

14、梁要研究的關鍵問題之一。合理的結構組合對改善鋪裝的受力狀況、提高其整體性能有重要的作用。在完成混合料配合比設計與試驗的基礎上，進行了GFRP橋面板、鋪裝層界面粘接層剪切強度試驗。由于行車荷載的沖擊、振動等引起的垂直力和水平力的綜合作用以及GFRP面板與鋪裝材料之間的熱脹系數不同，都會在粘結層上產生剪應力。當重車特別是超載車在橋面加速或制動時，施加于鋪裝層的水平荷載很大，在粘結層界面產生的剪應力也很大，如果粘結層界面的抗剪強度不足，會導致整個鋪裝層結構失效。為保證GFRP橋面板、鋪裝層結構的安全使用，需要測定粘結層的剪切強度，為GFRP橋面板鋪裝結構的設計及其使用提供依據。此外，還進行了車轍試驗及低溫彎曲試驗，來考察GFRP橋面板的完整鋪裝體系的整體性能。5 結語通過上述可以看出FRP構件與結構在橋梁中的應用和相關研究正在逐