摘　要: 樹脂基玻璃纖維增強復合材料( FRP) 拉擠型材具有強度高、變形率低、熱變形溫度高、吸水率低、保溫隔熱系數低、耐腐蝕性強、環境影響小等優點, 用該材料設計、建造的橋梁結構實例在國外已有少量研究。希臘佩特雷大學開發的復合材料橋跨度為11.6 m, 采用復合材料拉擠成型管材和剛節點組成的三維空間桁架結構; 位于瑞士的彭特雷西納橋為2×12.5 m 的復合材料平面桁架橋。2座橋的設計中均通過桁架結構形式使復合材料的輕質高強的優勢得以充分發揮。較傳統混凝土橋、鋼橋, 復合材料桁架橋造價較低, 施工便捷, 應用前景廣闊。
關鍵詞: 桁架橋; 復合材料; 拉擠型材; 應用

1　引　言

　　樹脂基玻璃纖維增強復合材料( FRP) 因為其比強度和比模量高, 耐腐蝕、抗疲勞性、減震性能好以及破損安全性能好、可設計性和工藝性好, 在航天航空、汽車、船舶、化工、電子和建筑等行業中已有廣泛的應用。從20世紀70年代末開始, 復合材料在橋梁工程中逐漸得到應用。目前, 復合材料在橋梁工程中的應用主要包括:①橋梁構件的加固補強;②橋梁構件的替代應用, 如橋面板;③新人行橋和公路橋梁的設計和建造等方面。
　　FRP結構的拉擠型材和夾層結構在新建工程中已得到了應用, 在人行橋梁和橋面板應用上, 材料自重輕、強度高、成型方便、耐腐蝕、抗疲勞等特性發揮了很大優勢。座FRP人行橋在20世紀80年代投入使用, 而20世紀90 年代末期, 出現了早的FRP橋面板。在近10 年中, 復合材料人行橋和輕型車輛橋的設計和建造上取得了很大進展。
　　采用復合材料拉擠型材設計建造桁架結構橋梁具有廣闊的應用前景。該設計方法對于結構形狀的限制較小, 可以預先拉擠形成標準構件, 對于運輸需要考慮的長度沒有限制, 同時因其現場組裝方便, 也適用于應急搶修橋梁的建造。

2　拉擠型材復合材料概念

　　拉擠成型工藝是一種能夠經濟的連續生產復合材料的制造工藝。該工藝是將纖維束或纖維織物通過紡架連續喂入, 經過樹脂膠槽將纖維浸漬, 再穿過熱成型模具后進入拉引機構, 按此流程可制成連續的復合材料制品。拉擠工藝可生產出截面形狀復雜的連續型材。
　　由于拉擠型材中纖維主要沿軸向, 且纖維含量高, 有很好的受力性能, 可直接作為受力構件, 也可以與其它材料組合受力。但拉擠型材的橫向強度和剪切強度較低, 可在拉擠成型工藝中復合一定數量的氈或對拉擠型材進行纖維纏繞, 對其力學性能進行改善。拉擠成型復合材料主要采用不飽和聚酯樹脂, 約占拉擠成型工藝樹脂用量的90% 以上, 另外還有環氧樹脂、乙烯基樹脂、熱固性甲基丙酸樹脂、改性酚醛樹脂、阻燃性樹脂等。拉擠工藝用的增強材料主要是玻璃纖維及其制品, 如無捻粗紗、連續纖維氈等。為了滿足制品的特殊性能要求, 可以選用芳綸纖維、碳纖維及金屬纖維等。
　　拉擠成型復合材料制品主要有強度高、變形率低、熱變形溫度高、吸水率低、保溫隔熱系數低、耐腐蝕性強、環境影響小等諸多優點。

3　國外應用概況

　　拉擠成型復合材料橋梁的設計、建造在國外已有少量研究, 本文選取了較具代表性的希臘佩特雷大學開發的復合材料桁架橋和位于瑞士阿爾卑斯山的彭特雷西納橋進行介紹和分析, 前者為復合材料空間桁架結構, 而后者為復合材料平面桁架橋。
3.1　復合材料空間桁架橋
　　圖1為希臘佩特雷大學于2005年開發出的采用復合材料拉擠方管拼裝而成的輕便橋梁, 該橋跨度為11.6 m, 寬度為4.2 m, 高度為1.2 m( 見圖2) ,可滿足30 t 的車輛荷載要求, 而其自重僅為13.5 t ,其承載能力與其自重相比遠優于傳統建筑材料。因為橋梁大允許撓度(L/800, L為橋梁跨度) 決定了相應的剛度要求, 拉擠方管的幾何尺寸也相應確定, 該橋所選取的拉擠方管構件截面尺寸為156mm×156 mm, 壁厚13 mm。

　　該橋為復合材料拉擠成型管材和鋼節點組成的三維空間桁架結構( 見圖3) 。主梁由若干奇數個大型“復合”長梁分上、下層縱向排列而成, 主梁間由一系列相同截面的拉擠方管構件, 用塔尖形拼接節點(見圖4) 相互連接構成橋梁骨架。節點之間, 由1組橫向放置的箱形構件連接, 以提供附加剛度和橫向穩定。桁架頂端, 包括正梯形和倒梯形2種拉擠的面板結構( 見圖5) 以及橋的其余部分采用粘接及錨固措施連接, 每種連接方式都可獨立承受剪切荷載。

　　該橋設計可看作由節點和其連接的構件所形成的模塊之間的組裝, 因此, 可通過改變寬度方向模塊數量的方法來調整橋梁寬度。而要增大橋梁跨度,則需通過增大2 層縱梁間連接構件的長度來增大桁架結構層的高度, 以保證整橋剛度的要求。通過改變復合材料拉擠型材構件的尺寸, 改變橋梁實際尺寸, 使其適用于不同的環境。
　　與傳統材料相比, FRP 材料彈性模量較低, 桁架構件上的應力遠沒有達到所限大應變時的應力標準值, 所以失效只會出現在節點處。節點的失效除了材料斷裂, 還包括塑性變形, 因為那會導致桁架構件上彎曲或扭轉荷載的發展, 使構件在節點處發生松動。所以節點的設計需保證處于彈性范圍內。
　　結構設計中采用桁架雖然較為傳統, 但是能為結構提供更高的彎曲剛度, 同時又是節省材料的形式, 并且可以通過有限元分析軟件進行便捷的分析。該橋結構的所有構件均可直接觀測, 并且可應用檢測儀器對結構狀態進行持續監測。施工方面,該橋梁結構可在工廠預制好, 直接運到現場安裝, 施工便捷; 也可將輕便的管材運至現場, 在現場將桿件拼裝形成橋梁。由于復合材料桁架橋具有輕質、拼裝容易等優點, 目前美國也開始研發此類橋梁用于高山、峽谷以及偏遠地區的橋梁建設。
3.2　復合材料平面桁架橋
　　彭特雷西納橋位于瑞士阿爾卑斯山海拔1790m處, 橫跨彭特雷西納的Flaz灣( 見圖6)。該橋為臨時性橋, 主要用于冬天滑雪季節, 因為入春以后水位升高, 該橋需被移開, 直到每年秋季再重新安裝。彭特雷西納橋建于1997年, 到2005年冬天已被安裝移除8 次。該橋梁的概念設計主要受3個因素限制:① 水面上方凈空小, 要求承載結構位于人行通道之上;②每年需進行安裝/ 拆卸的循環;③制造商可提供的復合材料拉擠型材形狀尺寸。復合材料的選擇主要基于其自重輕, 符合安裝/ 拆卸循環的要求, 還有其預期幾乎為零的維護費用。
　　彭特雷西納橋采用復合材料拉擠型材拼裝而成, 全橋由2 段12.5 m 跨度的橋梁組成, 每跨橋梁通行道路兩邊有高1.48 m 的桁架梁( 見圖7)。橋梁總寬度為1.93 m, 梁間凈寬度為1.50 m。每跨橋重1.65 t( FRP 材料1.2 t、橋面格柵0.3 t、鋼支座及錨固件0.15 t), 可用直升機輕松移除和安裝而無損傷(見圖8)。該橋僅需要5種型號的FRP 拉擠型材建造, 采用區分拉壓桿件的X形桁架梁, 以提高結構效率并減小節點荷載。

　　該橋根據瑞士結構規范SIA161(SIA1990) 按人行橋荷載設計, 需承受4 kN/ m²的均布荷載和1個10 kN 的集中荷載。另外, 根據規范, 相應于1790 m 海拔高度需要考慮9 kN/ m²的雪荷載, 此雪荷載將成為控制荷載。但是, 為了保證橋梁的通行, 積雪通常會被迅速清除, 所以根據橋梁所有者的要求, 設計假定雪荷載僅為1.2 kN/ m², 此荷載只相當于30 cm 厚壓實積雪。
　　2跨橋體的桁架節點分別使用錨固和粘接。錨固節點可看作為半固接, 具有很小的轉動能力; 粘接節點則作為全固接節點, 無轉動能力。粘接劑為環氧樹脂, 粘接處復合材料表面的處理包括丙酮清洗和除污, 對表面層進行機械刮磨, 直至上層纖維暴露出來, 隨后重新清洗并除污。
　　因為粘接次用于主要承載連接, 所以另加了備用螺栓作為安全儲備。粘接本身具有足夠的剛度, 螺栓不用擔任荷載傳遞工作, 但螺栓仍然具有另外2 個用途: 粘接加工時便于節點固定; 抵消輕微預應力導致的剝離應力, 雖然預應力可能因為復合材料蠕變而在一段時間后消失。螺栓緊固過程中在緊固面放置間隔管, 防止管件壓碎。

4　結　語

　　輕質復合材料桁架橋具有重量輕、強度高、可工業化生產、拼裝迅速、耐腐蝕性強、免維護的顯著優點?？捎糜趹馉帯⒌卣鸬葹暮Πl生時的橋梁搶建搶修工程, 實現河流、峽谷等惡劣自然條件下橋梁的架設, 對場地的適應性強, 對于應急救災的快速、機動具有重要的作用, 可為應急部門儲備。
　　該輕質復合材料桁架橋也可用于永久橋梁的建設, 直接將工廠預制好的復合材料桁架橋運往橋址區進行吊裝、架設即可, 無需復雜的施工機具, 施工周期短; 在峽谷等運輸車輛通行不便的條件下, 也可將預制好的復合材料桿件運往橋址區后, 再進行桁架結構的拼裝, 施工便捷。較傳統混凝土橋、鋼橋,復合材料桁架橋造價較低, 具有顯著的優勢與市場競爭力, 因而可用于人行橋、施工臨時棧橋等, 具有廣闊的應用前景。