FRP橋面結構的應用背景

  鋼材銹蝕和混凝土劣化是影響鋼筋混凝土構件和鋼構件耐久性的主要原因,它不僅影響著結構的使用壽命,還會導致許多安全隱患,甚至造成事故。由于橋梁結構長期暴露在自然環境中,加上寒冷地區的除冰鹽、近海地區的氯離子等原因,使得橋梁結構的銹蝕退化問題尤為突出。其中橋面板等上部結構直接承受輪壓荷載和除冰鹽,腐蝕損壞為嚴重,不僅對結構安全形成潛在威脅,還帶來很大的交通安全隱患。因此,橋面結構的劣化一直是困擾公路橋梁的一個“頑疾”。纖維增強復合材料(FRP)有很好的耐腐蝕性能,因此用FRP作為橋面結構是獲得堅固耐久的橋梁上部結構的一種有效方式。
  FRP橋面體系與傳統的鋼筋混凝土橋板相比有以下優勢:
  (1)工廠中加工成型,重量很輕,安裝速度快;
  (2)能夠抵抗除冰鹽、海水、空氣中氯離子的侵蝕,維護費用低;
  (3)恒載小,可減少支撐結構和下部結構負擔的荷載;
  (4)彈性結構,并且通常設計截面尺寸由撓度控制,偶爾超載可以彈性恢復;
  (5)疲勞性能好。
  在工程應用中,可以直接用FRP橋面體系建造新橋梁,也可以用于舊橋修復,即用FRP橋板替換原有的混凝土橋板,可減輕橋面結構自重,甚至可以提高荷載等級,并具有更好的耐腐蝕性。
  從20世紀70年代開始,在英國、、保加利亞、美國、日本等地都有一些試驗性的FRP橋梁建成。我國1982年在北京密云建成了一座跨徑20.7m、寬9.2m的GFRP蜂窩箱梁公路橋,箱梁構造如圖10.1-1(a)所示。該橋為上座FRP結構的公路橋,設計荷載為汽車-15級,掛車-80級。1987年經過一次改造,承重結構改為鋼筋混凝土面板―GFRP箱梁組合結構,(見圖10.1-1(6)),建成使用23年后,因道路擴寬拆除。同期,國外也在進行FRP橋梁的研究,并有一些試驗性的橋梁相繼建成,這些研究的出發點都是利用FRP輕質高強的優點來建造大跨度的橋梁。20世紀90年代中期,在北美地區,隨著公路橋梁中橋面結構劣化問題的日漸突出,用FRP建造橋面體系來獲得良好的耐久性成為橋梁結構應用FRP的主要原因,1996年開始在實際工程中試用。此后,FRP橋面體系在美國和加拿大發展迅速,目前美國已有近百座橋梁采用了FRP橋面體系,并進行了大量的相關研究。

  在我國,相關的研究工作起步較早,但應用開發比較滯后。在早期交通部公路科研院、重慶交通學院等單位都曾進行過FRP橋梁體系的相關研究,近期清華大學、同濟大學、東南大學和蘭州交通大學等單位也開始從事FRP橋面體系的研究,但相應的產品和應用不多。清華大學和北京玻璃鋼研究院聯合開發了高性能FRP橋面板體系,并進行了系統研究。
  美國1996年以后開始在公路橋梁的改造中大量采用FRP材料。1996年,美國Kansas州Russell的無名溝壑上架起了座采用FRP橋面板的公路橋,如圖10.1-2。該橋凈跨6.48m,寬8.46m,設計荷載等級HS-20級,現場施工只用了8小時。同年,加州大學SanDiego分校的研究者也將FRP橋板安放在公路上進行了現場試驗。此后FRP橋面的應用發展迅速,Ohio州甚至制訂了6年內在100座橋梁中應用FRP橋面的計劃。在英國、荷蘭、韓國等地也有一些FRP橋面建成。到目前為止,范圍內采用FRP結構和FRP組合結構的橋梁已經超過了100座,大約有80%為FRP橋面體系,材料絕大部分為GFRP,其中大多數在美國。