FRP 復合材料橋梁的簡史

 

　　在歐洲，玻璃鋼復合材料初的應用僅限于行人和自行車橋，而現在則服務于上百個應用中。在美國，復合材料橋面和有的橫梁正越來越多地用于行人和公路橋梁建設，但100％的復合結構尚不多見。

 

　　在英國，100％的FRP 復合材料橋仍然為數不多，還沒有作為主流結構出現。大多數應用都涉及到橋面和護欄系統中復合材料的使用，采用拉擠工藝沿著鋼或混凝土主要結構元件制造而成， 或用于加強現有的鋼或混凝土結構。

 

　　這種緩慢的卷取技術是多種原因的結果：

 

　　◆缺乏相關的設計規范

 

　　◆缺乏有使用FRP 材料經驗的結構工程師

 

　　◆缺乏對纖維增強聚合物材料性能的一般認識

 

　　◆缺乏可靠的材料性能數據

 

　　許多大學卻遲遲沒有將顯著的復合材料元素增加到自己的材料和工程模塊，這抑制了復合材料在建筑行業中的應用的增長。然而，隨著相關設計規范的開發和引進，如新的歐洲規范和NGCC（建筑行業的網絡集團復合材料）、英國復合材料以及其他專業行業協會開展的工作，應用程序的數量開始增長。

 

　　在英國，高速公路局和鐵路網已經嘗試使用玻璃鋼橋梁。2002 年完成的Asset West Mill 公路橋是個100％ 的玻璃鋼英國公路橋，鐵路網已經完成了三項全復合材料的人行天橋，每座橋都使用了不同的建筑方法。

 

　　座橋安裝在圣奧斯特爾，并使用一系列的拉擠成型整流罩來建造?？拷既R克浦的Bradkirk 橋，是由AM 結構公司于2009 年建造的，是三者中唯一成型的橋梁。第三座橋安裝在道利什站，它是使用拉擠成型、夾芯板和模制樓梯來進行建造的。

 

　　模制工藝有許多優點：

 

　　◆為建筑師提供了更大的自由度

 

　　◆導致結構更有效并且材料使用更科學，從而降低重量

 

　　◆使得結構使用較少或沒有連接， 這樣可靠性會更高，同時安裝成本也會更低

 

　　然而，由于模制橋梁的幾何形狀更復雜，這就要求有更高水平的工程技巧。拉爾海港吊裝大橋就是這樣的一座橋梁。

 

　　設計創新——標志性的結構

 

　　為了響應登比郡議會關于橫跨北威爾士拉爾港的一個新的升降橋的要求， Ramboll 和Dawnus 制定了一個設計方案，包括2 個鏡像30 米長的橋面，其鉸接在沉箱，且可用電纜抬起到桅桿。近50 米高的桅桿被類似于帆船繩索一樣的索具固定住，這樣使得橋梁和港口從幾英里外就可見?；啓C構及起重電纜都位于桅桿的里面。

 

　　安裝的桅桿直達較低的橫支桿和單純的架構上部。桅桿是由雙相不銹鋼制成的。

 

　　新的橋梁作為一個額外的人行橫道服務于行人和騎自行車的人，橫跨克盧伊德河，該河從拉爾西帕雷迪一直到Kinmel 灣邊新建的公共區域。設計典雅的開放式輕量級橋梁已經成為一個標志性建筑，吸引了眾多游客前往該地區。

 

　　輕巧和雕刻的橋面形狀

 

　　為了給橋梁上游的停泊處提供一個通道，新的行人和自行車道路很可能一天開通幾次，登比郡議會對小化每個起重作業所消耗的能源很感興趣。采用模壓結構FRP 復合材料的橋面成為了設計理念的一個組成部分，以盡可能多地節省重量，減少提升時間并降低能耗。更具紋刻裝飾性的橋面形狀也是可能的，當橋打開時便可以看到一個引人注目的標志性的景象。

 

　　Ramboll 在2009 年年初就接觸了AM 結構公司，討論了跨度橋梁施工的概念，并提供有關生產工藝和重量估計的反饋。AM 結構公司與固瑞特公司合作，討論了橋的結構，并初步研究證實一些小的改動底部幾何形狀的橋梁概念是可行的，且與鋼結構相比，FRP 橋面會在很大程度上節省重量。更新的設計被證明是成功的，AM 結構公司因此拿到了Dawnus 的設計及建造合約，制造兩個橋架。

 

　　深入分析動態行為

 

　　由于固瑞特以前有過關于Bradkirk 大橋和其他許多輪廓結構的合作，AM 結構公司簽約了固瑞特以開展橋面的詳細結構工程。這些提出了一些有趣的挑戰。部分出于美觀的考慮，橋面很修長， 但是同時還要確保近海救生艇有足夠的空間來通過所有潮位降低的橋梁。由于復雜的幾何結構以及橋面輕巧修長的設計，須詳細考慮行人荷載下的橋梁動態行為。

 

　　這座橋主要是用具有縱向剛性碳纖維的玻纖增強材料設計而成。內部結構由一系列的橫艙壁和縱向梁鋪設到一個雕刻結構外殼。橋面被制造成典型的三明治形式，并用專有的防滑耐磨層封頂。用螺栓固定在內部橫艙壁的欄桿安裝支架是不可見的。

 

　　固瑞特廣泛利用有限元分析，通過使用歐洲規范的負荷模型來進行橋梁的瞬間動力學分析。除了人群荷載情況， 也分析了大量的負載條件，如行人群體步行和跑步過橋。該分析針對橋面板的縱向和扭轉剛度優化了層壓板，以滿足所需的舒適度標準。

 

　　制造的質量控制

 

　　使用客戶端的幾何3D 文件直接注塑模具是由數控加工制造的，采取發泡聚苯乙烯泡沫，用環氧樹脂層壓板清除表皮層，然后進行整形和打磨，以達到所要求的高質量。AM 結構公司建造橋梁時采用了固瑞特CorecellTM M-Foam，Ampreg21 環氧樹脂以及玻璃纖維和碳增強材料的混合物。

 

　　QE1200 編織玻璃多軸用于大多數結構，可以使得每公斤的增強材料成本得以降低。為了降低勞動成本，更好地控制成品層壓件的纖維體積部分，利用機器將蓋織物浸濕。玻璃纖維織物雙軸（典型的是XE900）用于齒橋結構內過度綁扎和加固鏈接。碳木板被納入橋面和下橋結構以提供縱向強度和剛度，這些碳木板由UC800 單向碳纖維制成。

 

　　客戶免費提供了各種用于鉸鏈和吊點的鋼材制造以及用于欄桿安裝的不銹鋼板。AM 結構公司將這些加入到了該結構中事先準備好的開孔。一個調節夾具確保了橋梁吊裝鉸鏈支架系統可以很好地被定位。

 

　　AM 結構公司和威茲復合材料公司簽訂了合同，就質量保證需求提出了建議，開展質量計劃活動，并就質量控制活動，測試和文檔也提出了建議。在項目的一開始就制定了全面的質量計劃， 從而可以確保成品結構的質量控制。

 

　　確保像橋梁這樣的主結構的制造質量，總是客戶和終端用戶所關注的問題， 他們往往不熟悉FRP 復合材料及其制造工序。對于鋼結構，典型的質量控制制度涵蓋了材料性能和證書，焊工資質， 焊接耗材證書，焊接工藝評定，焊接的非破壞性試驗等，而這些程序都很容易理解和記錄。

 

　　對于復合材料結構，在制造的過程中材料性能才得以展現出來，因為疊層基體內的樹脂固化使得固化系統屬性的確認過程，比僅僅從供應商那兒獲得的鋼廠材料證明書要更加復雜。然而，在許多其他方面，復合材料結構的質量保證過程就是鋼制部件同樣過程的真實寫照，幫助客戶樹立信心，并且保證了該結構能以結構工程師所預測的方式呈現。

 

　　拉爾海港大橋質量保證制度是比較全面的，包括了材料認證和可追蹤性， 結構的組成部分包括主體表面、艙壁和橋面的批量測試。進行的試驗包括用層壓板測試來驗證層壓板的力學性能，以及用DMA 測試來驗證固化狀態和樹脂混合比例的準確性。

 

　　在橋梁橋面里面，AM 結構公司提供了切口，并為一系列變色LED燈安裝了線槽，確保了在黑暗中吊起橋梁時展現出一個相當壯觀的景象。

 

　　運輸和安裝

 

　　在AM 結構公司的懷特島工廠里，橋面建造的景象非常壯觀。用汽車輪渡到大陸發貨，然后繼續運至威爾士，再將橋面吊裝到位，這些都吸引著大家。

 

　　每座橋的跨度像是音叉的形狀，它被縱向分割以減少其寬度，方便為公路和輪渡運輸。完成后的人行道寬度為4 米，寬處每個支柱間是3 米寬。每一半在出廠時被預裝其匹配一部分，以確保結合比較完美。曾經現場每個跨度的兩個部分用固瑞特Spabond340LV 結構膠粘合在一起，并且用兩排螺栓固定。到橋內部的入口，通過設在橋面表面的艙口來實現。一個完成的跨度，不包括鉸鏈和欄桿配套鋼結構， 總重量為10.6 噸。鋼結構增加了額外的3.2 噸到每個跨度。比混凝土或鋼要節約很多的替代品出現了。

 

　　到2013 年7 月中旬，當30 米長的橋面吊裝到位時，數百人蜂擁到里爾用自己的相機捕捉這一精彩時刻。

 

　　新的通道需要一個朗朗上口的名字，所以命名比賽開放給當地的小學生。一個獨立的調查小組考慮了超過30 個名字，后選擇了“Pont y Ddraig”（龍騰大橋），這是一個學生提議的。這座橋于2013 年10 月22 日向公眾開放，當時所有參加了命名比賽的學生參與了跨越大橋的次步行。
 

更多詳細報道請關注復材網m.lzzz.net