摘　要: 树脂基玻璃纤维增强复合材料( FRP) 拉挤型材具有强度高、变形率低、热变形温度高、吸水率低、保温隔热系数低、耐腐蚀性强、环境影响小等优点, 用该材料设计、建造的桥梁结构实例在国外已有少量研究。希腊佩特雷大学开发的复合材料桥跨度为11.6 m, 采用复合材料拉挤成型管材和刚节点组成的三维空间桁架结构; 位于瑞士的彭特雷西纳桥为2×12.5 m 的复合材料平面桁架桥。2座桥的设计中均通过桁架结构形式使复合材料的轻质高强的优势得以充分发挥。较传统混凝土桥、钢桥, 复合材料桁架桥造价较低, 施工便捷, 应用前景广阔。
关键词: 桁架桥; 复合材料; 拉挤型材; 应用

1　引　言

　　树脂基玻璃纤维增强复合材料( FRP) 因为其比强度和比模量高, 耐腐蚀、抗疲劳性、减震性能好以及破损安全性能好、可设计性和工艺性好, 在航天航空、汽车、船舶、化工、电子和建筑等行业中已有广泛的应用。从20世纪70年代末开始, 复合材料在桥梁工程中逐渐得到应用。目前, 复合材料在桥梁工程中的应用主要包括:①桥梁构件的加固补强;②桥梁构件的替代应用, 如桥面板;③新人行桥和公路桥梁的设计和建造等方面。
　　FRP结构的拉挤型材和夹层结构在新建工程中已得到了应用, 在人行桥梁和桥面板应用上, 材料自重轻、强度高、成型方便、耐腐蚀、抗疲劳等特性发挥了很大优势。座FRP人行桥在20世纪80年代投入使用, 而20世纪90 年代末期, 出现了早的FRP桥面板。在近10 年中, 复合材料人行桥和轻型车辆桥的设计和建造上取得了很大进展。
　　采用复合材料拉挤型材设计建造桁架结构桥梁具有广阔的应用前景。该设计方法对于结构形状的限制较小, 可以预先拉挤形成标准构件, 对于运输需要考虑的长度没有限制, 同时因其现场组装方便, 也适用于应急抢修桥梁的建造。

2　拉挤型材复合材料概念

　　拉挤成型工艺是一种能够经济的连续生产复合材料的制造工艺。该工艺是将纤维束或纤维织物通过纺架连续喂入, 经过树脂胶槽将纤维浸渍, 再穿过热成型模具后进入拉引机构, 按此流程可制成连续的复合材料制品。拉挤工艺可生产出截面形状复杂的连续型材。
　　由于拉挤型材中纤维主要沿轴向, 且纤维含量高, 有很好的受力性能, 可直接作为受力构件, 也可以与其它材料组合受力。但拉挤型材的横向强度和剪切强度较低, 可在拉挤成型工艺中复合一定数量的毡或对拉挤型材进行纤维缠绕, 对其力学性能进行改善。拉挤成型复合材料主要采用不饱和聚酯树脂, 约占拉挤成型工艺树脂用量的90% 以上, 另外还有环氧树脂、乙烯基树脂、热固性甲基丙酸树脂、改性酚醛树脂、阻燃性树脂等。拉挤工艺用的增强材料主要是玻璃纤维及其制品, 如无捻粗纱、连续纤维毡等。为了满足制品的特殊性能要求, 可以选用芳纶纤维、碳纤维及金属纤维等。
　　拉挤成型复合材料制品主要有强度高、变形率低、热变形温度高、吸水率低、保温隔热系数低、耐腐蚀性强、环境影响小等诸多优点。

3　国外应用概况

　　拉挤成型复合材料桥梁的设计、建造在国外已有少量研究, 本文选取了较具代表性的希腊佩特雷大学开发的复合材料桁架桥和位于瑞士阿尔卑斯山的彭特雷西纳桥进行介绍和分析, 前者为复合材料空间桁架结构, 而后者为复合材料平面桁架桥。
3.1　复合材料空间桁架桥
　　图1为希腊佩特雷大学于2005年开发出的采用复合材料拉挤方管拼装而成的轻便桥梁, 该桥跨度为11.6 m, 宽度为4.2 m, 高度为1.2 m( 见图2) ,可满足30 t 的车辆荷载要求, 而其自重仅为13.5 t ,其承载能力与其自重相比远优于传统建筑材料。因为桥梁大允许挠度(L/800, L为桥梁跨度) 决定了相应的刚度要求, 拉挤方管的几何尺寸也相应确定, 该桥所选取的拉挤方管构件截面尺寸为156mm×156 mm, 壁厚13 mm。

　　该桥为复合材料拉挤成型管材和钢节点组成的三维空间桁架结构( 见图3) 。主梁由若干奇数个大型“复合”长梁分上、下层纵向排列而成, 主梁间由一系列相同截面的拉挤方管构件, 用塔尖形拼接节点(见图4) 相互连接构成桥梁骨架。节点之间, 由1组横向放置的箱形构件连接, 以提供附加刚度和横向稳定。桁架顶端, 包括正梯形和倒梯形2种拉挤的面板结构( 见图5) 以及桥的其余部分采用粘接及锚固措施连接, 每种连接方式都可独立承受剪切荷载。

　　该桥设计可看作由节点和其连接的构件所形成的模块之间的组装, 因此, 可通过改变宽度方向模块数量的方法来调整桥梁宽度。而要增大桥梁跨度,则需通过增大2 层纵梁间连接构件的长度来增大桁架结构层的高度, 以保证整桥刚度的要求。通过改变复合材料拉挤型材构件的尺寸, 改变桥梁实际尺寸, 使其适用于不同的环境。
　　与传统材料相比, FRP 材料弹性模量较低, 桁架构件上的应力远没有达到所限大应变时的应力标准值, 所以失效只会出现在节点处。节点的失效除了材料断裂, 还包括塑性变形, 因为那会导致桁架构件上弯曲或扭转荷载的发展, 使构件在节点处发生松动。所以节点的设计需保证处于弹性范围内。
　　结构设计中采用桁架虽然较为传统, 但是能为结构提供更高的弯曲刚度, 同时又是节省材料的形式, 并且可以通过有限元分析软件进行便捷的分析。该桥结构的所有构件均可直接观测, 并且可应用检测仪器对结构状态进行持续监测。施工方面,该桥梁结构可在工厂预制好, 直接运到现场安装, 施工便捷; 也可将轻便的管材运至现场, 在现场将杆件拼装形成桥梁。由于复合材料桁架桥具有轻质、拼装容易等优点, 目前美国也开始研发此类桥梁用于高山、峡谷以及偏远地区的桥梁建设。
3.2　复合材料平面桁架桥
　　彭特雷西纳桥位于瑞士阿尔卑斯山海拔1790m处, 横跨彭特雷西纳的Flaz湾( 见图6)。该桥为临时性桥, 主要用于冬天滑雪季节, 因为入春以后水位升高, 该桥需被移开, 直到每年秋季再重新安装。彭特雷西纳桥建于1997年, 到2005年冬天已被安装移除8 次。该桥梁的概念设计主要受3个因素限制:① 水面上方净空小, 要求承载结构位于人行通道之上;②每年需进行安装/ 拆卸的循环;③制造商可提供的复合材料拉挤型材形状尺寸。复合材料的选择主要基于其自重轻, 符合安装/ 拆卸循环的要求, 还有其预期几乎为零的维护费用。
　　彭特雷西纳桥采用复合材料拉挤型材拼装而成, 全桥由2 段12.5 m 跨度的桥梁组成, 每跨桥梁通行道路两边有高1.48 m 的桁架梁( 见图7)。桥梁总宽度为1.93 m, 梁间净宽度为1.50 m。每跨桥重1.65 t( FRP 材料1.2 t、桥面格栅0.3 t、钢支座及锚固件0.15 t), 可用直升机轻松移除和安装而无损伤(见图8)。该桥仅需要5种型号的FRP 拉挤型材建造, 采用区分拉压杆件的X形桁架梁, 以提高结构效率并减小节点荷载。

　　该桥根据瑞士结构规范SIA161(SIA1990) 按人行桥荷载设计, 需承受4 kN/ m²的均布荷载和1个10 kN 的集中荷载。另外, 根据规范, 相应于1790 m 海拔高度需要考虑9 kN/ m²的雪荷载, 此雪荷载将成为控制荷载。但是, 为了保证桥梁的通行, 积雪通常会被迅速清除, 所以根据桥梁所有者的要求, 设计假定雪荷载仅为1.2 kN/ m², 此荷载只相当于30 cm 厚压实积雪。
　　2跨桥体的桁架节点分别使用锚固和粘接。锚固节点可看作为半固接, 具有很小的转动能力; 粘接节点则作为全固接节点, 无转动能力。粘接剂为环氧树脂, 粘接处复合材料表面的处理包括丙酮清洗和除污, 对表面层进行机械刮磨, 直至上层纤维暴露出来, 随后重新清洗并除污。
　　因为粘接次用于主要承载连接, 所以另加了备用螺栓作为安全储备。粘接本身具有足够的刚度, 螺栓不用担任荷载传递工作, 但螺栓仍然具有另外2 个用途: 粘接加工时便于节点固定; 抵消轻微预应力导致的剥离应力, 虽然预应力可能因为复合材料蠕变而在一段时间后消失。螺栓紧固过程中在紧固面放置间隔管, 防止管件压碎。

4　结　语

　　轻质复合材料桁架桥具有重量轻、强度高、可工业化生产、拼装迅速、耐腐蚀性强、免维护的显著优点。可用于战争、地震等灾害发生时的桥梁抢建抢修工程, 实现河流、峡谷等恶劣自然条件下桥梁的架设, 对场地的适应性强, 对于应急救灾的快速、机动具有重要的作用, 可为应急部门储备。
　　该轻质复合材料桁架桥也可用于永久桥梁的建设, 直接将工厂预制好的复合材料桁架桥运往桥址区进行吊装、架设即可, 无需复杂的施工机具, 施工周期短; 在峡谷等运输车辆通行不便的条件下, 也可将预制好的复合材料杆件运往桥址区后, 再进行桁架结构的拼装, 施工便捷。较传统混凝土桥、钢桥,复合材料桁架桥造价较低, 具有显著的优势与市场竞争力, 因而可用于人行桥、施工临时栈桥等, 具有广阔的应用前景。