FRP桥面结构的应用背景
钢材锈蚀和混凝土劣化是影响钢筋混凝土构件和钢构件耐久性的主要原因,它不仅影响着结构的使用寿命,还会导致许多安全隐患,甚至造成事故。由于桥梁结构长期暴露在自然环境中,加上寒冷地区的除冰盐、近海地区的氯离子等原因,使得桥梁结构的锈蚀退化问题尤为突出。其中桥面板等上部结构直接承受轮压荷载和除冰盐,腐蚀损坏为严重,不仅对结构安全形成潜在威胁,还带来很大的交通安全隐患。因此,桥面结构的劣化一直是困扰公路桥梁的一个“顽疾”。纤维增强复合材料(FRP)有很好的耐腐蚀性能,因此用FRP作为桥面结构是获得坚固耐久的桥梁上部结构的一种有效方式。
FRP桥面体系与传统的钢筋混凝土桥板相比有以下优势:
(1)工厂中加工成型,重量很轻,安装速度快;
(2)能够抵抗除冰盐、海水、空气中氯离子的侵蚀,维护费用低;
(3)恒载小,可减少支撑结构和下部结构负担的荷载;
(4)弹性结构,并且通常设计截面尺寸由挠度控制,偶尔超载可以弹性恢复;
(5)疲劳性能好。
在工程应用中,可以直接用FRP桥面体系建造新桥梁,也可以用于旧桥修复,即用FRP桥板替换原有的混凝土桥板,可减轻桥面结构自重,甚至可以提高荷载等级,并具有更好的耐腐蚀性。
从20世纪70年代开始,在英国、、保加利亚、美国、日本等地都有一些试验性的FRP桥梁建成。我国1982年在北京密云建成了一座跨径20.7m、宽9.2m的GFRP蜂窝箱梁公路桥,箱梁构造如图10.1-1(a)所示。该桥为上座FRP结构的公路桥,设计荷载为汽车-15级,挂车-80级。1987年经过一次改造,承重结构改为钢筋混凝土面板―GFRP箱梁组合结构,(见图10.1-1(6)),建成使用23年后,因道路扩宽拆除。同期,国外也在进行FRP桥梁的研究,并有一些试验性的桥梁相继建成,这些研究的出发点都是利用FRP轻质高强的优点来建造大跨度的桥梁。20世纪90年代中期,在北美地区,随着公路桥梁中桥面结构劣化问题的日渐突出,用FRP建造桥面体系来获得良好的耐久性成为桥梁结构应用FRP的主要原因,1996年开始在实际工程中试用。此后,FRP桥面体系在美国和加拿大发展迅速,目前美国已有近百座桥梁采用了FRP桥面体系,并进行了大量的相关研究。

在我国,相关的研究工作起步较早,但应用开发比较滞后。在早期交通部公路科研院、重庆交通学院等单位都曾进行过FRP桥梁体系的相关研究,近期清华大学、同济大学、东南大学和兰州交通大学等单位也开始从事FRP桥面体系的研究,但相应的产品和应用不多。清华大学和北京玻璃钢研究院联合开发了高性能FRP桥面板体系,并进行了系统研究。
美国1996年以后开始在公路桥梁的改造中大量采用FRP材料。1996年,美国Kansas州Russell的无名沟壑上架起了座采用FRP桥面板的公路桥,如图10.1-2。该桥净跨6.48m,宽8.46m,设计荷载等级HS-20级,现场施工只用了8小时。同年,加州大学SanDiego分校的研究者也将FRP桥板安放在公路上进行了现场试验。此后FRP桥面的应用发展迅速,Ohio州甚至制订了6年内在100座桥梁中应用FRP桥面的计划。在英国、荷兰、韩国等地也有一些FRP桥面建成。到目前为止,范围内采用FRP结构和FRP组合结构的桥梁已经超过了100座,大约有80%为FRP桥面体系,材料绝大部分为GFRP,其中大多数在美国。









































