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CIVIL AND ENVIRONMENTAL ENGINEERING REPORTS

ISSN 2080-5187 CEER 2017; 26 (3): 161-169 DOI: 10.1515/ceer-2017-0043

Original Research Article

由纤维增强复合材料和混凝土构成的混合桥梁结构

Mateusz RAJCHEL¹, Tomasz SIWOWSKI

Rzeszoacute;w University of Technology, Rzeszoacute;w, Poland

A b s t r a c t

与传统建筑材料相比，FRP（纤维增强复合材料，俗称玻璃钢）具有许多的优点，但由于初始成本高、刚度低（玻璃纤维）、复合材料突然失效等特点，限制了FRP复合材料在桥梁工程中的发展。 为了减少上述限制原因，FRP复合材料和传统建筑材料的结合已经被诸多国家不断研究了20年。 根据特定材料的属性来塑造混合结构，旨在增加刚度和减少成本，同时又不能损失混合桥梁结构的承载能力，轻便性和易用性，以及能够避免复合材料突然失效造成的危险。 接下来，本文描述了20年内由FRP复合材料和混凝土制成的混合公路桥实例，并介绍了第一座波兰FRP-混凝土复合公路桥。此外，本文还指出了进一步研究的方向，以推广这样创新、先进、可持续的桥梁结构。

关键词:FRP复合材料，混凝土，混合结构，桥梁，塑造

介绍

FRP复合材料是现代桥梁建设行业的解决方案之一， 基于其优异的性能：高的极限强度，高的整体耐久性，耐腐蚀性和质量轻的性质。FRP复合材料被认为是很有价值的建筑材料，像钢和混凝土一样在桥梁设计和建筑行业中得到了广泛的应用。

尽管与传统建筑材料相比，FRP（纤维增强聚合物）具有许多优点，但FRP复合材料在桥梁建筑行业中的应用仅限于两个方面:修复和加固现有结构以及对破损的桥面板进行重新铺装。限制FRP复合材料使用的主要原因有其初始成本高，以玻璃纤维(GFRP -玻璃纤维增强聚合物)为主的结构单元刚度低，以及在桥梁工程中难以接受的复合突然破坏情况 。由于大规模和自动化生产FRP复合材料的元素，最初的成本问题也许能很快解决，而刚度低和复合突然失效的安全问题只有通过实施创新的设计解决方案了。

为了减少上述限制原因，FRP复合材料和传统建筑材料的结合已经被诸多国家不断研究了20年。混合梁的结构包括一个复合箱形工字梁(带有单室或双室)或一个圆梁，以混凝土板作为桥面。这两种元件的刚性结合保证了载荷的安全承载。创造混合结构的主要目的是将不同的材料组合在一起，使它们的最佳属性得到最佳的利用。这就是为什么在混合梁中使用不同的建筑材料来承载结构在承受荷载时产生的拉力、压缩力和剪切力。

有初步的研究和初步的应用实例证明，FRP复合材料与混凝土结合是道路桥梁建设行业的一种非常有效的解决方案. 作者在之前的一篇论文中描述了20年间FRP -复合混凝土混合梁的成型过程 ，在此基础上，提出了公路桥施工混合梁的基本造型原则及其在桥梁中的应用， 并以波兰第一座混合梁公路桥为例进行了分析。此外，本文还指出了进一步研究的方向，以推广这样创新、先进、可持续的桥梁结构。

混合公路桥梁的例子

1982年，在中国密云建造的第一座FRP复合材料桥梁受损后，人们采取了修复措施，修建了第一座混合动力公路桥。在大桥通车后的几年里，一个FRP夹层结构的板桥通过加固在板桥顶部的混凝土层，并与FRP复合材料结合，以实现两种材料的协同作用。 在给定的修复措施下，研究表明，该复合材料结构具有良好的性能，将FRP复合材料与混凝土结合应用于桥梁跨中具有一定的发展前景和应用价值。

公路桥的第一个例子是在澳大利亚图文巴的一座桥梁，特意使用了由矩形GFRP型材制成的混合梁。这座桥建于2002年，是澳大利亚第一座FRP复合材料桥。一个跨度为12米，宽度为5米的单跨板结构由0.35米和0.10米高的复合矩形梁和0.10米厚的预制混凝土板组成。将组合梁和混凝土板用环氧胶黏在一起。为了确保所需的刚度和跨度交叉协同,碳纤维增强塑料层压制品粘在底部的跨越横向(图1)。桥跨由两个基本部分构成，每个基本部分由七根组合梁组成。两个基本部分用纵向接头连接在一起。整个跨度的重量不到20吨。几座这样的桥梁已经在澳大利亚得以建成，最近这项技术也已在美国得到应用。

图1所示。澳大利亚图文巴桥的横截面

由碳纤维增强塑料管(CFFT)构成的混合梁最早于2000年在美国加州金斯雨水通道大桥上使用。 桥梁为双跨连续施工，有效跨度为2times;10.05 m。 桥跨由填满混凝土的复合碳纤维增强塑料管和桥面板组合而成，桥面板又由0,18米厚的复合面板组成。甲板的总宽度为13,00米。 横截面可见6根CFFT梁，每根直径为0.34 m，跨幅为2.30 m(图2)。 CFFT梁通过混凝土拉杆和钢锚与桥台和柱子连接。同类型的另一座桥，采用常规的钢筋混凝土板与混凝土填充纤维管梁相结合，而不是采用复合面板制成的桥面板。同样的技术也被应用于许多跨度为10-15米、由十几根混合梁组成的拱桥工程中。

图2所示.美国金斯雨水通道大桥横截面[cm]

2004年，美国德克萨斯州圣帕特里西奥县建成了第一座由混合u型梁组成的梁桥。该桥为双跨结构，跨度为2times;9,75 m。甲板的总宽度为9,10米。每个跨距由12根轴向跨距为0,81米的混合梁组成(图3)。桥面板由普通钢筋混凝土制成。

图3所示.美国圣帕特里西奥州的桥跨截面[cm]

第一座使用非常规混合HBC(高贝利特硅酸盐水泥)大梁的桥是2010年在美国缅因州布思贝建造的尼克伯克桥。 该桥有8个跨度，桥面长度和宽度分别为164米和9.73米。第一个和最后一个跨度是18.2米长，而6个中间跨度是21.3米长。跨截面上有8根高度为0.84 m、宽度为1.22 m的混合组合梁(上翼缘)(图4)。 每根梁由一层直径为12毫米的钢筋加固。在梁上有传统的混凝土板，用钢筋加固，并通过螺栓与混合组合梁相结合。 尼克伯克桥可能是世界上最长的桥梁，其主梁主要由FRP复合材料制成。

图4所示.美国布思贝尼克博克大桥横截面[cm]

2004年，第一座欧洲混合桥在西班牙阿斯图里亚斯的坎塔布里科高速公路上被建造。立交桥包括46米长的四跨连续梁，每一跨分别为10米、13米、13米和10米。层面的总宽度为8.00米。每个跨由三根轴向跨度为2.75米的混合闭合梯形梁组成。复合箱梁采用泡沫填充，与0.15 m厚的钢筋混凝土桥面板通过粘接在梁顶表面的复合型材相结合。

图5所示.坎塔布里科高速公路立交桥跨度截面，跨度[cm]

由混合梁构成的还有两个完全相同的桥梁，2007年建于马德里的M111高速公路上，每个立交桥总共34米的三跨，每个跨度分别为10米、14米和10米。桥面总宽度为20.40米。跨由4根高1,20米的GFRP/CFRP混合箱梁组成。复合箱梁采用钢筋螺栓和环氧胶相结合的方式，与厚度为0.30 m的钢筋混凝土面板相结合。采用复合夹层板作为固定模板，放置在混凝土板下方的梁内外部分(图6)。

图6所示.马德里M111高速公路立交桥，跨度[cm]

第一座由FRP复合材料和混凝土制成的波兰公路大桥

首座波兰混合桥是由玻璃钢复合材料和混凝土制成的，建于靠近喀尔巴阡山地区的首府热舒夫,跨越瑞亚克河。

原钢桁架桥梁因承载能力低、行车道窄、技术条件差，造成了较大的交通限制，现改用木桥面板。新桥为单跨静定结构，纵向坡度为1%。主要工艺几何参数如下:

1. 运载能力:b级，按照PN-85/S-10030标准，即40吨;
2. 有效跨度:21.00米;
3. 桥总长:22.30米;
4. 桥总宽: 10.54 米;
5. 桥面宽度:行车道7.00米(2times;3.50米)，硬带2times;0.50米，单面铺装1.50米，栏杆与窗台2times;0.52米.

混合桥跨由4根FRP组合箱梁与轻质混凝土桥面板组合而成(图7)。 FRP主梁由位于桥两端的两根钢筋混凝土横梁支撑，与桥面板整体连接。固定厚度为0.18 m的板由lc35 /38级轻质混凝土制成，由两组直径为12mm的网状GFRP复合筋加强。板坯采用螺栓与组合梁相结合，置于组合梁的上缘，采用环氧胶黏合。 复合材料和混凝土以同样的方式被整合在跨度的支撑部分。该跨径配有常规沥青路面和保温材料、排水元件、伸缩缝和桥梁屏障。桥梁支座由钢筋混凝土整体桥墩组成，置于深基础上。针对层状地基，深基础采用直径0.60米、长8.00米的钻孔灌注桩，在地基上浇筑而成。每个桥墩被放置在10个桩上。

图7所示，波兰喀尔巴阡山混合桥的横截面(厘米)

图8所示为已通车的桥梁，而详细的桥梁建设和使用技术的描述在论文中。

图8所示，用玻璃钢复合材料和混凝土制成的喀尔巴阡山混合桥通车,波兰

4. 总结

将复合材料与混凝土的优点结合在一起的混合桥梁是目前发展最快的桥梁建设类型之一。这是因为FRP复合材料众所周知的优良特性，如整体耐久性、极限强度和轻量化，以及混凝土的特性，如刚度、低成本和准塑性破坏模式，被成功地结合在一起。这种巧妙的组合应用于混合桥梁工程，混合桥梁很快会因此在发达国家越来越受欢迎。不过，为了使公共当局充分相信其使用的合法性，还有必要继续研究某些类型的混合主梁和在通车后以该材料为主梁的桥梁的性能。在进一步的研究中，需要解释以下问题:

1. 复合材料与混凝土之间的承载能力、整体耐久性及失效机理(机械、胶接);
2. 混合梁随时间的性能(疲劳、蠕变、环境影响);
3. 混合梁在荷载或意外(撞击、火灾)作用下的性能;
4. 混合桥梁的有效无损检测(NDT)和结构健康监测(SHM);
5. 设计指导方针和维护制度；
6. 通过与确认有限元模型.

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