桥梁工程的现代材料—碳纤维增强聚合物.pdf

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1、t,o f f 7 河南交通科技 1 9 9 4 年第 4期(总第 6 0 期)桥梁工程的现代材料碳纤维 增强聚合物 6 7 重庆交通 学院 河南 省交通 厅【内容提要】本文论述桥梁建筑中近年来所利用或不久将得到应用的纤维复合材料，对碳纤 维复 台材科的研究与应用进行 了综述，并 用碳 纤维缯 强环氧树脂 的例子来说明不远的将来所能够期 望得 到的发展【美 键 词 牛现 代 1 前言 什么是桥梁工程的现代 材料?我们先讨 论 2 l世纪桥梁工程的需 要，如靠裂缝周围 产 生的压 应力来 限制裂 缝发展 的 智能 材 料。当由于反复应力作用产生裂缝时，从裂 缝尖端应力诱导变换，通 过体积变 化限

2、制裂 缝。这是一种可 自我防护的材料。有 趣 的是，本 文所 论 述 的 不仅 实 用 于桥 径叉 比较大(2 0米左右)的钻孔桩，是更为 适 用的。此外，如桩壁较薄，且无坍孔的情 况下，亦可 考虑采用多报柔性导管，浇 注在 水 中不分散、不离折的新型水下沉凝土形成 空 心 桩。填 石 压 浆 混凝 土空 心桩 这 一 新 的成 桩 工 梁 工 程 而 且 也 适 用 于 其 它 的 工 程。除 了“智 能材料 外，已应 用于 桥梁 工程的现代材料 品种还有许多种。本文主要论述碳纤维复合 材料 2 土木工程 中先进的纤维复合材料 第 一次有 重要意义能独立 支承 的复合材 料结构 是 5 O年

3、代 后期设计 的，由玻璃纤 维 增强的不饱 和聚醋树脂制成的材料主要用于 艺，对我们来说 的确是实践伊始，还有很多 问题值得探讨 且 由于我们水平低，掌握资 料 少，上 述 几 个 方 面，谬 误 之处 在 所 难 免，敬请省 内外专家学者 以及桥梁界 同仁多加指 正，以使这一 成桩工艺 日趋完善，为发展我 国钻孔桩施工技术开拓新的前景!参考文棘(1 滕幅崇、周壬壬译：水下混凝土施工法 赤雄三、关博(日)著；(2 3吴同慧廖颜友：填石压浆空心桩大有可 为，钻孔桩基花絮孰 湖南省公路学会 i 9 9 1 年 交 流论 文；(3)赵化琳、王福生：用预埋骨料压力薄浆法处理钻孔桩局部缺陷，公路孰1 9

4、 9 0 1；C 4 3李大明：日本大跨径桥梁深水基础施工方法，公路孰1 9 91、6；C 5 3 卢世 深译：马拉开 渡海 湾大 桥，桥 梁译丛 魏1 9 6 4 4；(6 3交通部公路科学研究所 河南省交通厅公路管理局：钻埋大直径预应力空心桩施 工技术 鉴定 资料，1 9 9 2 5。1 0 维普资讯 http:/ 河南交通科技 1 9 9 4年第 4期(总第 6 0期)板 和 壳 层 结 构，以 及 一 些 折 板 或 和 管 式 结 构，这 些 结 构 在 过 去 2 5年 多 的实 践 中 得 到 了检 验。首次应用纤维复合材料建成桥梁是在 7 O 年代 和 8 0年 代初，在美 国

5、、僳加利、以 色列和 中国，但 长期 以来有关这些桥 的情况 很少有信息报导。碳纤维增强塑料【C FRP)在桥 梁结构 中的应用，特别是作为斜拉桥和悬索桥的拉 索，近来又更多地用作预应力索，已成为近 几 年 议 论 的 话 题 1 9 9 1年，首 次 在 一 座 8 0 米长 的 预 应力桥 梁 中 用 C FRP来 进行 了局部 增强。是什 么原 因在 近几年里，不断地增加资 金授 人 纤 维 复合 材 料在 桥 梁 结 构 中应 用 的 研 究与发展呢?世界范围的公路机构正在努力 解决不断增长的桥梁损坏 问题，其关键在于 应 用和 发 展 先 进 的复合 材 料。纤维 增 强 塑 料 有

6、 可能消除不 良环境导致金属腐蚀等许多I可 题 世界上许多大学、政府部门和工 业厂商 一直在从事复合材料在桥梁构造 和加 固工程 中应用的研究。如玻璃纤维、硼纤维、芳纶 纤维和碳纤维等都是应 用于桥梁结构中的主 要 选择材料，根据它们优越的性质和将来 预 计降低 的价格，笔者认为最有可能应用的是 碳纤 维。这 种 材料具 有如 下 特性：良好 的抗 腐蚀性和抗疲劳性；低 比重而具有很高的刚 度和强度；纤维取 向只有很低的线性热睁胀 系数 因此下面将 重点讨 论 碳纤维 复合材 料。3 碳纤 维 理想的结构材 料主要位于元素周期表靠 近中部 的那些元素，也包括碳，其原子层 间 形成 强而稳定的结

7、合，这些材料刚度大，强 度高，能经受多种化学腐蚀环境，直到很高 的温 度 此 外 比重小，朦 材 料几 乎 可 无 限量 地 得 到。碳纤维的生产是靠把聚合物挤压成连续 的丝线，这种丝线在除去混杂元素的惰性气 体 中，经 3 5 0至 1 6 0 0 C 温 度 的 热 处 理【碳 化)后，能在 2 0 0至 3 5 0 的空气 中稳定地 加 工。最终所得 的碳纤维的化学性质可以在 特 殊温 度 1 3 0 0至 3 0 0 0 下，经 继 续 热 处理 修：商 碳纤 维弹性 模量约为 2 3 0 GP a，是 已有的高强度、低模量 的纤维 高模量 的纤 维数量值在 4 8 0至 7 0 0

8、GP a之间。改善碳纤 维 化学性质 的许多重要工作今天仍 在研究室 中进 行，完全 整齐 排 列 的碳 纤 维 的理 论 弹性 模 量 约 为 I O 0 0 GP a(如 图 1 所 示)，是 理 论 强 度 和 市 场 上 可 得 到 的 纤 维 的 强 度 和 刚 度 值。3 0 =言 嚣 2 0 鞲 磊 0 碳 纤 维 将 f、口 J H 、，I 市 场 上 可 得 到 的 纤 维 20 0 40 0 7 =分商两块板所需要的单位表面能=4 2 1 d=板 之间 的距离=市场可 得到 的纤维f 搬 艰值)图 l 碳 纤维 将来 的潜 能 4 碳 纤 维增 强 塑料 初看起来，碳纤维的

9、复合材料和基体似 乎没 必 要 做 得那 么复 杂。那 为什 么不 筒单 地 把 碳或石 墨棒用 来加 强桥 粱呢?如似 上指 出，碳 是 一 种 很稳 定的 材 料，有 些 突 出的 性 质 为周期 表中部 的一些元素所共有。然而，过 去 由于 这 种 材 料 的脆 性，几乎 不 能 用作 结 构材料。碳 表面微小的凹槽 或微小的变位或 均质体 内的其它裂纹能导致这 种材料组成的 构 件过 早 地 突 发严 重损 坏。而 在 任 何大 小 的 构 件 中，幂可 避 免 存 在 着 裂 纹。无 论 如 何，l I 维普资讯 http:/ 河南交通科技 1 9 9 4年第4期(总第 6 0期)统

10、计研究表明：以纤维形式生产的石墨，其 强度能大大增 加。复合材料中的裂缝 并不象 密 实体 中的裂缝那样突然扩展。纤维中的裂 纹不会 引起 构件破坏 当把纤维置 于基体 中 时，纤维能在离裂缝不远处再次承受负荷。要大大增强纤维复合材料在工程 中的重 要性，关键在于把各种材料(纤维基体)的 性质按预定的方式结合产生新的可获得的特 殊性 质，但困难较大，或与普通材料相 比成 本较高。三十年来航空航天工程的发展，为 纤维复合材料 的研究提供了丰富的资料。5 用碳纤维增强塑料薄板结构 过去 2 o年 来，瑞士联邦材料试 验研究 中心研究对现有钢筋舍结构通过把钢板粘贴 到砼上进 行补强，这种技术虽然很成

11、功，但 也 有 一 些 不足 之 处，比如 在 安装 现 场 对 重 的 锕板操 作很难，钢和粘结界面也有锈蚀 的可 能。这 些 难 点就 启发 E MP A 用 超 轻 质 的 C F RP薄板代替钢板作为研究 目标。这种薄板的特点在于重量轻，有相当高 刚度，麈好的抗疲 劳性 及显 著的抗腐蚀性，然而其单位体积 价格 比钢材高 9倍左右。表 l列 出 了单 向 C F RP薄 板 的 性 质，但 是 CF RP具有这些突 出的性质，把它用于当今 的加强筋和预应力构件 中，其价格高昂也应 该是合算 的。下面将要讲 述的 I b a c h桥，就 说明了这个问题要将 1 7 5公斤钢板用在难 以

12、到达的 施工点，改用 CF RP只要 6 2 k 吕 更进一层，要提醒的是在朴强工程 中其材料 价只 占 2 0，而 总工 程费用 中人工 费却 占 8 O，CF RP容易操作，可大 幅度降低劳动 成本的效益更大。图 2和图 3给出了用 CF RP片加强的砼 梁有代表性的力与挠度 力与应 变的曲线。图 3中的曲线是段有任何增强的传统 的 钢筋砼梁与以 0 _ 3 2 0 0 mm 断面的 C F RP片 增强 的相同的粱对 比。用 CF RP增强的粱其 极 限荷载几乎成倍提高。而此时的挠度 只是 未增强 梁的一半。在有普 通钢筋 和 l mm 厚 1 2 CF RP片 增 强 的 7米 梁 中

13、，极 限荷 载 增 加大 约 2 2。挠度 mt fl 再米长的粱受 弯，4个测 逮点 的结果 加蓑点离支 点 0 6 6 米，总荷薮 2 KNo 围 2 变 有 0 3 mm 厚 CF R P片增强的 2米跨径粱的力与应 变睡线。总的力为 2 KN,丹再十加载点。应 变由跨中 的 CFRP片 上 得。围 3 图 3是类似的粱弯曲时 的破 坏情况。初 始裂缝在砼中出现后，内部 的钢筋和外部的 C F RP片承受 了拉应 力。直到 内部钢筋达 到 屈 服点，再增 加 的荷 载 就 由 CF RP承担 最后 维普资讯 http:/ 河南交通科技 1 9 9 4年第 4期(总第 6 O期)本身发生

14、脆性 破坏(拉伸破坏)。如前所说 用 CF R P增 强 的粱 挠度 较 小，但 它还 是足 以 预示 即将 来 临 的 破坏，弯 曲 裂缝 的分 布 同普 通 的粱。荷载实验下所观察 到的各种破坏模型如 下：一 是 CF R P层 的拉 伸破 坏 如 上所述，其 破坏较为突然，剧烈地迅速折断。将要破坏 时，会有一连串的断裂声，可提前预告；二 是一 般情况 下受载 期 间粱的 破坏在 砼受压 区；三是 由于粘结面太粗糙，CFR P片逐渐 剥离；四是受载期 间由于砼 剪切裂缝 开展，会突然发生剥落，这是由裂缝表 面的相 对竖 向位移引起的。这种情况很危险，要求设计 时应仔 细 考虑 剪切 问题。

15、m m裂缝 比例 贴有cFRP 片 裂 缝 竟 度：a J 未 用 CF J 增 强 的 2米 长 的 粱 Z F=1 9 KN；b)卸载后 的粱；c)用 0 7 5 mm 厚 C F R P 片增强 后的 粱、ZF3 0 KN 围 4 图 4表示粘结 的 CF RP片对弯曲裂缝开 展的影响。用 CF RP片增强的粱受相同荷载 时，裂缝 分 布较 均匀，裂 缝宽 度总 和较 小。用 cF RP薄板 增强技术，I 9 9 1年 7月 首次应用于瑞 士 I b a c h桥 的加固。这座桥修 建于 1 9 6 9年，是总长 为 2 2 8米 的多跨箱 形 连续梁桥。已损 坏的桥跨有 3 9米长，箱

16、 梁 截面 1 6 m 宽，中问有纵 向腹板 当在桥上钻 孔 准备安装新 的交通标志时，外腹板 的预应 力 筋 突 然 破坏，其 中几根 被 氧 气 割枪 完 全切 断。因此，政 府特 许重 型车 队暂停通 过桥 梁，直到 加 固完 全 完成。由于破 坏 的 桥跨 通 过 N2 号 高速 公路，这条公路的 L u c e r n e向 车道 在 加 固期 间 就不 得 不 封闭 交 通，而只 能 在夜 间疏导车辆。所有的工作可在一可动的 平 台上 进 行，而 不需 要 昂 贵的 脚 手架，参 与 加 固 工 作 的 专 家，都 为 采 用2 n u n厚，I 5 0 mm 宽 C F RP薄板

17、 加 固的简单 与轻 便程 序 感 到惊讶。目前，E MP A正在进一步研究用预应力 CF RP薄板加固砼结构的可能性。结合型加 固板 的 预应 力 会 对 改善 结 构 的服 务 性 能 起很 大的作用。CF RP的性能如表 2。单向 C F RP薄板性能 表 1 抗 拉强度 口 ：弹性 模量 E：密 度 p 热膨 畦系 数：1 4 82N I l1 lfl 1 2 1 l 53 4 0N mm 1 4 88c 纵 向 0 2 3x 1 0-m 横向 3 4 o x 1 0 mm 加固 n me h桥用 C F RP片的性能 表 2 耋 f 堆类 型：1 3O 0 0,纤维 古量 5 插氏摸

18、量(袖向)E=1 2 9 GP a 向拉伸叠麈 O-=I g 4 MP a 尺 寸：1 5 0 5 0 G O x I 7 5 m叫 2屡 l 5 0 x如 2O n 瑚 1 层)6 悬索结构 中的索 C F RP索有较高 比强度和 比模 量(强度 或 模量 与密度之 比)并且 有 突 出的抗 疲劳 性、良好的抗腐 蚀性 和较低的轴 向热膨胀。这种较高的 比强度能够大大增加所设计结构 的跨径。而较高的比模量能转换成对应相等 的较高模量。施加 的荷载与观察的应变之 比【伸长值 两端点 间原 长)叫做 相对等效模 量【图 5)，这个系数对限制桥梁的挠度是很 重要的。这种相当高的模 量与较低 的质量

19、密 度结合使 CF RP具有能增加水平跨长和预拉 力 的 优势。斜拉桥上较大的周期荷载幅值要求采用 具有优 良疲劳性能的材料。瑞 士联邦材料 测 试 与 研究 室【E M P A)对 l 9根 股 线 的 缆 索 进 行 的测 试 表 明在周 期 荷载 下 CFR P优 良的 性 能【表 3)。对 于 周 期 为 2 x l ff 的 荷 载，缆索有可能比钢材承受至少高三倍的应力幅 1 3 维普资讯 http:/ 河 南交通科技 -。_。-_-。_。_-_ 。_ _-。_。_-_-。_。_ _一 值和较高的平均应力而不会破坏。1 9 9 4年第 4期(总第 6 O期)讪 挞 6 0 f 士 ：

20、40ON，m m 7、I 、l 一 势 l I。=400 N，m 11 t、=200 N m m、卯 mm 2 f f f ON m r n 圉5 等效模量与跨长和预加应力 EMPA禹试 的 CF RP索的 性能 表 j 单般：强厦=l 6 s 0 Nmm 弹性模 量 E L 4 5 0 Nn L 比重 P：1 5 6 gc m 歼 维 旨嚣 v=6 4 5 1 9啦 牛均直 出 5 5 0 N m 羁妫 N Z x l (扭坏 l 垒幅值 2 ：9 0 0 Nmm一 在太跨悬 索结构中缆索的性 能受到腐 蚀影响，暴露的钢结构，养护费较高，这就 突出了 CF R P良好的抗腐蚀性的经 济价值。

21、此外，气 候变化对大 型结构会 引起较大 的热 变化。而具有相 当低轴向热胀 的碳纤维就有 很大的优势。TT O B CF RP股线的性质 表 4 拉伸强 度 3 3 0 0 Nr u m mm 丝示 载最：8 5 0 o N 嚣嚣 誊 6 500 0 N ra m：,矗 麓：，c 横向 5 x l O m 13 ac CF RP索，对于由单向 CF RP股线斜成索的 设计 依据，类似于锕索，但由于材料较强的 各 向异性，也有例外的 若把股线编扭织成 索，有 利于操作，然 而在受力索 内会引起侧 向应 力 同时强度和刚度也会 损失。把股线 无 扭 血地 平 行 排 列使 用 才 基 本 符 合

22、 强 度 要 求。将股线用套管封闭起来埋人轻质聚合体 中，或 者生 产碳纤维增强碳(CF R C)索才 能满足各项要求。设计时，应尽量将其耐久 性与较好的力学性质和可能承受的价格相结 7结 论 如 前 面 的例 子所 说 明 的，现 供材 料能 够 并且将在桥梁的加 固和修复 中起关键作用 对 于新型桥梁结构，使 用耐久性较好的材料 是有效地针对 当今腐蚀和疲劳 问韪的一种选 錾 蓝 U g 褂 靼$霹 露 ：舛 9 91 年 CF RP 钠 格关 系 J 未来 CFRP，钢可 能 的 价格 关系 一 EMP A测试过的第一组股线 由 T 3 0 0纤 维和环氧树脂基体组成。&前所研究应用于

23、对一般悬索桥 当今的C F R P 与钢价格相当的跨径 大型结构 中的股线 由 T 7 0 0纤维的 2 4 K粗纱 为4 2 0 0 m 和环氧树脂 体系组。测量的性质列予表 3和 图6 表 4 o 。一(下 转第 1 7页)把 以上 提 到 的 股 线 组 合 起 来 就 翩 戚 了。1 4 维普资讯 http:/ 河南 交通 科技 1 9 9 4年第 4期(总 第 6 O期)涵受力更加合理；(3)由于立柱 和梁 的作用可最大限度地 减 少箱身顶板的厚度，从而保证 道渣 厚度、箱涵设计净空，提高路面设计标高；(4)采 用 此 方 案，可 比上 述 四 个方 案 中 的任何一个方案都节省资金

24、；(5)由于简化了许多工序，它可比前述 设计缩短工期；(6)由于 矩 形 外形 设 计，消 除 了 1 方 案 中主 动 土 压 力 可 能 产 生 的使 箱 身 转 动 的扭 矩；铁路中心线(7)无 论是从铁路 上看 还是公路上看 外形设计都较美观。3 最后设计方 案 最后设计采用第 四种方案【详见 图 3)箱桥宽度 4 2 5 8 m,是国内目前最宽的箱形顶 进铁路立交桥之一；在底板和顶板上各设三 道大 粱，上 下 梁 之 间 以圆 柱联 接。设 计 总顶 力 为1 5 0 0 0 KN，顶 程1 5 r m基 坑 土 方 5 8 0 0 m3，箱 涵 顶 进 挖 运 土 方 4 7 3

25、0 ，钢 筋 加工 1 0 5 T，箱身 4 0 昆 凝 土 5 6 0 mj。箱桥 中线 L 一!一 f。图 3 矩形 加大 粱、立柱箱 形框 架结 构(上接第 1 4页)择。实际上现代材料可能成 为未来桥梁工程 新发展的关键 因素(如特大跨径的斜拉 桥和 组 台桥)。同时又 有许多 有待解 决的 问题。图 6给 出 了一 般 悬 索 桥 以桥 跨 为 函数 的 CF RP与钢的价格关系。“无盈 亏的跨长 即 从钢变化到 CF RP经济上被认为是台算的跨 径大 约是 4 2 0 0米。另一方 面，考虑到在没 有长期使用有关材料经验的可靠基础时，真 要修建这样一种结构，显然是不现实的。现 代材料或许最先用于加固桥粱，除 了包括外 部预应力索和斜拉桥上的高强度索外，用作 增强片层是没有问题的。现代材料不仅对桥 梁结构的创新意义重大，而且本身也成 为技 术革新 的促进 因素 译 自：S t r u c t u r a l E n g i n e l r i n g I n t e r n a-t i oh a l Vo l u m，Nu mb e r 1，1 9 9 2 l 7 T，。1 维普资讯 http:/