??一、前言?
現(xiàn)代交通的發(fā)展，對橋梁的營運質(zhì)量和壽命提出了更高的要求。鋼材的銹蝕是危及橋梁安全和耐久性的大敵，人們探索過很多防銹措施，但效果并不理想。?
先進復(fù)合材料具有耐腐蝕、重量輕(容重只有鋼材的五分之一至四分之一)、強度高(強度高于高強鋼絲或與之相當)等突出優(yōu)點。為解決橋梁銹蝕問題，最近二十多年中，人們把目光轉(zhuǎn)向新型材料，先進復(fù)合材料建橋技術(shù)的研究與開發(fā)受到重視，并已取得實用性成果。
可以展望在二十一世紀，隨著先進復(fù)合材料工業(yè)的技術(shù)進步、規(guī)模生產(chǎn)和成本的下降，它在橋梁結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用規(guī)模將不斷擴大，并必將把橋梁結(jié)構(gòu)工程提高到一個嶄新的水平。?
二、先進復(fù)合材料的基本特性?
先進復(fù)合材料(Advanced Composites)又稱纖維增強塑料(Fibre Reinforced Plastics，簡稱FRP)，是以非金屬纖維(如玻璃纖維、芳綸纖維和碳纖維)作增強材料，以樹脂(如不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂和乙烯基酯樹脂)作基體材料的復(fù)合材料。樹脂將纖維束結(jié)成整體，既能保護纖維免受機械破壞和化學(xué)腐蝕，又能使纖維整體受力。?
先進復(fù)合材料具有以下特點：
1、強度高。用S玻璃纖維、芳綸纖維和碳纖維做成的復(fù)合材料筋束，其抗拉強度高于高強鋼絲，用E玻璃纖維做成的復(fù)合材料筋束，其抗拉強度與高強鋼絲接近。
2、耐腐蝕。玻璃纖維復(fù)合材料水管的壽命為鋼水管和混凝土水管的兩倍。
3、應(yīng)變關(guān)系直至破斷均呈線性。
4、彈性模量。碳纖維復(fù)合材料的拉伸彈性模量高于鋼材，但芳綸和玻璃纖維復(fù)合材料的拉伸彈性模量則僅為鋼材的一半和四分之一。
5、疲勞特性。碳纖維和芳綸纖維復(fù)合材料的疲勞強度高于高強綱絲，E玻璃纖維復(fù)合材料的疲勞強度則介于普遍鋼絲和高強鋼絲之間。金屬材料在交變應(yīng)力作用下，疲勞極限僅為靜荷強度的30%～40%。由于纖維與基體復(fù)合可緩和裂紋擴展，以及存在纖維內(nèi)力再分配的可能性，復(fù)合材料的疲勞極限較高，約為靜荷強度的70%～80%，并在破壞前有變形顯著的征兆。
6、容重輕。約為鋼的五分之一至四分之一。
7、各向異性。
8、電磁中性。?
9、在高溫下的性能與預(yù)應(yīng)力鋼絲相同。
?三、國外的研究和應(yīng)用情況?
(一)用復(fù)合材料筋代替普通鋼筋的研究?
早在20年前美國就開始在混凝土結(jié)構(gòu)中使用復(fù)合材料筋，主要用于有防腐要求的海洋工程、化學(xué)工程以及要求電磁中性的結(jié)構(gòu)。
近年來針對日趨嚴重的橋梁銹蝕問題，美國聯(lián)邦公路總署安排了在混凝土結(jié)構(gòu)中采用復(fù)合材料筋的科研項目。西弗吉尼亞大學(xué)和亞利桑那大學(xué)分別進行了大量小梁結(jié)構(gòu)試驗。復(fù)合材料筋由玻璃纖維和熱固性乙烯基酯樹脂組成，采用拉擠工藝生產(chǎn)，其玻璃纖維含量占71%，樹脂含量占24%。結(jié)構(gòu)試驗的實測數(shù)據(jù)與理論值吻合，說明復(fù)合材料筋有效地增強了梁體，也說明傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)理論可適用于復(fù)合材料筋混凝土梁。但由于其彈性模量低(53?6GPa)，變形量可能成為控制設(shè)計的因素。
然而，若將復(fù)合材料用作預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的力筋，則效果會十分理想。
(二)復(fù)合材料力筋預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的研究與應(yīng)用?
力筋所采用的非金屬纖維材料，包括玻璃纖維、芳綸纖維和碳纖維。
1、玻璃纖維復(fù)合材料力筋預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的研究與應(yīng)用
70年代初，聯(lián)邦德國斯圖加特大學(xué)Rehn教授提出用玻璃纖維復(fù)合材料力筋取代傳統(tǒng)的高強鋼絲修建預(yù)應(yīng)力混凝土橋的現(xiàn)實可行性。他進行了跨徑9米的小梁荷載試驗，所配置的力筋由價格較便宜的E玻璃纖維與不飽和聚酯樹脂組成。梁的實際破壞荷載大于計算值，跨中撓度高達20厘米時，才發(fā)生混凝土受壓區(qū)破裂，但復(fù)合材料力筋的狀態(tài)仍然完好。
根據(jù)聯(lián)邦研究和技術(shù)部的科研項目，由Strabag公司開發(fā)出一種稱為HLV的復(fù)合力筋，并由Bayer公司用其于1980年在杜塞爾多夫建成了一座跨徑7米的試驗橋-Lunenshe Gasse橋。橋梁荷載為30級，采用12根長7米的無粘結(jié)E玻璃纖維復(fù)合力筋(HLV)施加預(yù)應(yīng)力。對力筋的灌膠錨頭進行了5年的拉力監(jiān)測，在現(xiàn)場驗證了實驗室取得的成果。
1986年他們在杜塞爾多夫建成了世界上第一座采用玻璃纖維復(fù)合力筋的預(yù)應(yīng)力混凝土公路橋-Ulenberg Strass橋。橋梁荷載等級為60/30級重交通荷載，上部結(jié)構(gòu)為兩跨21.30+25.60米的后拉預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)實體板，板寬15.00米，厚1.44米，共使用59根HLV力筋。每根力筋的工作荷載為600KN，由19根直徑7.5毫米的E玻璃纖維復(fù)合材料筋組成。全橋共使用玻璃纖維復(fù)合材料4噸。
1988年，他們又在柏林Marienfelde公園修建了一座跨徑為27.63+22.95米的預(yù)應(yīng)力混凝土人行橋，這是德國自1945年以來修建的第一座體外預(yù)應(yīng)力橋梁。
進入90年代后德國和奧地利又修建了三座復(fù)合材料筋預(yù)應(yīng)力混凝土公路橋，并在其上部結(jié)構(gòu)中布設(shè)了計算機長期監(jiān)測系統(tǒng)。?
美國南達科他礦業(yè)和理工學(xué)院L.lyer教授對于先張預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)采用玻璃纖維增強塑料力筋的可行性，進行了較深入的研究。用作預(yù)應(yīng)力力筋的S玻璃纖維絞線由Owens/corning公司提供，其直徑為3毫米，纖維含量占79%(按重量計)，容重1.9g/cm2，抗拉強度2000MPa，拉伸彈性模量64000MPa，極限拉伸率3.1%。力筋由7股S玻璃纖維絞線組成。進行了兩組共四根先張預(yù)應(yīng)力混凝土梁的試驗，其中一組(兩根梁)配置玻璃纖維力筋。另一組(兩根梁)配置高強低松馳鋼絲束。試驗梁在通用的先張臺座上制備。每組梁中有一根進行靜力彎曲強度荷載試驗。另一根作重復(fù)彎曲荷載試驗。
通過試驗得知，配置玻璃纖維絞線的梁，其破壞荷載、破壞模式、荷載一撓度關(guān)系、疲勞特性以及力筋與混凝土的粘結(jié)力等，均與配置鋼絞線的梁相同。
?2、芳綸纖維復(fù)合材料力筋預(yù)應(yīng)力混凝土橋的研究與應(yīng)用
芳綸(Aramid，又稱芳香族聚酰胺)纖維于1965年由美國杜邦公司發(fā)明，與玻璃纖維相比，其比重更小，韌性較好，但價格較貴。美國、荷蘭、德國、英國和日本等國都開展了采用芳綸纖維作預(yù)應(yīng)力混凝土力筋的研究工作。這里著重介紹日本的情況。?日本Sumitomo建設(shè)株式會社與Teijin株式會社合作研制的芳綸復(fù)合材料預(yù)應(yīng)力筋束，以乙烯基酯樹脂作基體，用拉擠工藝成形。筋束的直徑為6毫米，纖維體積含量65%，容重1.3g/cm3，抗拉強度190Kg/mm2拉伸彈性模量5400Kg/mm2，破斷時延伸率3.7%，預(yù)應(yīng)力力筋由不同數(shù)量(1、3、7、12和19根)的筋束組成。還研制出不同尺寸的錨頭。
對先張和后張矩形戴面混凝土梁進行了承載能力和疲勞試驗，得出以下結(jié)論：
?(1)芳綸筋束與傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力鋼絲索相比具有相同的抗拉強度；
?(2)芳綸筋束比傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力鋼絲索具有更高的與混凝土的粘結(jié)能力；
?(3)芳綸筋束先張預(yù)應(yīng)力混凝土梁的撓度不因重復(fù)加載而變化，梁的承載能力不因疲勞加載而降低；
?(4)在初裂彎矩(0.45Mu)重復(fù)荷載作用下，后張梁的承載能力因疲勞降低約10%，但在設(shè)計彎矩(0.35Mu)復(fù)重荷載作用下，梁的承載能力不會降低。錨頭經(jīng)疲勞試驗后未破壞。? 到目前為止，日本已建成芳綸纖維復(fù)合力筋預(yù)應(yīng)力混凝土橋多座，其中包括：
跨徑11.79米先張預(yù)應(yīng)力混凝土示范性橋，橋面寬9.00米，梁高1.56米，上部結(jié)構(gòu)由5根寬60厘米、高130厘米的空心箱梁加上混凝土橋面板組成。
跨徑25米的后張預(yù)應(yīng)力混凝土示范性橋梁，橋面寬9.20米，梁高1.90米，上部結(jié)構(gòu)由兩個度寬2.80米的箱形截面組成。
跨徑54.5米的后張預(yù)應(yīng)力混凝土吊床板人行橋。其主索采用總長7150米的芳綸纖維復(fù)合力筋(由8條帶有墊層的扁平復(fù)合材料筋帶組成)。
3、碳纖維復(fù)合材料力筋預(yù)應(yīng)力混凝土橋的研究和應(yīng)用?
碳纖維是60年代以來隨航天工業(yè)等尖端技術(shù)對復(fù)合材料的苛刻要求而發(fā)展起來的新材料，具有強度高、彈性模量高、比重小、耐疲勞和腐蝕，熱膨脹系數(shù)低等優(yōu)點。
日本Kobe steel, Ltd, Mitsui Construction Co, Ltd和Shinko Wire Co, Ltd共同研制出一種稱做CF-FIBRA的編織碳纖維復(fù)合力筋，已在實際建筑工程中應(yīng)用。力筋由編織PAN基碳纖維紗線浸漬環(huán)氧樹脂而成，纖維體積含量為72%。靜力拉伸試驗表明，CF-FIBRA抗拉強度為1960MPa，拉伸彈性模量為225GPa(等于或略高于鋼絲的值)，容重為1.58g/cm2，其延伸量只為鋼的八分之一。疲勞拉伸試驗表明，CF-FIBRA的抗拉疲勞極限為1174MPa，為鋼絲疲勞極限415MPa的近三倍。
日本Saitama大學(xué)和東京繩索株式會社開發(fā)出一種稱為CFCC的碳纖維復(fù)合力筋，它由搓捻的高強連續(xù)碳纖維浸漬樹脂而成。他們已采用CFCC修建一座跨徑7米的預(yù)應(yīng)力混凝土工型梁橋-Shingu橋。
德國1991年在路德維希港建成一座采用CFRP筋束施加部分預(yù)應(yīng)力的全長80米的預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁。筋束制作程序是，把碳纖維束浸漬環(huán)氧樹脂，擰成直徑12.5毫米的索，再把19股索擠成預(yù)應(yīng)力力筋。其碳纖維的比重只為鋼的1/5，但價格為鋼的7倍。
?(三)碳纖維復(fù)合材料索在斜拉橋拉索中的應(yīng)用
鑒于過去20多年中橋梁拉索和吊索的銹蝕損害狀況日趨嚴重，迫切需要提高其抗疲勞和抗腐蝕能力。
碳纖維增強塑料(CFRP)制成的平行絲束，具有耐腐蝕、高強、彈性模量與鋼相近和抗疲勞性能好等優(yōu)點，是制作斜拉索和吊索的理想材料。瑞士聯(lián)邦材料試驗研究所(EMPA)用其作為瑞士Winterthern Storchenbrucke橋的斜拉索。該橋于1996年建成，是63+61米的單塔斜拉組合加勁梁橋，橋塔為A型，高38米。
該橋使用了兩根碳纖維復(fù)合材料拉索，每根拉索由241根(5毫米的CFRP筋束組成，其碳纖維型號為Torayca T700S,強度4900MPa，彈性模量230GPa，破斷延伸率2.1%，比重1.8g/cm3，軸向熱膨脹系數(shù)幾近于零。采用拉擠工藝將碳纖維制成CFRP筋束，其縱向抗拉強度為3300MPa，彈性模量165GPa，容重1.56g/cm3，纖維體積含量68%，軸向熱膨脹系數(shù)0.2×10-6m/m/℃。
用CFRP束制成的拉索，曾用三倍設(shè)計荷載進行1000萬次重復(fù)荷載試驗。在橋上的CFRP拉索和鋼拉索，均設(shè)有普通傳感器和光纖傳感器進行應(yīng)力和變形監(jiān)測。?
(四)用纖維復(fù)合材料加固橋梁上下部結(jié)構(gòu)?
士聯(lián)邦材料試驗研究所進行了采用粘貼碳纖維復(fù)合材料層合板加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和橋梁的研究。他們用寬200毫米、厚0.3毫米的碳纖維層合板對跨徑2米的小梁作加固，使其承載能力增加一倍，荷載作用下的撓度減半。另一根跨徑7米的梁，采用三條6950×300×1毫米碳纖維層合板加固后，極限荷載提高22%，裂縫分布細而均勻。
此后，瑞士ETH/SIA公司對Oberriet-Meiningen萊茵河橋進行了加固設(shè)計，其具體方法是：在橋面板上層將截面高度增加8厘米，先將遭受碳化的混凝土清除掉，然后布設(shè)負彎矩鋼筋，澆注混凝土；在橋面板底面，采用160條長4.2米，寬80毫米、厚1.2毫米的碳纖維復(fù)合材料條帶，按75厘米間距對受拉區(qū)實行粘貼加固。
美國Lehigh大學(xué)也進行了一系列的小梁加固效果試驗，采用的增強材料包括玻璃纖維、碳纖維和芳綸纖維，基體材料包括環(huán)氧樹脂和聚丙烯樹脂。試驗表明，梁在加固后剛度提高17%至99%，極限強度提高40%至97%，裂縫狀況也得到改善。
美國亞利桑那大學(xué)在進行用玻璃纖維復(fù)合材料板加固跨徑4.5米鋼筋混凝土小梁的試驗時，預(yù)先采用一對千斤頂在梁的兩個三分點對稱向上加載，使梁的跨中向上拱起5毫米，從而受到“預(yù)應(yīng)力”，然后在梁的下緣粘貼復(fù)合材料板。用這種方式加固的梁，其承載能力增加了三倍多。
美國加利福尼亞大學(xué)(圣迭戈)在洛杉磯Glendale高速公路的一座橋梁上，采用玻璃纖維外殼粘結(jié)和包裹其圓柱形橋墩，以提高其抗地震能力。他們還采用碳纖維浸漬帶加固圓柱形橋墩，拱橋的拱肋和拱上立柱等。
(五)純纖維復(fù)合材料橋梁和纖維復(fù)合材料�混凝土組合橋梁?
目前，國外已建成純纖維復(fù)合材料橋梁10座，其中公路橋梁2座，人行橋8座。?1970年英國在利物浦修建一座跨徑10米，寬1.5米的連續(xù)梁人行橋。1972年以色列在特拉維夫修建一座跨徑24米、寬1.8米的跨鐵路線簡支梁人行橋，采用預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉玻璃纖維復(fù)合材料箱梁。1976年美國在弗吉尼亞修建跨徑4.9米、寬2.1米、高0.46米的簡支桁架玻璃纖維復(fù)合材料人行橋。
1982年是纖維復(fù)合材料橋梁發(fā)展的里程碑。我國在北京密云建成跨徑20.7米、寬9.2米玻璃纖維復(fù)合材料簡支箱梁公路橋(本文將另有敘述)，同年保加利亞在索非亞建成跨徑12米、寬8米的玻璃纖維復(fù)合材料簡支梁公路橋，美國建成跨徑32.3米簡支桁架公路橋。該橋由碳纖維復(fù)合材料和玻璃纖維復(fù)合材料兩種材料制成。1989年，日本在千葉縣建成跨徑8米，寬2.5米的碳纖維復(fù)合材料人行橋。
纖維復(fù)合材料橋梁的實踐，不僅證實了采用這種新材料制作橋梁的可行性，而且還提供了10-28年的長期觀測結(jié)果，證明了復(fù)合材料具有相當?shù)哪途眯浴?/P>
實踐也表明，完全采用纖維復(fù)合材料制作橋梁上部結(jié)構(gòu)，其承載能力受結(jié)構(gòu)剛度和局部屈曲控制，使復(fù)合材料抗拉強度高的優(yōu)勢難于發(fā)揮。但若采用復(fù)合材料與混凝土建造組合式橋梁，則能取得十分理想的技術(shù)經(jīng)濟效果。
?在總結(jié)和吸收各國應(yīng)用經(jīng)驗(特別是我國北京密云橋的經(jīng)驗)的基礎(chǔ)上，美國加利福尼亞大學(xué)(圣迭戈)科研組認為，由于先進復(fù)合材料的價格比傳統(tǒng)的材料貴很多，完全采用該種材料的結(jié)構(gòu)缺乏競爭能力。正確的思路應(yīng)當是充分發(fā)揮先進復(fù)合材料受拉強度高和混凝土材料受壓強度高的優(yōu)點，用其組成具有重大技術(shù)經(jīng)濟潛力的組合結(jié)構(gòu)。他們基于這種構(gòu)思，創(chuàng)造出一種稱作“先進復(fù)合材料斜拉橋系統(tǒng)”的結(jié)構(gòu)，其橋塔采用碳纖維(或碳纖維-玻璃纖維混合材料)復(fù)合材料預(yù)制管內(nèi)填混凝土，預(yù)制管具有混凝土外模板和塔柱配筋雙重作用。管殼內(nèi)壁設(shè)有肋條，以增強與混凝土的連結(jié)。斜拉橋的加勁梁也采用復(fù)合材料預(yù)制管混凝土。在美國聯(lián)邦公路總署和加州交通廳支持下，他們已完成這種橋梁體系的初步設(shè)計。
四、國內(nèi)研究和應(yīng)用情況?
我國玻璃纖維工業(yè)起步之初，1960年交通部科學(xué)研究院就與河北、新疆和西藏等省(自治區(qū))交通部門合作，從事用玻璃纖維束取代受力鋼筋修建混凝土橋梁的探索，進行了配置玻璃纖維主筋的小梁試驗。小梁為8×19厘米矩形截面，下部配置5×5厘米水泥漿粘結(jié)玻璃纖維芯棒一根，保護層厚1.5厘米，配筋率2.3%。梁的跨徑分120厘米(梁長140厘米)和220厘米(梁長240厘米)兩種。該院還與北京市政二公司合作，于1961年在北京市石景山路修建一座跨徑4米、寬50米的混凝土板式公路橋梁，上部結(jié)構(gòu)由50塊寬1米的混凝土板組成，每塊板內(nèi)配置16根水泥漿粘結(jié)玻璃纖維芯棒。
上述小梁試驗和板橋通車5年的實踐表明，配置玻璃纖維芯橋的混凝土結(jié)構(gòu)，具有良好的短期強度。該橋因修建地下鐵道而于1966年拆除，小梁長期荷載試驗也于同年被迫停止。筆者曾參加此項研究工作。由于芯棒采用強度不很高的有堿玻璃纖維，并采用水泥漿作粘結(jié)劑，水泥中的堿易使纖維受腐蝕而脆化，這種結(jié)構(gòu)的長期強度是會有問題的。
?七十年代末期，我國玻璃纖維增強塑料(俗稱玻璃鋼)技術(shù)水平有顯著提高，交通部公路科學(xué)研究所著手玻璃鋼公路橋梁的研究，于1982年在北京密云建成一座跨徑20.7米、寬9.2米的全玻璃鋼蜂窩箱梁公路橋。設(shè)計荷載為汽車-15級，掛車-80。橋梁現(xiàn)場荷載試驗表明，玻璃鋼這類復(fù)合材料可以制作承重結(jié)構(gòu)。該橋通車后，出現(xiàn)了橋面下陷和箱梁腹板上方局部壓屈等問題。
筆者曾擔(dān)任指導(dǎo)該課題工作的橋梁專業(yè)組組長，從充分發(fā)揮復(fù)合材料重量輕、抗拉強度高和混凝土材料價格便宜、抗壓強度高的優(yōu)點出發(fā)，曾主張開發(fā)兩種材料的組合結(jié)構(gòu)，并建議按此思路對試驗橋進行改造。1987年將主體承重結(jié)構(gòu)改為鋼筋混凝土橋面板一玻璃鋼箱梁組合結(jié)構(gòu)后，情況顯著改善，通車迄今已達11年，結(jié)構(gòu)狀況仍良好。實踐表明，發(fā)展組合結(jié)構(gòu)體系的構(gòu)思是正確的。
繼交通部公路科學(xué)研究所之后，重慶交通學(xué)院也進行了玻璃鋼人行橋的研究，并修建試驗橋多座。安徽省公路管理局和科研所正著手進行復(fù)合材料力筋預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的研究。
上述事實說明，我國在應(yīng)用復(fù)合材料建橋方面進行了勇敢的探索，并已取得十分有價值的成果。
五、發(fā)展前景和建議?
從二十八年來復(fù)合材料在橋梁中應(yīng)用的情況看，可以認為：
?1.?復(fù)合材料在橋梁和承重結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用不僅是可行的，而且具有廣闊的發(fā)展前景。橋梁的技術(shù)進步總是和建橋材料的技術(shù)進步緊密相關(guān)的。復(fù)合材料所具有輕質(zhì)、高強和耐腐蝕等特性，是其具有發(fā)展前景的基本條件。可以預(yù)計，在21世紀，隨著復(fù)合材料的大規(guī)模生產(chǎn)以及生產(chǎn)成本的下降，其在橋梁領(lǐng)域的應(yīng)用范圍將逐步擴大。如果說20世紀是以鋼鐵和水泥為主要建橋材料的時代，那么21世紀將有可能成為復(fù)合材料逐步取代鋼鐵建橋的時代。
2. 采用復(fù)合材料筋束做預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的力筋，或做斜拉橋的拉索(或吊拉組合結(jié)構(gòu)中的部分吊索)，最能發(fā)揮其優(yōu)良特性，應(yīng)當作為復(fù)合材料在橋梁中應(yīng)用的重點。
3?在舊橋加固領(lǐng)域使用復(fù)合材料，所需費用不高，效果卻可觀，是值得首先推廣應(yīng)用的領(lǐng)域。
4?復(fù)合材料在橋梁梁體和柱體(含拱肋)中的應(yīng)用，宜采用復(fù)合材料�混凝土組合結(jié)構(gòu)，以便充分發(fā)揮兩種材料的優(yōu)點，降低成本。北京密云公路橋已有成功先例。美國加利福尼亞大學(xué)提出的“先進復(fù)合材料斜拉橋系統(tǒng)”，也體現(xiàn)了這種構(gòu)思。只有超長跨徑的橋梁，對減輕自重有特殊要求，其上部結(jié)構(gòu)可全部采用復(fù)合材料，但要對橋面結(jié)構(gòu)做特殊研究。
