玻璃纖維增強復合材料在公路橋梁中的應用研究綜述

摘要 玻璃纖維強復合材料（GFRP）是一種輕質、高強、耐腐蝕的高性能材料，近年來廣泛應用于橋梁工程中。根據(jù)GFRP在橋梁中使用部位不同，該文對GFRP材料在橋面板、橋墩、桁架和欄桿等部位的應用進行總結，分析了其優(yōu)點與不足，旨在推動GFRP材料在橋梁工程中的進一步發(fā)展。

關鍵詞 橋梁工程；GFRP材料； 應用研究

中圖分類號 U445.72 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）14-0182-04

0 引言

橋梁工程發(fā)展至今，傳統(tǒng)建材建造的橋梁鋼材銹蝕問題日漸突出，橋梁耐久性能降低，甚至出現(xiàn)安全事故?，F(xiàn)如今，世界各國在橋梁耐久性檢測維護上花費了大量人力物力，美國在2005年統(tǒng)計：因為腐蝕、劣化等問題，美國每年需花費1～3萬億美元用于維修加固橋梁[1]。在我國，每年因為鋼材銹蝕導致的損失超過600億美元[2]。由此可見，鋼材銹蝕已經(jīng)成為制約橋梁工程發(fā)展的一道難題，在越來越多的橋梁工程中使用新材料來代替鋼材成為比較好的解決辦法。

FRP（Fiber Reinforced Plastics）即纖維增強復合材料。根據(jù)纖維種類分為玻璃纖維增強復合材料（GFRP）、碳纖維增強復合材料（CFRP）、芳綸纖維（AFRP）和玄武巖纖維增強復合材料（BFRP）等。自20世紀70年代開始，F(xiàn)RP材料開始應用于建筑行業(yè)，與傳統(tǒng)材料相比，GFRP具有強度高、重量輕、耐腐蝕和抗疲勞等優(yōu)點，因此被大量應用在橋梁工程、近海工程、地下工程等。

1 橋面板

橋面板使用GFRP材料可以有效減輕結構自重，降低結構恒載，使承載能力顯著提升。同時GFRP材料良好的抗疲勞特點，使橋梁更好經(jīng)受車輛反復荷載作用，GFRP材料優(yōu)異的耐腐蝕性，也使得橋梁的耐久性得到提高，延長了橋梁的使用壽命。在橋面板中，GFRP的應用方式有GFRP筋代替鋼筋、全GFRP橋面板和GFRP組合橋面板等。

GFRP筋是以高強玻璃纖維為增強材料、合成樹脂為基體材料，并摻入適量輔助劑，經(jīng)拉擠、纏繞而成的復合材料。El-Salakawy[3]對不同筋材類型（GFRP筋、CFRP筋和鋼筋）的單向混凝土板進行了試驗研究，研究結果表明：GFRP筋混凝土板的承載力均高于鋼筋混凝土單向板，隨著配筋率的增加GFRP筋混凝土板的抗彎剛度隨之增加，裂縫的間距、寬度和深度均減少；GFRP筋代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼筋不會降低橋梁承載力，并且由于GFRP筋具有低松弛的特性且拉伸彈性模量低，用于預應力筋時能有效降低筋材由于應力松弛、混凝土收縮徐變等因素導致的預應力損失。高丹盈等[4]制作了6塊混凝土單向板，包括1塊對比板和5塊體外預應力GFRP筋加固混凝土單向板，試驗表明：外預應力GFRP筋能有效提高混凝土單向板的開裂荷載、屈服荷載、極限荷載和剛度，同時仍然保持了較好的延性；GFRP筋混凝土橋面板有著優(yōu)異的抗疲勞性能，Carvelli等[5]對四個GFRP筋混凝土橋面板進行了疲勞試驗，所受荷載為規(guī)范最大載荷1.5倍的試件，在150萬次移動載荷循環(huán)之后，其承載能力僅減少1.2%。所受荷載為規(guī)范最大載荷3倍的試件，在14萬次移動載荷循環(huán)之后，其承載能力僅降低了3.4%，抗疲勞能力優(yōu)異。

采用全GFRP材料的橋面板重量要比鋼筋混凝土橋輕80%[6]，極大程度上減輕橋面板自重，全GFRP橋面板能夠抵抗除冰鹽、海水、空氣中氯離子的侵蝕，維護費用低，且全GFRP橋面板在工廠預制生產(chǎn)，工程現(xiàn)場安裝方便，可極大縮短工期。全GFRP橋面板有GFRP夾芯板、擠拉型材拼接板和由上、下GFRP面板和中間型材腹板連接而成的組合板等形式。1970年，英國Liverpool建成了一座GFRP連續(xù)梁的人行天橋[7]，我國于1982年在北京密云建成了一座全GFRP蜂窩箱梁公路橋[7]，近年來，大量全GFRP橋面板的靜力試驗、疲勞試驗表明[8-11]，合理截面形式的全GFRP橋面板能滿足實際工程使用。但全GFRP橋面板剛度較低，工程中不得不增加構件的用量來加強橋面板的剛度，且GFRP價格較高，導致全GFRP橋面板經(jīng)濟性較差，因此大部分全GFRP橋面板用于人行天橋或小型橋梁。

GFRP與其他材料組合使用成組合結構形式，例如GFRP-混凝土組合結構，在橋面板中應用廣泛。GFRP型材在下部代替鋼筋受拉，混凝土在上部受壓，兩者采用合理的連接形式組合在一起[12]。郭濤[13]設計了由三塊單孔GFRP試件黏結成三孔箱型與上部澆筑混凝土形成組合板構件，進行靜力試驗，組合結構GFRP－混凝土組合橋面板在正常使用階段，能夠充分發(fā)揮兩種材料各自的優(yōu)勢，組合效果良好，相對于傳統(tǒng)的鋼筋混凝土橋面板和全GFRP橋面板，GFRP－混凝土組合橋面板在承載力、剛度和延性都得到了提高；楊勇等[14]對FRP－混凝土組合橋面板試件進行了高周疲勞試驗研究，在疲勞荷載下，試件剛度和強度均無明顯退化，組合板中FRP與混凝土界面之間未出現(xiàn)明顯滑移，表現(xiàn)出良好疲勞性能；有效的黏結是兩者工作的基礎，佟兆杰[15]在GFRP－混凝土橋面板靜力實驗中發(fā)現(xiàn)，GFRP與混凝土接觸面連接方式會直接影響到組合結構的性能，GFRP表面刷環(huán)氧樹脂后覆蓋礫石可以提高兩者黏結的延性，黏結后的構件在極限荷載80%時才發(fā)生極小滑移。范海豐等[16]設計了三組GFRP－混凝土橋面板，也同樣發(fā)現(xiàn)，接觸面采用粘砂處理同時設置抗剪連接件能使連接更加可靠。GFRP—混凝土組合結構能充分發(fā)揮兩種材料各自的優(yōu)點，混凝土可以彌補GFRP剛度不足的缺點，同時GFRP代替鋼筋受拉，抗腐蝕性和耐久性得到提升，且GFRP型材可作為永久性模板，簡化施工程序，加快施工進度。此外，GFRP－鋼組合結構、GFRP－混凝土－鋼組合結構等其他組合結構在工程中也有應用。

2 橋墩

橋墩是橋梁的重要承重構件，承受來自上部結構傳來的荷載，橋墩的結構安全對橋梁至關重要。在沿海地區(qū)的橋梁或跨海橋梁中，海水和空氣中的氯離子通常會侵蝕鋼筋，對橋梁的安全性和耐久性產(chǎn)生負面影響。

GFRP管鋼筋混凝土橋墩柱，將傳統(tǒng)鋼筋混凝土柱外圍用GFRP管包圍，有效防止氯離子侵蝕橋墩內部的鋼筋，延長了橋梁的使用壽命。此外，當橋墩受到軸向力產(chǎn)生外擴的趨勢時，GFRP管憑借優(yōu)異的抗拉性能，能有效約束橋墩柱，使混凝土處于三向受壓，能更好發(fā)揮混凝土材料的抗壓能力。大量試驗表明[17-21]，GFRP管的存在能增大橋墩柱的破壞時的極限承載力和極限變形，承載力和延性得到提高。

GFRP布作為補強材料，也被廣泛應用于橋墩結構中[22-24]。與GFRP管類似，GFRP布通常粘貼在橋墩柱表面，約束混凝土的側向膨脹。與GFRP管不同，GFRP管在橋墩建設時使用，作為橋墩結構的同時，也為混凝土澆筑充當模板。GFRP布則多是后期粘貼，作為橋墩的補強措施。

國內外學者對GFRP縱筋受拉性能研究較多，認為GFRP筋受拉性能良好可應用于受拉或受彎構件。對GFRP縱筋受壓性能，國內外研究人員針對GFRP筋增強混凝土柱受壓性能的試驗研究表明：GFRP縱筋對正截面承載力有一定貢獻，但是目前對GFRP筋自身受壓性能的研究還處于初步研究階段，需要進一步完善相關測試方法[25-28]。在混凝土柱中，有試驗表明，合理位置和間距的GFRP筋作為箍筋能增強混凝土柱的受壓性能，明顯提高軸壓承載力和延性[29-31]，但由于GFRP材料各向異性，在箍筋彎曲部位較為薄弱。

3 桁架

桁架結構由桿件和接頭組成，是目前使用廣泛的桿系結構，桁架結構桿件以軸力抵抗荷載，能充分發(fā)揮材料性能。GFRP桁架橋是采用GFRP拉擠型材作為橋梁結構主要構件的一種新型橋梁結構。GFRP型材纖維軸向分布，與桁架結構單向受力的結構體系十分契合，將其用于桁架結構能夠獲得良好的結構性能和較高的材料利用率[32-35]。

桁架結構中多采用等截面的圓管或者方管，其桿件完全由復合材料制成。馮鵬等[33]進行了GFRP桁架橋梁的靜力試驗，認為FRP拉擠型材桁架具有較高的承載能力和剛度，在45%設計人群荷載作用下結構最大變形為2.09 mm，在正常使用期間結構荷載變形曲線呈線性；陳思鵬[36]在GFRP桁架橋荷載試驗結果中得到，在基本荷載組合作用下，各主要構件的應力遠小于材料的強度，結構強度安全儲備很高。但跨中撓度接近規(guī)范值，因此陳思鵬建議將撓度變形作為GFRP桁架橋設計的主要考慮因素。

GFRP桁架結構節(jié)點有機械連接、膠結和機械膠結混合連接等方式。機械連接是在構件開孔處使用螺栓或銷釘將桁架連接成整體的連接方式。膠結連接不需對構件進行開孔，對試件損傷小，但性能和強度受施工質量和環(huán)境因素影響。機械膠結混合連接試驗結果與其他兩種連接方式對比可以發(fā)現(xiàn)，其力學性能十分優(yōu)異。Nguyen測試了一些僅采用螺栓連接和螺栓－膠結連接的CFRP板和GFRP板試樣。結果表明，在接頭處組合使用鋼螺栓、黏合劑和V型槽口拼接板有助于提高接頭的剛度。此外Higgoda開發(fā)了采用拉擠圓形管狀構件和創(chuàng)新的非金屬管狀連接的桁架，其中非金屬構件連接，包括結構黏合劑、GFRP桿內灌注水泥砂漿和GFRP布纏繞加固，試驗結果顯示，相比于普遍使用黏合劑連接的桁架，發(fā)現(xiàn)GFRP桿內灌注水泥砂漿和在弦桿和構件連接處使用GFRP布纏繞加固會增加的極限載荷。灌漿GFRP桿試件將極限載荷增加了約71%。組合使用灌漿以及纏繞GFRP布的構件極限荷載提升281%。GFRP桿內灌漿對桁架延性提升最大，其次是GFRP布纏繞加固。由于節(jié)點處幾何構造以及受力情況復雜，是制約GFRP桁架結構發(fā)展的難點。實際工程中為保證桁架結構整體變形滿足要求，其應力水平很低，無法充分發(fā)揮材料輕質高強的特點。

4 欄桿

欄桿作為橋梁的組成部分，雖不參與整體受力，但對人們的生命財產(chǎn)安全十分重要[37]。GFRP拉擠型材具有穩(wěn)定的力學性能和抗腐蝕能力，用于欄桿結構中耐久性好、免維護，并能設計出豐富的外觀效果，在橋梁中具有廣闊的應用前景。常見欄桿材質有鋼、混凝土、鋁合金等材料，鋼材欄桿容易銹蝕需后期定時維護，混凝土欄桿易損壞且外形不美觀，鋁合金欄桿強度較低，作為橋梁欄桿有安全隱患。隨著纖維增強復合材料的發(fā)展，GFRP拉擠型材被應用于橋梁欄桿。馮鵬等[38]對拉擠FRP欄桿管件進行短管軸心壓縮試驗，發(fā)現(xiàn)拉擠GFRP管件在板條拉伸和短管受壓時均表現(xiàn)出很好的彈性行為，力學性能滿足實際工程需求；崔學常等[39]設計的FRP板條式柵欄型欄桿，單側每米自重約0.35 kN，約為鋼欄桿自重的1/4和混凝土欄桿自重的1/8；GFRP欄桿耐久性能優(yōu)異，重慶交通大學研發(fā)的GFRP橋梁人行道欄桿，在多處橋梁中應用，服役期未做過維修養(yǎng)護，欄桿的耐久性能優(yōu)異[39]。綜上，GFRP拉擠型材橋梁欄桿有材料輕質高強、耐腐蝕材料優(yōu)勢和后期維護方便等技術優(yōu)勢，是橋梁欄桿未來發(fā)展的一個方向。

5 總結

該文介紹了GFRP這一新型結構材料在橋梁工程中的應用，GFRP材料憑借其優(yōu)異的性能成為傳統(tǒng)結構材料的必要補充，解決橋梁工程中腐蝕、劣化等問題，根據(jù)GFRP材料在橋梁不同位置的使用，該文給出以下總結：

在橋面板中，GFRP材料的應用方式有GFRP筋代替鋼筋、全GFRP橋面板和GFRP組合橋面板等。GFRP材料的使用，減輕橋面板結構自重同時提高橋面板延性。

橋墩中使用GFRP管和GFRP布在橋墩柱外側，防止鋼筋被氯離子侵蝕的同時，增強了橋墩的承載力和延性。GFRP筋在橋墩中也有應用，但GFRP縱筋抗壓性能與GFRP箍筋彎曲部分性能薄弱問題還值得進一步研究。

GFRP拉擠型材應用于桁架結構能充分GFRP拉擠型材的軸向性能，提高材料利用率。但桁架節(jié)點受力復雜，實際工程中設計偏保守。

GFRP欄桿與傳統(tǒng)建筑材料欄桿相比，具有穩(wěn)定的力學性能和抗腐蝕能力，用于欄桿結構中耐久性好、免維護，并能設計出豐富的外觀效果，在橋梁中具有廣闊的應用前景。

參考文獻

[1]洪乃豐.建筑腐蝕可持續(xù)發(fā)展[J].工業(yè)建筑，2006（3）：76-79.

[2]中國腐蝕調查報告[J].腐蝕科學與防護技術，2004（1）：62.

[3]EL-SALAKAWY E， BENMOKRANE B. Serviceability of Concrete Bridge Deck Slabs Reinforced with Fiber-Reinforced Polymer Composite Bars [J]. ACI structural journal， 2004（5）： 727-736.

[4]高丹盈，房棟，祝玉斌.體外預應力FRP筋加固混凝土單向板受彎性能及承載力計算方法[J].應用基礎與工程科學學報，2015（1）：115-126.

[5]CARVELLI V， PISANI M A， POGGI C. Fatigue behaviour of concrete bridge deck slabs reinforced with GFRP bars [J]. Composites， Part B Engineering， 2010（7）： 560-567.

[6]MU B， WU H-C， YAN A， et al. FEA of Complex Bridge System with FRP Composite Deck [J]. Journal of composites for construction， 2006（1）： 79-86.

[7]蔡國宏 . 先進復合材料在橋梁中的應用現(xiàn)狀和發(fā)展前景 [C]. 中國公路學會 98 年橋梁學術討論會論文集.人民交通出版社.1998：33-38..

[8]孫耘，劉玉擎，辛灝輝.雙格室型GFRP橋面板疲勞性能試驗研究[J].結構工程師，2022（5）：107-112.

[9]蔣正文.GFRP橋面板膠接界面力學性能研究[D].南京：東南大學，2018.

[10]周林云，萬水.GFRP橋面板截面設計與結構分析[J].復合材料科學與工程，2011（5）：41-44.

[11]鐘志鵬.GFRP橋面板黏結界面力學分析與試驗研究[D].南京：東南大學，2015.

[12]葉列平，馮鵬.FRP在工程結構中的應用與發(fā)展[J].土木工程學報，2006（3）：24-36.

[13]郭濤.GFRP－混凝土組合橋面板受力性能研究[D].北京：清華大學，2013.

[14]楊勇，劉玉擎，范海豐.FRP-混凝土組合橋面板疲勞性能試驗研究[J].工程力學，2011（6）：66-73.

[15]佟兆杰.GFRP-混凝土-鋼組合梁橋力學性能的試驗研究及理論分析[D].南京：東南大學，2018.

[16]范海豐，劉玉擎，賀君 .GFRP- 混凝土組合橋面板抗彎性能研究 [C].第七屆全國建設工程FRP應用學術交流會論文集.中國土木工程學會.2021：177-181.

[17]張東興，黃龍男，王榮國，等.玻璃鋼管混凝土柱力學性能的試驗研究[J].哈爾濱建筑大學學報，2000（1）：73-76.

[18]SAAFI M， TOUTANJI H A， LI Z. Behavior of Concrete Columns Confined with Fiber Reinforced Polymer Tubes [J]. ACI structural journal， 1999（4）： 500-509.

[19]FAM A Z， RIZKALLA S H. Confinement Model for Axially Loaded Concrete Confined by Circular Fiber - Reinforced Polymer Tubes [J]. ACI structural journal， 2001（4）： 451-461.

[20]魯國昌，葉列平，楊才千，等.FRP管約束混凝土的軸壓應力-應變關系研究[J].工程力學，2006（9）：98-103.

[21]魯國昌.FRP管約束混凝土軸壓性能研究[D].北京：清華大學，2006.

[22]THERIAULT M， NEALE K W， CLAUDE S. Fiber-Reinforced Polymer-Confined Circular Concrete Columns： Investigation of Size and Slenderness Effects [J]. Journal of composites for construction， 2004（4）： 323-331.

[23]任士樸.FRP約束鋼筋混凝土橋墩抗震性能研究[D].西安：長安大學，2014.

[24]劉英磊，黃羽立，葉列平 .GFRP 加固高強混凝土方柱抗震性能的試驗研究 [C]. 第三屆全國FRP學術交流會議論文集.中國土木工程學會.2004：273-278..

[25]高丹盈，李士會，朱海堂等.玻璃纖維增強聚合物筋壓縮和剪切性能試驗研究[J].玻璃鋼／復合材料，2009（3）：28-32.

[26]周繼凱，杜欽慶，袁明亮，等.GFRP筋抗壓力學性能試驗研究[J].河海大學學報（自然科學版），2008（4）：542-545.

[27]DEITZ D H， HARIK I E， GESUND H. Physical Properties of Glass Fiber Reinforced Polymer Rebars in Compression [J]. Journal of composites for construction， 2003（4）： 363-366.

[28]TOSHIYUKI K. Third International Symposium on Non-Metallic （FRP） Reinforcement for Concrete Structures （FRPRCS-3） [J]. Materials and Structures， 1998（4）： 285-287.

[29]CHRIS P. PANTELIDES S E， M.ASCE， GIBBONS M E， LAWRENCE D. REAVELEY P E. Axial Load Behavior of Concrete Columns Confined with GFRP Spirals [J]. Journal of composites for construction， 2013（3）： 305-313.

[30]MARANAN G B， MANALO A C， BENMOKRANE B， et al. Behavior of concentrically loaded geopolymer-concrete circular columns reinforced longitudinally and transversely with GFRP bars [J]. Engineering structures， 2016（15）： 422-436.

[31]MOHAMED H M， AFIFI M Z， BENMOKRANE B. Performance Evaluation of Concrete Columns Reinforced Longitudinally with FRP Bars and Confined with FRP Hoops and Spirals under Axial Load [J]. Journal of Bridge Engineering， 2014（7）： 4014020.1-4014020.12

[32]趙啟林，高建崗，陶杰，等.復合材料桁架橋的若干關鍵問題探討[J].南京工業(yè)大學學報（自然科學版），2017（5）：146-152.

[33]馮鵬，田野，覃兆平.纖維增強復合材料拉擠型材桁架橋靜動力性能研究[J].工業(yè)建筑，2013（6）：36-41.

[34]熊波，林國昌，張印桐，等.一種復合材料桁架的制備及彎曲承載性能分析[J].哈爾濱工業(yè)大學學報，2014（5）：46-50.

[35]田野，馮鵬，覃兆平，等.FRP拉擠型材桁架橋結構體系的研究與應用[J].玻璃鋼／復合材料，2012（S1）：139-142.

[36]陳思鵬.GFRP桁架橋的力學性能分析與試驗研究[D].南京：東南大學，2017.

[37]劉成貴.論建筑非結構構件安全性設計的重要性[J].安徽建筑，2004（6）：69.

[38]馮鵬，齊玉軍，葉列平，等.GFRP欄桿的受力性能及其結構安全性研究[J].玻璃鋼／復合材料，2010（6）：48-54.

[39]崔學常，張錫祥，巫祖烈.FRP橋梁人行道欄桿工程應用效果研究[J].重慶交通大學學報（自然科學版），2016（3）：22-26+46.

收稿日期：2024-04-25

作者簡介：趙鑫（1989-），男，本科，工程師，研究方向：橋梁工程。