1 引 言
树脂基玻璃纤维增强复合材料( FRP) 因为其比强度和比模量高, 耐腐蚀、抗疲劳性、减震性能好以及破损安全性能好、可设计性和工艺性好, 在航天航空、汽车、船舶、化工、电子和建筑等行业中已有广泛的应用。从20世纪70年代末开始, 复合材料在桥梁工程中逐渐得到应用。目前, 复合材料在桥梁工程中的应用主要包括:①桥梁构件的加固补强;②桥梁构件的替代应用, 如桥面板;③新人行桥和公路桥梁的设计和建造等方面。
FRP结构的拉挤型材和夹层结构在新建工程中已得到了应用, 在人行桥梁和桥面板应用上, 材料自重轻、强度高、成型方便、耐腐蚀、抗疲劳等特性发挥了很大优势。第一座FRP人行桥在20世纪80年代投入使用, 而20世纪90 年代末期, 出现了最早的FRP桥面板。在近10 年中, 复合材料人行桥和轻型车辆桥的设计和建造上取得了很大进展。
采用复合材料拉挤型材设计建造桁架结构桥梁具有广阔的应用前景。该设计方法对于结构形状的限制较小, 可以预先拉挤形成标准构件, 对于运输需要考虑的长度没有限制, 同时因其现场组装方便, 也适用于应急抢修桥梁的建造。
2 拉挤型材复合材料概念
拉挤成型工艺是一种能够经济的连续生产复合材料的制造工艺。该工艺是将纤维束或纤维织物通过纺架连续喂入, 经过树脂胶槽将纤维浸渍, 再穿过热成型模具后进入拉引机构, 按此流程可制成连续的复合材料制品。拉挤工艺可生产出截面形状复杂的连续型材。
由于拉挤型材中纤维主要沿轴向, 且纤维含量高, 有很好的受力性能, 可直接作为受力构件, 也可以与其它材料组合受力。但拉挤型材的横向强度和剪切强度较低, 可在拉挤成型工艺中复合一定数量的毡或对拉挤型材进行纤维缠绕, 对其力学性能进行改善。拉挤成型复合材料主要采用不饱和聚酯树脂, 约占拉挤成型工艺树脂用量的90% 以上, 另外还有环氧树脂、乙烯基树脂、热固性甲基丙酸树脂、改性酚醛树脂、阻燃性树脂等。拉挤工艺用的增强材料主要是玻璃纤维及其制品, 如无捻粗纱、连续纤维毡等。为了满足制品的特殊性能要求, 可以选用芳纶纤维、碳纤维及金属纤维等。
拉挤成型复合材料制品主要有强度高、变形率低、热变形温度高、吸水率低、保温隔热系数低、耐腐蚀性强、环境影响小等诸多优点。
3 国外应用概况
拉挤成型复合材料桥梁的设计、建造在国外已有少量研究, 本文选取了较具代表性的希腊佩特雷大学开发的复合材料桁架桥和位于瑞士阿尔卑斯山的彭特雷西纳桥进行介绍和分析, 前者为复合材料空间桁架结构, 而后者为复合材料平面桁架桥。
3.1 复合材料空间桁架桥
图1为希腊佩特雷大学于2005年开发出的采用复合材料拉挤方管拼装而成的轻便桥梁, 该桥跨度为11.6 m, 宽度为4.2 m, 高度为1.2 m( 见图2) ,可满足30 t 的车辆荷载要求, 而其自重仅为13.5 t ,其承载能力与其自重相比远优于传统建筑材料。因为桥梁最大允许挠度(L/800, L为桥梁跨度) 决定了相应的刚度要求, 拉挤方管的几何尺寸也相应确定, 该桥所选取的拉挤方管构件截面尺寸为156mm×156 mm, 壁厚13 mm。
该桥为复合材料拉挤成型管材和钢节点组成的三维空间桁架结构( 见图3) 。主梁由若干奇数个大型“复合”长梁分上、下层纵向排列而成, 主梁间由一系列相同截面的拉挤方管构件, 用塔尖形拼接节点(见图4) 相互连接构成桥梁骨架。节点之间, 由1组横向放置的箱形构件连接, 以提供附加刚度和横向稳定。桁架顶端, 包括正梯形和倒梯形2种拉挤的面板结构( 见图5) 以及桥的其余部分采用粘接及锚固措施连接, 每种连接方式都可独立承受剪切荷载。
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