纤维增强树脂基复合材料在桥梁工程中的应用

1 纤维增强树脂基复合材料简介

纤维增强树脂基复合材料通过将具有优异性能的添加材料融入到基础材料中，各取所长，优势互补，实现两者的性能融合。截至目前，能作为添加辅助材料的有碳纤维、玻璃纤维及芳纶等。其中，玻璃纤维由于价格低廉、力学强度高、耐腐蚀性好等特性，具有优良的性价比，成为建筑材料的首选。而碳纤维具有力学强度高、弹性模量大、热稳定性好以及耐热性强等优势，被广泛地应用于桥梁、道路等工程建设中。

碳纤维复合材料主要是将大量规则排布或者不规则分布的连续纤维，通过使用特定材料与特殊的水泥黏结剂固定在一起而制成的。根据所添加增强体性能的不同，可针对性地完善基体本身的缺陷。所制备的纤维复合材料的性能受多方面影响，包括所添加纤维的比例、添加纤维本身的特性以及成型以后的物体形状与表面积等，例如使用碳纤维材料可以提升原材料的耐腐蚀性、热稳定性、绝缘性等，而使用玻璃纤维则可以提升原材料的强度与韧性等性能。

除拥有上述优异性能以外，针对碳纤维复合材料其他性能的优化与开发也在不断地进行，使其性能变得越来越完善。因此，碳纤维复合材料成为了桥梁建筑材料上的优选目标。与此同时，玻璃纤维复合材料虽然在性能方面无法与碳纤维复合材料相匹敌，但其也具备特定的优点。其中，最主要的优点就是原料易得且价格便宜。玻璃纤维复合材料的综合性能虽然不是很完善，但在应用中可以针对不同地区的气候与环境特点进行某一方面的优化改善，以此来适应特定桥梁工程的需求，这就使得玻璃纤维复合材料也成为了优选目标。

近十几年来，碳纤维复合材料处于高速发展中。这主要是因为原始桥梁建筑材料在力学性能方面的弊端暴露得越来越多，导致针对于纤维复合材料力学性能方向的研究越来越频繁，且目前研究结果已取得了突破性进展，这使得生产质量与生产速度有了极大提升，同时生产成本也得到大幅降低。尤其是在最近几年的发展中，碳纤维树脂基复合材料在比强度与延伸率方面不断提升，其比强度可以达到 2 000 (N·m)/g 以上，延伸率从最初的0.9%逐步提升至 2.1%，最高的时候可以达到 2.5%左右。经过优化以后，碳纤维材料已经可以用于主承力结构。

现阶段，纤维增强复合材料在国内外的桥梁工程中已经开始发挥不可替代的作用。我国早在1982 年就开始使用纤维增强树脂基复合材料，北京引入了玻璃纤维增强复合材料用于建设一座公路桥。几年后，我国重庆市也成功地引入了玻璃纤维复合材料来建造人行斜拉桥。

1992 年，英国与美国也开始广泛地使用玻璃纤维复合材料进行桥梁的建设。1997年，丹麦第一个使用了全复合材料构件铁道桥，从此各国开始了全复合材料的研究。2009 年，荷兰的帝斯曼公司展示了全复合材料人行桥，桥身比同等规格的混凝土桥梁轻，但承受的质量却可以达到30 t。2015年，美国西弗吉尼亚大学将金属材料与玻璃纤维增强复合材料结合，成功地设计出了新型的桥梁材料。综上所述，世界各国在桥梁工程材料研究的方向上基本相同。虽然世界各国对于纤维增强基复合材料进行了很长时间的研究，且已经小有成就，但目前来看，各国仅仅将其使用在小范围的桥梁上，想要大规模普及纤维增强基复合材料仍然有很大困难。

与此同时，传统的修补方法随着时间的推移开始产生新的问题。传统修补方法所使用的钢板不仅存在易腐蚀、易脱落的弊端，而且由于钢板本身质量的原因，安装也十分困难。因此急需一种质量轻盈、强度高、施工方便的纤维复合材料，对桥梁建设进行根本性的改革。

3 纤维增强树脂基复合材料桥梁

3.1 需要快速建造/拆除的公路桥

随着车辆使用越来越频繁，为了保证出行便捷，公路桥等交通设施也必须进行不断地完善与更新。但目前所修建的部分公路桥由于使用期限较长、气候变化频繁等原因已出现各种各样的问题，必须进行修补、加固或拆除。传统钢筋混凝土质量大，搭建十分困难，费时费力，严重影响建设效率。而纤维增强树脂基复合材料质量轻，搭建方便，仅仅几个小时就可以搭建完毕，极大地提高了施工效率。唐浩俊等研究了纤维增强材料在德国弗里德伯格公路桥上的应用，从工程背景出发，对桥梁的设计、分析计算、施工以及验收等进行了详细研究，目前该桥梁已建成通车，并具有耐久性良好以及可快速装配等特点。陈向前等对纤维增强树脂基复合材料在桥梁工程中的应用进行了介绍，列举了使用该材料作为受力构件的世界桥梁实例，例如美国圣帕特里西奥Texas FM3284桥梁、美国威斯康星布莱克桥梁和某桁架式军用桥梁，以及美国维吉尼亚 40 号公路桥墩和 I-5PGilman斜拉桥等。通过实践，证明纤维增强树脂基复合材料组合成的梁、板、柱构件有足够的受力性能，能大幅度减少钢材使用。

3.2 兼顾安全、美学与环境的观赏桥

生活质量的提高，促使人们的观念从追求物质享受转变为精神享受，观赏桥的建设方兴未艾。对于观赏桥而言，不仅要保证桥梁的使用寿命与安全性，而且应保证外观设计、艺术造型的美学要求，同时还要兼顾人文与景色的完美结合。纤维增强基复合材料与其他材料相比，具有不可替代的优势，如力学性能优异、材料样式多、密度小、安装方便等特性，因此使用纤维增强树脂基材料制备的观赏桥能很好地满足以上需求。

3.3 大承载量的梁式桥

在以前的桥梁建设中，人们总会优先想到钢筋混凝土。钢筋混凝土材料在力学性能上有明显的优势与短板，优势在于可以承受住高强度的压缩，短板在于无法承受住极限的拉伸，然而纤维增强基复合材料可以很好地兼容这两点。因此，在目前的修补手段上，有很多案例使用了纤维增强基复合材料来抵抗高强度的拉伸作用。

当前，纤维增强复合材料更多的应用于加固，而在直接构件中很少使用。而且世界上直接使用纤维复合材料建造的桥梁仅仅是人行桥或者是载重等级较低的桥梁，同时在数量上也是非常少的。将纤维增强树脂基复合材料应用于负荷量较大的梁式桥更是少之又少，目前全世界仅有两座。其中一座位于我国的首都北京，在 1982 年建造而成，是世界上第一座使用玻璃纤维复合材料构建而成的梁式桥。这座玻璃钢公路桥长度 21 m，宽度10 m，桥梁本身质量大约 30 t，相比于同等级的钢筋混凝土构建的桥，它自重更轻，设计荷载为汽车15 t，验算荷载为挂车 80 t。另一座则位于保加利亚，其长度与宽度均比我国的桥梁小，而且荷载量也仅有汽车 8 t。以此来看，纤维增强树脂基复合材料在大承载量桥的应用研究仍然不够先进，还需要进行深入挖掘。

3.4 超大跨度悬索桥

由于普通桥梁的建造技术已趋于成熟，目前全世界都开始向着新领域进行拓展，建造超大跨度悬索桥逐渐成为设计者与建设者的研究领域。但这种超大跨度桥梁在建造中必须使用缆索材料，且桥梁缆索材料的使用量将随着跨度的增大呈指数增加。对于如此大量的缆索材料，如继续使用传统的金属材质，考虑其本身质量就很大，将会导致桥梁在载重上的使用率非常低。同时，桥梁建设地点大多为沿海地区，这对使用材质的耐腐蚀性与耐疲劳性也提出了很大的挑战。相比于传统材料，纤维增强基复合材料密度更小，自重更轻，同时也具备优异的耐腐蚀性能。梅葵花等的研究表明，相同数量的纤维增强基复合材料在经过长达 20 万次循环使用后，仍能保持着完美的原始架构与性能，这证明其在抗疲劳性能方面极大地优于传统材料。在超大跨度悬索桥建造中，该研究为采用纤维增强基复合材料代替传统金属材料作为缆索构件的可行性提供了很好的理论依据和设计思路。

4 在桥梁建设中的问题及解决思路

从上述材料特性与应用情况来看，纤维增强树脂基复合材料具有很多传统材料不可比拟的优势，但是其作为桥梁建造材料仍存在一些缺点，需要研究者继续开展研究与解决。

(1) 安装固定上的问题。纤维增强树脂基复合材料在纵向上具有非常优异的力学性能与拉伸率，但在横向上的性能则不够完善，这就使得在使用纤维增强树脂基复合材料进行桥梁锚固时无法完全达到设计要求。目前已有学者就此问题开展研究，如提出使用环氧树脂与陶瓷材料组合的方案，可以很好地避免应力损失，保证达到材料的使用要求。

(2) 海风等气候影响问题。纤维增强树脂基复合材料本身质量较轻，是一大优势，但当遇到海风或者陆地大风时，桥梁主体的纵向刚度还不足以抵御强风。

(3) 纤维增强树脂基复合材料的抗剪和抗折性能较差，当被用作主缆材料时，其所处位置的抗滑与抗折研究也是不可或缺的。

(4) 纤维增强树脂基复合材料具有很好的耐腐蚀性，导致其一旦成为建筑垃圾以后，后续的回收处理也将非常困难，如无法被快速降解、易污染环境等。因此，如何发展可持续循环使用的复合材料或者开发出可降解纤维复合材料，将是未来研究的重要方向。

[1]朱振业.桥梁工程用纤维增强树脂基复合材料的应用进展[J].合成纤维,2023,52(11):79-82.DOI:10.16090/j.cnki.hcxw.2023.11.009.