先进复合材料在桥梁中的应用现状和发展前景

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1、先进a合材料在桥梁中的应用现状和发展前景【文章提要:这是蔡国宏先生为本刊撰写的关于桥梁新材料��先进鉍合材料应用发展状况的专题文章。文中较为系统地介绍丫先进复介材料的基木特性、Wrt外的研究fll应川惜况，分析总结了它在桥梁中的应用特点,对这一新材料的发肢前泉进行丫肢望，他汄为21世纪的建桥材料将可能宥大的变革，S合材料将可能逐少取代钢铁。】—、刖目现代交通的发展，对桥梁的营运质量和寿命捉岀了史岛的要求。钢材的锈蚀是危及桥梁安全和耐久性的大敌，人们探索过很多防锈措施，但效果并不理想。先进复介材料具打耐腐蚀、重量轻（容重奴打钢紂的五分之一至叫分之一

2、）、强度高（强度高于高强钢丝或与之相当）等突出优点。力解决桥梁锈蚀问题，最近二十多年中，人们把II光转向新型材料，先进复合材料建桥技术的研究与开发受到重视，并已取得实川性成來。可以展望在二十一世纪，随着先进复合材料工业的技术进少、规模生产和成本的下降，它在桥梁结构工程中的应川规模将不断扩大，并必将把桥梁结构工程提a到一个崭新的水平。二、先进鉍合材料的基木特性先进女仓材料（AdvancedComposites）乂称纤维増强塑料（FibreReinforcedPlastics,抑称FRP）,足以非金域纤维（如玻璃纤维、芳纶纤维和碳纤维）作增强材料，以树脂（如不饱

3、和聚酷树脂、环氧树脂和乙烯恭酯树脂）作恭体材料的复合材料。树脂将纤维來结成整体，既能保护纤维免受机械破坏和化学腐蚀，又能使纤维整体受力。先进复合材料具冇以下特点：1、强度高。川S玻璃纤维、芳纶纤维和碳纤维做成的合材料筋束，其抗拉强没岛于岛强钢丝，用E玻璃纤维做成的复合材料筋束，W抗拉强度与髙强钢丝接近。2、耐腐蚀。玻璃纤维复合材料水管的寿命为钢水管和混凝土水管的两倍。3、/、V变X系:ft至破断均呈线性。4、弹性模fi。碳纤维复合材料的拉伸弹性模fi高于钢材，但芳纶和玻璃纤维复合材料的拉伸弹性模量则仅为钢材的-半和网分之一。5、疲劳特性。碳纤维和芳纶纤维尨合

4、材料的疲劳强度岛于W强纲丝，E玻璃纤维复合材料的疲劳强度则介丁•普遍钢丝和岛强钢丝之闹。金W材料亦交变应力作川下，疲劳极限仅为静荷强没的30%〜40%。由于纤维与基体复合可缓和裂纹扩展，以及存在纤维rt力冉分配的可能性，复合材料的疲劳极限较高，约为静荷强度的70%〜80%，并在破坏前有变形ffi著的征兆。6、各重轻。约为钢的五分之-至四分之一。7、各向异性。8、电磁中性。9、在商温下的性能与预应力钢丝相三、国外的研究和应川情况（一）川复合材料筋代替普通钢筋的研究早在20年前尖网就开始在混凝土结构中使用复介材料筋，主要用十有防腐要求的海洋T.程、化学工程以及要

5、求电磁中性的结构。近年來针对n趋严重的桥梁锈蚀问题，美国联邦公路总署安排了在混凝土结构屮采用奴合材料筋的科研项h。丙弗吉尼亚大学和亚利桑那大学分别进行了大贵小梁结构试验。兑合材料筋山玻璃纤维和热固性乙烯基酯树脂组成，采用拉挤工艺生产，其玻璃纤维含量占71%,树脂含显占24%，结构试验的实测数据与理论位吻合，说明合材料筋有效地增强了梁体，也说明传统的钢筋混凝土结构理论可适用于复合材料筋混凝土梁。似由于M:弹性校设低（536GPa）,殳形S可能成为控制设汁的因素。然而，若将复介材料川作预应力浞凝土结构的力筋，则效果会十分理想。（二）复合材料力筋预应力浞凝土桥梁的

6、研究与应用力筋所采川的1h金屈纤维材料，包括玻璃纤维、芳纶纤维和碳纤维i、玻璃纤维复介紂料力筋预应力浞凝土桥梁的研究与应川70年代初，联邦徳H斯阁加特人学Rehn教授提出用玻璃纤维W合材料力筋取代传统的商强钢丝修建预应力浞凝土桥的现实可行性、他进行了跨校9米的小梁荷载试验，所配背的力筋由价格较便宜的E玻璃纤维与不饱和聚酯树脂组成。梁的实际破坏荷载人于计算值，跨屮挠度髙达20厘米时，才发生混凝土受压区破裂，但复合材料力筋的状态仍然完好。根裾联邦研究和技术部的科研项3,l_hStrabag公司开发出一种称为HLV的复合力筋，并由Bayer公司HIK于1980年在

7、杜基;^多夫逮成了一座跨社7米的试验桥-LunensheGasse桥。桥梁份载为30级，采用12根长7米的无粘结E玻璃纤维义合力筋（HLV）施加预应力。对力筋的灌胶锚久-进行了5年的拉力监测，在现场验证了实验室取得的成米。1986年他们迕杜维尔多夫建成了世界上第一座采川玻璃纤维合力筋的预应力混凝土公路桥-UlenbergStrass桥。桥梁荷载等级为60/30级重交通荷载，卜.部结构为两跨21.30+25.60米的后拉预应力混凝土连续实体板，板宽15.00米，厚1.44米，共使用59根HLV力筋。每根力筋的工作荷载为600KN，也19根S径7.5亳米的E玻璃

8、纤维复合材料筋组成。全桥共使用玻璃纤维复合材料4吨。