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橋梁工程中纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)用研究論文
摘要：在國內(nèi)橋梁工程中，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是一種先進(jìn)的加固材料，以片材、型材、棒材、混雜等形式存在。筆者從纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)用現(xiàn)狀入手，具體分析纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的特點(diǎn)，最后結(jié)合現(xiàn)狀和特點(diǎn)，提出纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在橋梁工程中的應(yīng)用形式，以促進(jìn)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在橋梁工程中的有效應(yīng)用，同時對以后橋梁工程中纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的進(jìn)一步研究有所裨益。
關(guān)鍵詞：橋梁工程；復(fù)合材料；現(xiàn)狀；應(yīng)用形式
橋梁工程在交通運(yùn)輸中發(fā)揮著重要作用，既是交通運(yùn)輸中的生命線，又是跨越道路障礙的一種有效方式。長期以來，橋梁工程多數(shù)采用鋼鐵結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，但鋼筋混凝土橋梁一直存在因鋼筋銹蝕出現(xiàn)的耐久性和防腐性問題，且成本較高，自重較大，維修較難等各種問題。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是當(dāng)前橋梁工程中較常見的一種結(jié)構(gòu)材料，由增強(qiáng)材料和基體材料經(jīng)物理上宏觀組合而成。在性能上，即可保持原組分材料的特點(diǎn)，又可發(fā)揮組合后的新特性，適合應(yīng)用于橋梁工程中。
1.纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)用現(xiàn)狀
橋梁工程中的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是一種以紗線、纖維或織物為基體材料，以碳纖維為增強(qiáng)材料組合而成的復(fù)合材料。橋梁工程中纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)用研究最早始于20世紀(jì)70年代，英、美、日等國家首先將纖維增強(qiáng)復(fù)合材料應(yīng)用于橋梁工程的主要構(gòu)件中。針對這一領(lǐng)域的研究，我國最早始于20世紀(jì)80年代，在新建橋梁工程中，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)用包括代替鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、建造橋梁的橋面板和橫梁、制造斜拉橋的繩索或拉桿等；在已有的橋梁工程中，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料可應(yīng)用于超負(fù)荷或抗震加固、橋梁有缺陷結(jié)構(gòu)的修補(bǔ)、因橋梁結(jié)構(gòu)老化、腐蝕或經(jīng)火災(zāi)、地震等損壞后的修補(bǔ)。在橋梁工程中，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)用日益普遍。
2.纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的特點(diǎn)
與混凝土、鋼材等傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料相比，在材料性能上，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、導(dǎo)熱性弱、線膨脹系數(shù)小，疲勞極限不明顯，在橋梁裂紋出現(xiàn)后可經(jīng)多次循環(huán)載荷等特點(diǎn)。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料與傳統(tǒng)材料性能詳情比較見下表1，從表1中發(fā)現(xiàn)，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的密度為鋼材的20%-25%，比強(qiáng)度為鋼材的10-15倍，為高強(qiáng)度合金鋼的3-5倍。在工程性能上，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有優(yōu)化設(shè)計特種載荷，減少結(jié)構(gòu)靜載荷、增加結(jié)構(gòu)額定載荷，工程壽命長、維護(hù)成本低，無需在現(xiàn)場安裝重型設(shè)備，施工速度快，結(jié)構(gòu)的耐久性和抗斷裂性能好等特點(diǎn)。
3.纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在橋梁工程中的應(yīng)用形式
3.1在新建橋梁工程中的應(yīng)用
在新建橋梁工程中，H型纖維增強(qiáng)復(fù)合材料形成的橋面板可用于縱向鋼梁支撐，也可用于縱梁支撐，材料選擇上以耐候性和耐惡劣環(huán)境較好的乙烯基酯樹脂為基體材料，E-玻璃纖維的多軸縫合織物、氈等為增強(qiáng)材料，并由拉擠和真空輔助樹脂傳遞模塑兩種工藝制造而成，橋面板美觀，承載能力和抗變形能力均較好，有效延長橋梁工程的使用壽命。
3.2在已有橋梁修補(bǔ)中的應(yīng)用
在已有橋梁修補(bǔ)中，拉擠帶材和碳纖維補(bǔ)強(qiáng)片材是修補(bǔ)并加固橋面板較常用的兩種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。拉擠帶材采用碳纖維質(zhì)地，其縱向拉伸強(qiáng)度超過3000MPa，模量大于150GPa，修補(bǔ)加固后的橋面板背部情況如下圖1。碳纖維補(bǔ)強(qiáng)片材是一種半成品基材，將單向碳纖維鋪放排列在含有少量樹脂的玻璃纖維絹布上，形成整體，經(jīng)鋪貼、翻新以修補(bǔ)并加固橋面板的背部，具體情況如下圖2所示。
3.3在其他方面的應(yīng)用
纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在人行橋的應(yīng)用中較為廣泛，尤其在大型起重設(shè)備無法進(jìn)入或因占用鐵路線引起工期受限的復(fù)雜環(huán)境下，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)用價值尤為凸顯。在眾多已建成的復(fù)合材料橋梁工程中，英國的一座全復(fù)合材料人行橋尤為著名，是世界上第一座采用擠拉玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料修建的最長人行橋，總長113m，采用斜拉結(jié)構(gòu)，已在蘇格蘭嚴(yán)酷氣候條件下正常運(yùn)行近24年，仍在正常運(yùn)行中。
4.結(jié)語
纖維增強(qiáng)復(fù)合材料由于具有密度低、強(qiáng)度高、耐腐蝕性強(qiáng)、熱膨脹系數(shù)小等特點(diǎn)，在橋梁工程的使用壽命上發(fā)揮關(guān)鍵作用。近年來對纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在橋梁工程中應(yīng)用的研究成果，說明纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在橋梁工程上具有良好的應(yīng)用前景。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料為橋梁工程提供一種多功能的施工模板，和混凝土組合形成復(fù)合材料，以發(fā)揮復(fù)合材料的高強(qiáng)度優(yōu)勢，同時最大限度地減少鋼材使用量。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料施工模板的技術(shù)優(yōu)勢顯著，產(chǎn)業(yè)化前景廣闊，可帶動橋梁工程技術(shù)向環(huán)保、節(jié)能、可持續(xù)的方向發(fā)展。
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