美國擁有世界上最發達的交通運輸網,國道里程達46400多英里。全美統計在冊的600000座橋梁的平均壽命為45年,而發展并引進高性能結構材料,可以使結構更耐久、更穩固。美國聯邦公路局(FHWA)在使用高性能混凝土(HPC)、高性能鋼材(HPS)及纖維增強聚合物(FRP)復合材料方面提出了創新。
具有高抗腐蝕性與抗疲勞性的輕量的復合材料在當今的結構工程應用中是非常需要的。在聯邦政府法規(TEA-21 and SAFETEA-LU)下,經過十年的創新橋梁研究與施工方案的實施,FRP復合材料技術已經成功地展示了其在橋梁結構應用中的潛力。以下列出了四種主要應用類型:
1、新橋梁橋面板系統施工
2、使用混合材料的新橋梁施工
3、橋梁加固與維修
4、柱的抗震改建
FRP新橋梁橋面板系統
這種橋面系統中有很多都是由玻璃纖維與聚酯或乙烯基酯類樹脂生產的專用產品。它們要么用在全厚部分,要么用在部分厚度部分來匹配現有的混凝土橋面面板。全厚面板(最小20.3cm)隨結構形狀形成,并由車間預制成易于運輸和快速利用的標準板件。這些板件在現場拼裝,通常被固定在橫梁和/或縱梁支承體系上。
FRP復合材料橋面的優點是重量輕、強度高與性能高。同時FRP復合材料橋面有高的抗化學與抗腐蝕性,易于處理、運輸及安裝。它的輕重量(88~171kg/m2,沒有磨耗鋪裝面層)減少了總體上部結構重量與地基要求。在高地震區,對減少質量有很高的要求。雖然復合材料有很高的拉伸強度,目前的橋面設計由剛度控制。玻璃纖維增強(FRP)復合材料的剛度模量大約是鋼材的五分之一。除高或極高模量的碳材料之外,典型的碳纖維的剛度模量比鋼材料稍高一點。對于具體施工與連接細部則需要進一步研究與測試,以確保其抗疲勞性、使用壽命以及可施工性的良好設計。
FRP混合體系
美國統計在冊的600000座橋梁的平均壽命為45年,而發展并引進高性能結構材料,可以使結構更耐久、更穩固。美國聯邦公路局(FHWA)在使用高性能混凝土(HPC)、高性能鋼材(HPS)及纖維增強聚合物(FRP)復合材料方面做出了創新。
混合體系可分為兩種類型:用復合纖維的結構復合產品和由復合材料與傳統材料結合的結構體系。前者涉及一個產品級別定義,即由碳、玻璃纖維、芳綸纖維與樹脂結合形成一種單向結構構件,如層合板或薄板、桿或預應力筋及纖維絞線。后者涉及一個系統級別定義,即將FRP復合材料部件整合到由傳統材料組成的結構件中。美國混凝土協會(ACI Committee 440)已經公布了FRP相關應用的幾種設計指南。
設計混合結構時,關鍵是戰略性地應用FRP復合材料的高拉伸強度,同時利用傳統材料的高抗壓強度與高剛度。FRP復合材料的高拉伸強度來自它的單向纖維平行于施加荷載的軸線。與混凝土的高抗壓強度相比,FRP纖維主要增強復合材料的高拉伸強度,而樹脂骨架僅僅增強一小部分抗壓強度。復合體系的應用將幫助喜歡用傳統材料的橋梁工程師樹立信心。
美國統計在冊的600000座橋梁的平均壽命為45年,而發展并引進高性能結構材料,可以使結構更耐久、更穩固。美國聯邦公路局(FHWA)在使用高性能混凝土(HPC)、高性能鋼材(HPS)及纖維增強聚合物(FRP)復合材料方面做出了創新。
FRP復合材料的輕質在預應力應用與大跨度斜拉橋和懸索橋的應用上有巨大的潛力。FRP復合材料可以解決大跨度橋梁上多余線纜的恒載及腐蝕問題。下一代大跨度索橋結構應該考量這種新材料技術的使用及其在大跨度橋梁應用上的進一步發展。
FRP橋梁加固與維修
FRP復合材料的第二個主要應用是使用FRP層合板、桿及濕敷纖維布粘結在混凝土上來維修。表面粘結復合材料已經用于很多的混凝土橋梁加固與維修上。FRP復合材料包裹可以成功用于鋁制結構維修,同時美國國家公路與運輸協會正在推廣這一市場成熟的維修技術。總的來說,FRP維修技術節約成本,易于設計、安裝與檢測。在橋梁加固方面,鋼筋混凝土梁可以增大對剪切荷載和彎曲荷載的承載能力。混凝土板可以增強彎曲荷載的承載能力。當設計與應用合理時,可以使用FRP復合材料成功地維修橋梁,達到無需更換整個結構就能延長橋梁使用壽命的目的。
FRP-柱的抗震改建
美國抗震設計規范的發展是一個不斷演變的過程,通常是通過對時間與地震事件的真實試驗來實現。在1989年奧克蘭絡瑪-譜雷塔大地震發生后,加利福尼亞交通部(CALTRANS)率先將FRP復合材料應用在了混凝土橋墩柱的加固上。用1971年以前的抗震設計規范設計的墩柱被發現在抗剪承載力、延性與塑性鉸的約束性方面均存在不足。加利福尼亞交通部已經使用FRP復合材料加固了數千座混凝土橋墩柱。產品分為三類:纖維線纏繞、手工包纖維板與預塑圓柱殼。使用FRP加固橋梁抗震性能經歷了大量的試驗及巨大的發展,而且這項技術已經被認為是一種成熟的加固方法。