在公路橋梁中,橋面板直接承受輪壓荷載和環(huán)境荷載,是受超載、腐蝕、疲勞等不利因素影響最直接的構(gòu)件。因此,傳統(tǒng)的鋼筋混凝土橋面板和正交異性鋼橋板在一些惡劣的環(huán)境下會很快的銹蝕、開裂、剝離,甚至塌陷,這些給道路交通帶來巨大的隱患和損失。 FRP材料是一種新型結(jié)構(gòu)材料,具有高強、輕質(zhì)、耐腐蝕等優(yōu)點。用FRP制成的夾心橋面板與傳統(tǒng)的橋面板相比有明顯的優(yōu)勢,它的出現(xiàn)為橋梁工程師提供了一個很好的選擇。
FRP夾心橋面板由上下的FRP面層和FRP夾層粘接而成,上面層受壓和下面層受拉承受彎矩,夾層部分主要承受剪力,同時連接上下面層。根據(jù)FRP夾層板的生產(chǎn)工藝,可以分為拉擠粘接和接觸工藝一次成型兩類。這種組合可以使FRP材料的強度充分發(fā)揮,同時減輕也了結(jié)構(gòu)的重量。這種橋面板不僅可以直接應(yīng)用在新建橋梁中,還可以替換一些老橋原有的混凝土橋板,使老橋重新煥發(fā)青春,甚至提高荷載等級。從1996年,美國開始在中短跨橋梁中應(yīng)用GFRP(玻璃纖維)夾心橋面板,至今已經(jīng)有近百座橋梁,其中有1/3為老橋修復(fù)。近年我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模逐年增大,對于建設(shè)水平和質(zhì)量的要求也越來越高,其中高性能、高效率、耐久性好是工程結(jié)構(gòu)的迫切要求。FRP橋面板正是適應(yīng)這一要求的產(chǎn)品,它具有以下一些顯著的優(yōu)點:
(1)自重輕。FRP夾心橋面板的自重約為傳統(tǒng)混凝土橋板的20~40%[1]。使用它可以大大減輕橋面恒載,從而使橋梁的跨度可以更大,車載可以更高。
(2)施工方便。FRP夾心橋面板在工廠中加工生產(chǎn),現(xiàn)場安裝,它的重量輕,甚至可以不用起重設(shè)備,因此運輸、安裝都非常方便,可以大大縮短工期。
(3)耐腐蝕,維護方便,維護費用低。目前我國許多橋梁結(jié)構(gòu)都受到銹蝕等問題的困擾,一些工程建成后的維護費用甚至超過了建設(shè)費用。而FRP材料具有很好的耐腐蝕性,建成后幾乎不需任何維護措施,這對于一些特殊環(huán)境地區(qū)的橋梁建設(shè)無疑是一個福音。這三個優(yōu)勢將使FRP夾心橋面板在橋梁工程中發(fā)揮出傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料難以替代的作用。
同時,與其它的結(jié)構(gòu)材料一樣,F(xiàn)RP材料也有一些缺點。首先,F(xiàn)RP材料的彈性模量低。構(gòu)件的變形成為全FRP橋面板的主要控制因素。FRP夾心橋面板必須通過增大構(gòu)件幾何尺寸來獲得幾何剛度,從而提高整個構(gòu)件的剛度,材料的用量勢必增大。另一個問題是FRP材料的價格相對較高,使用FRP夾心橋面板的費用大約是混凝土橋面板的2~3倍,是正交異性鋼橋板的1.2倍[1]。雖然從整個橋梁生命周期中的總費用來看,F(xiàn)RP夾心橋面板在經(jīng)濟性上并不差[2],但是較大的初期投資勢必會影響FRP橋面板體系在工程中應(yīng)用的前景。因此,改善現(xiàn)有的FRP夾心橋面板,研究開發(fā)出成本低、性能好的FRP橋面板體系是非常需要的。
我國在這方面的研究起步相對較晚,目前還沒有的定型FRP橋面板的產(chǎn)品。但隨著工程建設(shè)的發(fā)展,成本低、性能好的FRP橋面板將會在橋梁工程中有很大的需求量。清華大學(xué)土木工程系與北京玻璃鋼研究設(shè)計院正在聯(lián)合開發(fā)適合中國國情的FRP夾心橋面板以及成本低、性能好新型FRP組合橋面板。
目前,國外已經(jīng)有多種不同斷面形式的FRP夾心橋面板產(chǎn)品。一般在工廠中按照一定的模數(shù)尺寸加工成型,再運到現(xiàn)場安裝。常用的連接固定的方式是金屬螺栓連接和粘接。這些FRP橋面板產(chǎn)品的自重為0.75~1.1kN/m2,是傳統(tǒng)橋面板的1/3~1/4;價格為混凝土橋面板的3~4倍,為鋼橋板的2倍。在HS20級荷載的作用下,橋板最大變形為L/450~L/1300,通常一次成型的夾心板的變形比粘接成型板的變形要小一些。世界上最早應(yīng)用FRP夾心橋面板的是1996年在美國Kansas州Russell附近的無名溝壑上架起的一座公路橋。同年,在加州大學(xué)San Diego校區(qū)內(nèi)也建成一座試驗性質(zhì)的小橋,設(shè)計荷載HS-20。此后,F(xiàn)RP夾心橋面板在美國發(fā)展迅速,現(xiàn)在已經(jīng)有幾十座中小型橋梁。
除了將FRP橋面板用于新建橋梁中以外,它還被應(yīng)用在老化橋梁的修理中,即使用FRP橋面板替換原有的混凝土橋板,使橋面結(jié)構(gòu)自重減輕,車載等級提高,使用壽命延長。在New York、Maryland、Oregon等地,有十幾座老橋,主要是鋼結(jié)構(gòu)橋,在重修中采用了這種FRP橋面板。由于FRP橋面板的應(yīng)用目前還處在驗證階段,初期費用是偏高的,當應(yīng)用量增大,F(xiàn)RP產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)模擴大,勢必使其成本大大降低,近年來,CFRP加固混凝土結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用既是例證。因此,讓更多的橋梁設(shè)計人員認識到這點也是非常緊迫的。