维普资讯 http://www.cqvip.com 第３期 ２ＯＯ２年９月 纤维复合材料 Ｎｏ．３ ４５ ＦⅡ；ＥＲ ＣｏⅣＩ】Ｐ’ｏＳＩ ＥＳ Ｓｅｐ．，２００２ 基础设施 复合材料在基础设施工程中开发应用和技术研究（中） 孔庆宝 （哈尔滨玻璃钢研究所，１５００３６） ３典型应用工程简介 ３．１简要叙述 为了使我国材料工业和相关工程界在研究和开 发时有所参考，下面简要地叙述几个典型的工程实 例。正如前面已经指出那样，本文对基础设施工程 的界定，主要限制在桥梁、道路、港口、码头、大型 水力和水利工程以及国土整治工程等。和传统材料 一样，任何一项复合材料工程，也都是由若干典型 的结构制品或构件组成的。构件或制品的材料组成 形态，可以归成两大类：单一的玻璃钢／复合材料 结构和玻璃钢／复合材料与混凝土构成的组合结构。 这两类不同形态的材料结构都得广泛的注重和应 用。但是，前者在结构设计、制造工艺、连接方式 以及应用技术等方面，都与复合材料在其他领域的 应用，虽然也有其某些特殊之处，但相同或相似之 处更多。复合材料在各种不同应用，包括航空、航 天和各类工业与民用制品，所积累的技术数据和技 术标准、规范，都可资借鉴，相当一部分可以直接 引用。应当说，复合材料结构用于基础设施工程中 已经比较成熟，应用研究和示范工程多数也是从这 类结构着手的。例如，各种类型的人行桥和架空通 道等。玻璃钢／复合材料与混凝土构成的组合结构， 虽然与钢筋混凝土或钢管混合结构相类似，做为组 件材料的玻璃钢／复合材料和混凝土都是比较成熟 或相当成熟的工程材料，相应的材料参数数据、技 术标准或规范也有借鉴作用，但是，复合材料与钢 材（钢管）的技术特性差异太大，与混凝土组合后构 成的组合结构，形态相似，技术特性不同或者完全 不同。工程标准或规范可以直接引用的极少。甚至 可以说根本不可以直接采用。复合材料混凝土结构 中的某些技术问题，例如连接技术和描固技术，与 钢筋（管）混凝土结构完全不 因此，大量的研究 工作，主要集中在这类新型结构上。 复合材料在基础设施工程应用中所采用的基本 构件形式与传统建筑材料一样。从材料工业和工程 研究的角度出发，首先把桥梁、道路、码头、港口以及 国土整治工程所采用的基本构件加以归纳分类，然 后再进行分类介绍也许会更有意义。 结构元件的概括分类发下： 拉挤型材 复合材料杆（加强筋） 复合材料／玻璃钢结构 玻璃钢格栅 复合材料锚杆 粱 复合材料缆索 、 板 复合材料夹层结构 ， 柱 予应力加筋混凝土 构 件 （板、梁和柱） 后张式混凝土结构 复合材料／玻璃钢筋混凝土 复合材料管混凝土 钢筋混凝土的复合材料外补强 木材一复合材料混杂结构 从结构元件分类中不难看出，适用于狭义基础 设施的构件和应用技术，原则上可以用于其他土木 建设工程。例如，玻璃钢／复合材料桥梁结构与工 业或其他公用建筑，防腐化工厂房结构以及要求具 有透波的各类建筑物结构，与基础设施中的应用没 有太大的差别；玻璃钢混凝土柱和梁，同样适用建 筑物基础工程和工业建筑以及烟囱、大型塔器等特 种结构物。就这个意义而言，本文所述的应用范围 远不止于基础设施工程。单就应用领域而言，已有 结构或遭受意外破损结构的修复、维修和承载外力 的提高，包括古老建筑或具有保护价值的古旧建筑 物的加固和维修，从一开始就显示出复合材料的强 劲竞争力。就一定意义而言，美国的加州地震、日 本的阪神大地震和台湾的９２１地震引发并促进了复 合材料在建设工程上的应用。同样的情况在我国也 是如此。最近几年，复合材料在历史名胜建筑、重 要建筑物以及其他工业建筑等土木工程加固补强领 维普资讯 http://www.cqvip.com 纤维复合材料 ２００２年 域的应用越来越多，单是碳纤维的应用量就有数百 吨之多，应用效果非常显著，颇受好评。促成土木 工程学会于２０００年６月成立了“纤维增强塑料及工 高速公路桥采用复合材料桥面板，承载能力为４０ 吨。 几类典型的结构部件为： ３．２．１桥面板 程应用专业委员会”，开展学术交流和推动专业发 展，并制定几项相关工程规范和标准。 ３．２桥梁和道路工程应用 如前所述，世界上第１座采用玻璃钢予应力筋 加固的高速公路桥于１９８６年竣工通车；其后各国 都建成了若干座复合材料桥梁，其中，最著名的一 座于１９９１年在英国建成。这是一座全复合材料人 行桥，采用斜拉结构，总长１ １３ｍ，到２００１年２月已 经在苏格兰严苛的气候条件下安全运行了近１Ｏ年， 一切正常，显示出复合材料桥的一系列优点。（图 ６） 图６运行了１Ｏ年的全复合材料斜拉桥 世界各地无处不存在钢筋混凝土基础设施的腐 蚀问题。仅加拿大就有２Ｏ万座桥梁和结构物需要 解决承载能力不能满足使用要求的状态，所需费用 大约４４０亿加元。这是加拿大对复合材料在该领域 的开发应用和技术研究进展最快的最大推动力。下 述两座复合材料桥很有代表性： １９９７年８月初建成的一座新桥采用碳纤维复 合材料筋增强混凝土桥面板。板内安装了纤维光学 传导元件，以便进行适时动态监测。 第一座桥１６５ｍ长，双车道，予应力混凝土梁采 用碳纤维复合材料缆索和杆做加强筋（图７）。 在欧洲最近建成的复合材料桥中，丹麦的一座 图７碳复合材料筋予应力混凝土梁的施工状态 桥面板的破损被公认为基础设施中最复杂的问 题之一，也被认为是最能发挥复合材料特长的结构 部件。因此，在大多数情况下是复合材料桥的首选 结构部件。也就是说，无论是新桥建造或者是旧桥 承载能力提升、加固或维修，往往是从选用复合材料 桥面板开始。更具体地说，桥墩，梁和其他结构部件 可能仍旧采用传统材料，而首先选用复合材料桥面 板。因此，在各类复合材料结构中，桥面板应用最 多，最普遍，这是因为复合材料重量轻的特点在此得 到充分发挥，比其他结构部位要明显许多。正是由 于桥面板自身重量的减轻，可降低下部结构的载荷 要求或提高桥梁的通行吨位。美国多家研究机构对 复合材料桥面板系统的结论是： ａ．承载能力高（可高达加筋混凝土的５～６ 倍）； ｂ．缩短施工期，使交通封闭造成的经济损失减 至最小。现场施工工期只有加筋混凝土的１／３； ｃ．重量只有加筋混凝土的１／５； ｄ．可节省成本１７％； ｅ．耐疲劳及耐腐蚀性能好。 如在复合材料桥面板中加入智能滥测系统，可 进一步提高运行安全性，减少维护频率。特别是在 某些旧桥更新工程上，如采用复合材料桥面板，下部 结构不变即可提高整个桥梁的承载能力。 应当指出，上述优点是针对全复合材料桥面板 得出的结论。最能体现复合材料特点的，是美国陆 军委托研制的军用移动桥（图８）。该桥的结构设计 类似已有铝合金桥。桥面板为“碳复合材料蒙皮和 巴沙木”组成的夹层结构；支撑梁亦为碳复合材料； 总重量比铝合金桥减轻５．５吨，达到５０％左右，承载 能力由铝合金桥的７Ｏ吨，提高到复合材料桥的１０５ 图８军用复合材料桥 维普资讯 http://www.cqvip.com ３期 孔庆宝：复合材料在基础设施工程中开发应用和技术研究（中） ４７ 吨。正因为复合材料桥面板的经济效益非常显著， 所以才成为最热门的研究领域。 换装工程；美国堪萨斯州从１９９４～１９９７年先后建成 了３座公路桥，均采用玻璃钢蜂窝夹层面板，厚度只 有１２ｃｍ。桥面板的行车表面铺有１．２７ｃｍ厚的聚合 当然，复合材料筋和玻璃钢格栅增强的混凝土 桥面板亦有自己的优点，也获得较多的应用（图９、 图１Ｏ）。 物混凝土耐磨层。最典型的玻璃钢桥面板采用拉挤 工艺制造：其中，一种厚度３０ｃｍ，具有梯形夹芯结 构，面密度仅为９１．３ｋ ｍ２，分别用于俄亥俄州和加 州的两座桥。美国加州长滩的一座升降桥，原为钢 板格栅桥面，现改成复合材料夹芯结构，厚度仅 １１．４ｃｍ，这是目前见到最薄的桥面板。为满足所需 要的刚度要求，夹芯结构的蒙皮里掺加一定数量碳 纤维，此升降桥是将废旧钢铁从船上运输到废品站 的卡车通道。在这种场合，混凝土桥面板没有竞争 能力，钢板的腐蚀问题太严重，复合材料桥面板几乎 图９玻璃钢筋混凝土桥面 是最佳选择。经受最严苛载荷试验的复合材料桥面 板是一种三角芯材的夹层结构。这种具有等边三角 形芯材的桥面板，采用拉挤工艺制造，芯材的增强材 料是玻璃纤维编织物，边长为２００ｒａｍ，最初是为海上 轻型栈桥开发的，其强度足以承担重型军车从船上 通向岸边。１９９９年１１月将其改装在称量卡车的计 量站的铺道上。设计承载能力４５ｔ。每天通过的拖 拉机拖车超过１４０００辆，速度为６０～８０ｋｒｎ／ｈ。 ３．２．２复合材料混凝土柱 图ｌＯ玻璃钢桥栅混凝土桥面 复合材料一混凝土组合结构的另一种典型构件 是混凝土填充的复合材料管，或者称之谓复合材料 管混凝土柱。 把纤维复合材料在纤维方向上突出的抗拉特性 复合材料桥面板的应用实例有：世界上最大的 一座复合材料桥面于２０００年１１月初完成安装。桥 面板长５８ｍ，宽１７ｍ，系双梯／六角型夹层结构，采用 拉挤成型。该桥位于美国西佛吉尼亚；美国纽约附 近一座老桥，建于１９２６年，１９９８年改造时选择了复 合材料桥面板。此桥设计规定必须满足ＡＡＳＨ． 与混凝土优良的抗压性能结合在一起形成一个新的 设计概念和结构系统。混凝土填充到复合材料管里 构成的复合材料一混凝土柱，在承载过程中，复合材 料管对混凝土产生约束作用；混凝土反过来提供支 撑作用。两者互补，可明显提高构件的承载能力和 抗震性能。根据同样原理，钢管内填充混凝土形成 的钢管混凝土已经得到的广泛应用，是一种较为成 熟的结构件。但钢管的腐蚀问题限制了它在某些场 合的应用。由于泊桑比的原因，钢管对混凝土的约 束效果及设计灵活性也不如复合材料，在已有的混 凝土结构外面铺置复合材料层，其工作原理与此相 ＴＯＵＨＳ－－２５荷载等级要求（即承载能力４５ｔ）。每块 桥面板的几何尺寸为５０×７６０×６０ｃｍ（厚度），蜂窝 夹层结构，采用ＶＡＲＴＭ（真空辅助ＲＴＭ）工艺制成。 ＡＡＳＨＴＯ要求挠度不大于Ｌ／８００。安装完成后在９０ｔ 载何作用下测得的挠度为３．２ｍｍ，只是设计规定值 的３６％；纽约附近的另一个公路桥建于１９４１年，原 来采用钢筋混凝土桥面板。混凝土开裂后，冬季洒 盐而使钢筋严重腐蚀，后来陆续铺设的沥清路面使 桥梁的重量严重超标，影响桥梁的过载能力。此桥 类似。尽管结构效率也许不如上述复合材料管混凝 土结构，但结构形式的适应能力要更强，特别适用于 同样选择了上述同类型的复合材料桥面板进行修 补；英国最近完成的一座旧的悬索桥改造，此桥跨径 ４７ｍ，宽３．５ｍ，厚度３６ｃｍ，与原先的混凝土加沥青的 厚度相仿，重量为１６２ｋｇ／ｍ２，只有旧桥面的１９％，整 已有结构物的加固和修复。应用也更广泛。 ３．２．３复合材料结构梁 各类桥梁的主梁及横梁，依据用途和载荷要求， 可采用复合材料型材梁或由型材构成的桁架结构。 主要用于步行桥，轻型公路桥，特种用途桥以及海 港，铁路及航空港以及化工类工业厂房的空中通道 个桥面减少自重２６５ｔ，确保桥的承载能力明显提高。 用移动式起动机，１天的时间内就完成了桥面板的 维普资讯 http://www.cqvip.com ４８ 纤维复合材料 ２ＯＯ２年 等，其设计方法与建筑结构相类似，制造技术较成 熟。对公路桥，特别是高速公路桥，则多数采用复合 材料筋、缆索或格栅增强的混凝土梁。最初的研究 工作和示范工程多集中在玻璃钢增强筋方面。最近 花费２Ｏ亿美元。最理想的办法就是采用纤维缠绕 玻璃钢管取代木桩。管内径３３０～４００１ｎｎｌ。为了提 高防撞和能量吸收能力，在玻璃钢管内填充发泡混 凝土。采用一种专利安装技术，４４根玻璃钢管可替 代１０００根木桩（图ｌ２）。 几年碳复合材料增强筋的研究工作逐渐展开，示范 桥梁工程已经竣工通车（图７）。 美国实施一项军民两用建桥技术研究计划，选 择三种建桥方案，各建一座桥。第一座桥长ｌ９．７ｍ， 其支撑结构采用碳纤维复合材料管内填充混凝土结 构。复合材料管直径３６５ｍｍ；美国加州一座长２０ｍ， 宽１３．４ｍ的复合材料斜张桥，其中心支撑梁和桥塔 均采用碳纤维复合材料管内填充混凝土结构。复合 材料管直径３５０ｍｍ，壁厚９．５ｍｍ。在施工现场完成 混凝土浇注；加州大学（坚地亚哥）建成一座复合材 料偏心斜拉桥。该桥的纵向支撑梁采用碳纤维缠绕 管内充混凝土结构，直径１．０ｍ；横梁为拉挤成型的 玻璃纤维／碳纤维混杂复合材料方管，桥塔为碳纤维 缠绕复合材料管混凝土柱，直径１．８ｍ。 ３．３海港及码头工程 海港及码头工程遇到的主要问题是海水腐蚀问 题，正好可以发挥复合材料的特长。 ３．３．１港口防波堤 美国一处港口的防波堤长约５８ｍ，高５ｍ，位于 大西洋沿岸。潮涨潮落，在海潮冲击下，原有的钢筋 混凝土结构发生一系列裂纹，其缝隙宽度最大者达 ６ｍｍ。用锤子敲击检测查明，整个防波堤面积的３５ ～４０％的钢筋已经严重锈蚀。这些区域不仅受到最 频繁的海浪冲击和干／湿的交替作用，防波堤的水平 部分还有盐粒的聚积作用。这就促进了氯离子的渗 透，腐蚀作用比垂直表面更快。港口防波堤平台向 海岸内延伸，在盐／水喷溅作用，混凝土剥落和钢筋 锈蚀也相当严重。 采用４｝｝玻璃钢筋（￣１３ｍｍ）对上述防波堤实施 重建，建设成本只比钢筋混凝土高３％。但是，钢筋 混凝土历经５～７年必须维修一次，因此，玻璃钢筋 混凝土防波堤在经济上也是有竞争力的（图１１）。 美国珍珠港的４号码头所遭受的腐蚀的状态与 上述非常相似，也采玻璃钢增强筋实施混凝土修复 工程（图１１）。 ３．３．２滨水结构 （１）码头防护桩 传统的码头防护桩是木桩，少数采用不锈钢板。 海水、海生物及白蚁的腐蚀和破坏是长期存在的严 重问题，为复合材料在这一领域的开发提供了极好 的机遇。据估计，美国为维护这种木质防护桩每年 １ １美国珍珠港码头采用玻璃钢筋的混凝土工程 ｈ＿ｌ№ Ｉ—－Ｉ■ＩＩ埔 ■－啊■ Ｍｉｌｌ 图１２玻璃钢防护桩 （２）码头防护板 传统的防护板采用一般的碳钢板或不锈钢板。 目前已用真空辅助树脂传递模型工艺（ＶＡＲＴＭ），制 造复合材料防护板。 （３）码头系缆桩 实质上就是玻璃钢管混凝土桩。１个典型工 程，其玻璃钢管内径３００ｍｍ，壁厚６．４ｍｍ，混凝土抗 压强度３５ＭＰａ。风载和波浪的联合作用使系缆桩承 受的弯矩可达到９３．４ｋＮ・ｍ。 ３．４复合材料缆索 复合材料缆索是由若干直径较小的拉挤杆按一 定排放规律装配而成，通常在缆索外面套上一个塑 料管，并在组成缆索的拉挤杆之间以及最外层的拉 挤杆与塑料套管之间灌人阻水剂，以增加整体性并 防止水的渗人。所用原材料体系，拉挤杆直径及拉 挤杆数目，确定了缆索的承载能力。 （未完待续）
