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首座将FRP纤维网作为增强材料的混凝土桥梁
复材模压网 / 邢岫烟 / 2020-03-25 14:18:03
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纤维增强复合材料FRP,英文全称Fiber Reinforced Polymer /Plastics,由纤维材料与基体材料构成。用于建筑结构时,常用的纤维材料有碳纤维、玻璃纤维,基体材料有环氧树脂、乙烯基酯树脂、不饱和聚酯树脂。由微观到宏观,首先由极细的纤维丝按一定方向排列或编织为板、布等形式,再与基体材料胶结后形成FRP制品。
修建在德国阿尔布施塔特(Albstadt),结构形式为FRP(纤维增强塑料)纤维网增强混凝土人行桥(简称TRC桥梁),是世界上首座将FRP纤维网作为增强材料的混凝土桥梁。该桥不使用钢筋,结构厚度薄、重量轻,具有高耐久性。

由于架桥地点防冻剂导致的盐害影响较大,为满足抗盐害的性能要求,决定修建TRC桥梁。FRP纤维网具有抗盐害的性能,混凝土保护层最小可控制为20 mm,以实现结构纤细的造型和高质量的外观。TRC桥梁具有高密度的混凝土表面,不需要桥面铺装层,减少了维修养护,更经济。TRC桥梁比钢筋混凝土桥梁使用的混凝土量少,大幅度减少了CO2的排放量,有利于环境保护。TRC桥梁的寿命周期成本是钢筋混凝土桥梁的1/3。

TRC桥梁通常采用抗碱玻璃纤维和碳纤维作为主材料,碳纤维具有非常高的抗拉强度(3000 MPa)。该桥采用数百根碳纤维束编织成间距38 mm的纤维网。由于碳纤维直径只有数微米,纤维间间隙小,混凝土砂浆不能进入碳纤维束内部,不能很好地将应力传递给纤维整体。而进行环氧树脂浸渍的纤维网,环氧树脂浸透到纤维深处,紧密连接纤维间,可将应力传递到所有的纤维上。环氧树脂浸渍后的碳纤维束抗拉强度比没有浸渍的高出2倍以上。环氧树脂浸渍固化后的纤维网可保持形状,方便加工。该桥使用的碳纤维束弹性系数为2.4×105 MPa,环氧树脂浸渍固化后的抗拉强度为3 215 MPa。

纤维网网格间距为38 mm,为使其缝隙间充分填充混凝土,使用最大粒径5mm的骨料制作细粒度且高强度的混凝土。混凝土圆柱体抗压强度70 MPa,立方体抗压强度85 MPa,轴心抗压强度90 MPa,抗弯强度10 MPa。

该桥桥长15.55 m,为U形截面的下承式梁桥,桥面全宽2.94 m,最大梁高1.17 m。主梁横截面采用2层碳纤维网。将纤维网制作成片状和U形,U形纤维网用于桥梁转角位置。该桥不使用钢筋,弯矩和剪力由纤维网负责承担。

根据混凝土保护层厚度(20 mm)和纤维网最小弯曲半径(约8 mm),桥梁构件的厚度尽可能薄。因此该桥侧壁厚70 mm,桥面板厚90 mm。考虑到行人和自行车通行以及冬季除雪作业,桥面板上部设10 mm厚的铺装层作为磨耗层。

该桥纤维网的安装可以在2 h内完成。混凝土采用自密实混凝土,不需要振捣,因此可以在几小时内完成浇筑。浇筑后覆膜养生。2 d后,工厂预制的主梁脱模后运至现场,使用2台轮胎式起重机架设,2 h后就可开放通行。该桥从制作到投入使用只需要几天时间。

为了验证该桥的性能,德国亚琛工业大学采用足尺模型进行荷载试验,结果表明,结构是安全的。

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