FRP桥面板与组合桥梁

KSCI系统

Kansas结构复合材 料公司生产的KSCI 系统属于蜂窝夹层 组合结构，制造方 法是采用多向铺层 的GFRP夹心板接 触低压成型法生产 成型。
KSCI夹芯板结构GFRP桥面板
Hardcore系统

Hardcore公司制造 的Hardcore桥面系 统由上下表层的 蒙皮加上中间的 多重缠绕加筋腹 板所构成。制造 方法是真空辅助 树脂浸渍模塑成 型工艺。
常用结构胶粘剂类型
丙烯酸结构胶粘剂 环氧结构胶粘剂 聚氨酯结构胶粘剂
玻璃纤维增强复合材料 （GFRP）桥面板

玻璃纤维虽然弹性模量较低，但价格 低廉，而且对大气、水和各种腐蚀介 质的化学性能比较稳定。所以，目前 国际上通常采用玻璃纤维增强复合材 料(GFRP)制造桥面板。
GFRP桥面板的特点


(1) GFRP桥面板重量轻，可大大降低桥梁恒 载，提高有效承载力，并使基础工程在内 的下部结构工程量减少，是解决桥梁结构 轻型化问题的一个十分有效的途径。 (2) 虽然GFRP材料价格比传统材料高，但 GFRP桥面板自重的减轻会使桥梁下部结构 的造价减少，用它建造桥梁结构具有自重 轻、施工方便优势，这是传统结构材料难 以比拟的。
Strongwell系统
ACCS系统
ACCS（Advanced CompositesConstruction System）系统又叫COMPOSOLITETM系统,是 一种先进的复合材料建筑板，可用作主要承 载构件。其模块化的建筑系统由一些用拉挤 法生产的互锁GFRP构件所组成。
ACCS系统
其主要受力构件是有开口肋的面板，尺寸为 76.2mm厚、609.6mm宽，此面板可以用三向 连接器，450连接器，栓钉（toggle）或挂钩 (hanger)等五种互锁的拉挤GFRP构件连接起来。 主要构件和连接构件见图。
GFRP桥面板的特点

(9) 与传统结构材料不同，GFRP 材料 通常表现为各向异性，纤维方向的强 度和弹模较高， 而垂直纤维方向的强 度和弹模很低。有关产品资料表明， 两个方向的抗拉强度相差可达25 倍， 抗压强度相差可达5 倍，模量相差可达 13 倍。
GFRP桥面板的特点

(10) 纤维方向的抗拉强度比抗压强度 高30%。 因此在设计GFRP 构件时，需 要对两个方向分别进行设计。由于 GFRP 材料各向异性，在受力上有许多 不同于传统结构材料的现象，例如拉 伸翘曲现象，这在各向同性材料中是 没有的，这加大了设计难度。
韩国的GFRP桥面板
韩国的GFRP桥面板
拉挤型材粘结GFRP桥面板性能比较
2、 GFRP桥面板的生产工艺 与粘结技术
GFRP桥面板的生产工艺

由于GFRP材料具有弹性模量低和各向异 性等特点，简单地使用GFRP材料制造桥 面板不易满足高性能、低成本的要求。 因此，将不同种类的GFRP材料及传统结 构材料进行合理的组合，开发出质轻高 强、适用于公路桥梁的重型GFRP组合桥 面板是目前国内外主要的研究领域之一。

(16) 目前国际上通常采用玻璃纤维增强复 合材料（GFRP）制造桥面板。一般GFRP 桥面板产品的自重为0.75～1.1kN/m，是 传统桥面板的1/3～1/4，价格为混凝土桥 面板的3～4倍，为钢桥板的2倍。在HS20 级荷载的作用下，桥板最大变形为 L/450～L/1300。
国外GFRP桥面板
GFRP桥面板的特点


纤维增强复合材料桥面板的基本结构 主要有两种形式： （1）夹芯板结构 （2）拉挤型材粘合结构。
GFRP桥面板的特点—夹芯板结构

GFRP夹芯板结构可设计性好，可设计 制造各种不同厚度、截面形状尺寸及 不同强度要求的桥面板，尤其是可以 方便地形成组合结构。这种结构存在 生产成本较高，结构的连接和固定性 能差等缺点。
纤维增强复合材料桥面板


具有耐腐蚀、比强度高、比模量大、 抗疲劳性能优异的纤维增强复合材料 （FRP）的出现，成为建筑和桥梁工程 中提供了新选择。 用GFRP制成的桥面板体系是近十多年 内发展起来的一种新型桥面系结构形 式。
纤维增强复合材料桥面板

常用的复合材料增强纤维材料 （FRP）包括玻璃纤维、碳纤维、硼纤 维和芳纶纤维等。碳纤维、硼纤维和 芳纶纤维虽然具有卓越的机械性能和 理化性能，但价格过于昂贵，采用这 些材料制造桥面板成本太高，缺乏竞 争力。
拉挤型材GFRP桥面板

拉挤GFRP型材具有可以连续生产，生 产效率高，原材料浪费少，整体性和 截面形状一致性好，型材长度不受限 制等优点，是目前国际上主要采用的 桥面板结构形式。但生产拉挤型材的 设备的初期投资比较昂贵，且型材截 面形状和尺寸受到设备限制。
拉挤型材GFRP桥面板

拉挤型材粘合结构GFRP桥面板产品性 能可靠、强度高（设计应变比AASHTO 中规定的还小20％）、自重轻（约为混 凝土桥板的20％～40％）、截面低（为 混凝土板的80～90％）、有很好的抗疲 劳和抗腐蚀性能、施工方便、安装快捷。

每个等边三角形构架芯管边长约8英寸， 用ARC生产的浸润聚乙烯树脂的三向 编织无碱玻璃纤维拉挤而成，该编织 纤维贯穿整个厚度范围，可提供优异 的耐久性能，如将其切开成平面织物 片时宽约28英寸。而面板则由浸润聚 乙烯树脂的编结无碱玻璃纤维手糊而 成。
Strongwell系统
Virginia Tech和Strongwell公司开发和测试 了 Strongwell 系统 , 也是采用拉挤型材粘贴 而成的。所不同的是它由GFRP拉挤方管和 平板粘结组成。整个系统的厚度可因方管 的尺寸变化而变化，范围从 120.7mm 变化 到 203.3mm ，自重为 (90-117Kg/m2) 。
GFRP板的生产工艺-手糊法
真空辅助树脂转移成型法
拉挤法
GFRP桥面板成型工艺比较
实桥用GFRP桥面板拉挤型材
实桥用GFRP桥面板拉挤型材
实桥用GFRP桥面板拉挤型材
实桥用GFRP桥面板拉挤型材
GFRP桥面板连接技术
对于GFRP桥面板的连接工艺设计、连 接强度和失效形式分析是当前复合材 料桥梁领域的研究热点之一。常用的 GFRP桥面板连接固定的方式： 金属螺栓和机械连接 化学粘接 机械与化学粘结混合连接
GFRP桥面板的特点

(3) GFRP桥面板耐腐蚀，有良好的耐腐蚀性。 可以在酸、碱、氯盐和潮湿的环境中抵抗化 学腐蚀,这是传统结构 材料难以比拟的。目前 在化工建筑、地下工程和水下特殊工程中， GFRP 材料耐腐蚀的优点已 经得到实际工程 的证明。在瑞士、英国、加拿大等国家的寒 冷地区以及一些国家的近海地区已经开始在 桥梁、建筑中采用GFRP 结构代替传统结构以 抵抗除冰盐和空气中盐分的腐蚀消除了混凝 土板具有的开裂, 钢筋锈蚀等问题，节约了维 修和防护费用。
Asset系统
Asset 系统截面是基于英国 BS5400 规范中 HA 和 HB 类荷载取 2 米的跨度和 40 吨的荷 载来设计的。另外，截面的高度和尺寸均 要满足适于拉挤成型的方便及与现存桥梁 具有相容性。最终采用的截面高度为 225 毫米，宽度包括搭接接头为 521 毫米，并 采用无碱玻璃纤维浸异酞聚合树脂拉挤成 型。
Asset系统
Asset 系 统 截 面 是 由 Mouchel ( 英 国 ) ， Fiberline ( 丹 麦 ) ， KTH( 瑞 典 ) ， IETCC ( 西班牙 ) ， Skanska( 瑞 典 ) ， HIM ( 荷 兰 ) 和 Oxfordshire County Council(英国)等七个单 位组成的合作体共同 研发的。
GFRP桥面板的特点

(11) 与钢材相比较，大部分的GFRP 产 品的弹性模量较低：大约为钢材的 1/20～1/2，大 致与混凝土和木材在同 一数量级。弹模低是GFRP 作为结构材 料最大的劣势，在设计中要充分 考虑 这个特点，应尽量使用几何刚度来弥 补材料刚度的不足与钢材相比较。
GFRP桥面板的特点

(13) 与混凝土相比，一般GFRP 材料的 防火性能较差。临界温度为300℃左右， 而且部分 树脂材料有可燃性。通过改 变树脂的组分，可以改善GFRP 的防火 性能。目前采用环氧树脂的 GFRP 材 料，可在树脂中掺入阻燃剂，表面进 行防火处理，其效果已经可以与混凝 土结构相当。
GFRP桥面板的特点
DuraSpan 拉挤型材GFRP桥面板
Superdeck仿蜂巢截面双梯形/六边形 拉挤型材GFRP桥面板

Superdeck系统又称为Superdeck仿蜂巢截面 双梯形/六边形拉挤型材GFRP桥面板系统。 它是由西弗利亚大学（WUV）和美国陆军建 筑工程研究室（USACERL）联合开发和测 试的。这种新的型材即梁单元也可组装起来 产生正交异性的GFRP桥面板。
GFRP桥面板的特点


(4)可在工厂中模块化生产, 对环境的破坏小， 运输吊装方便，大大减少建桥现场组装的 时间，降低建造成本。 (5)具有良好的抗疲劳、抗震和耐久性，使 用寿命长。使得结构的维护费用和周期都 将大大降低。从结构整个生命周期的费用 来看，GFRP桥面板是非常具有竞争优势的。 尤其在一些工作环境恶劣的地方。
GFRP桥面板的特点

应该注意的是，耐久性不仅仅是材料 老化，还包括温度 变化影响、湿度变 化影响、GFRP 的蠕变和应力松弛以及 GFRP与混凝土碱性反应等等问题，而 且在实际环境下这些因素是共同作用， 相互影响的。在我国，有GFRP 结构因 耐久性而失效的例子，也有应用20年 以上的工程。
GFRP桥面板的特点
GFRP桥面板的特点

(5)良好的可设计性。与传统结构材料 相比，这是GFRP 材料所独有的。工程 师可以通过使用不同纤维种类、控制 纤维的含量和铺陈不同方向的纤维设 计出各种强度和弹性模量的GFRP 产 品。而且GFRP 产品成型方便，形状可 灵活设计。
GFRP桥面板的特点


(7) GFRP 产品非常适合于在工厂生产、运送 到工地、现场安装的工业化施工过程，有利 于保证工程质量，有利于提高劳动效率，有 利于工程建设的工业化。 (8)GFRP 产品还有一些其它优势，如透电磁 波、绝缘、隔热、热胀系数小等等，这使得 GFRP 结构和GFRP 组合结构在一些特殊场 合能够发挥难以取代的作用。

(12) GFRP 材料的剪切强度、层间拉伸 强度和层间剪切强度仅为其抗拉强度 的5～20%， 而金属的剪切强度约为其 拉伸强度的50%。这使得GFRP 构件的 连接成为突出的问题。GFRP 结构可以 采用铆接、栓接和粘接，但不管那种 连接方式，连接部位都是整个构件的 薄弱环节。
GFRP桥面板的特点

(14) 研究结果表明，GFRP 材料本身的 抗疲劳性能优于传统结构材料。但是 值得 注意的是，初始缺陷和工作环境 对GFRP 材料抗疲劳性能的影响非常显 著。因此需要对实际工 程中的GFRP 结构和GFRP 组合结构整体的抗疲劳性 能还应进行深入研究。
GFRP桥面板的特点

(15) GFRP 材料的耐久性也是很多学者 关心的问题。目前许多GFRP 产品供应 商都通过加速试验来证明自己的产品 寿命在35 年以上，甚至达到70 年。但 是GFRP 材料诞生也不过60多年，应用 于土木工程中也最多30年。
GFRP-钢组合结构桥梁 关键技术研究
1. GFRP桥面板的特点
纤维增强复合材料桥面板

在公路桥梁中，桥面板直接承受轮压荷载 和环境荷载，是受超载、腐蚀、疲劳等不 利因素影响最直接的构件，传统的钢筋混 凝土桥面板和钢桥面板在恶劣的环境下会 很快的锈蚀、开裂、剥离，甚至塌陷，它 们给桥梁工程造成的经济损失是巨大的， 所以人们一直在探索采用新的有效和可靠 的建筑材料来代替传统材料。
EZ Span系统

EZ Span系统是ARC（Atlantic Research Corp.）和佐治亚理工学院（Georgia Institute of Technology）1999年开发的一种 GFRP桥面板。9英寸厚的面板由手糊的上 下两层面板和拉挤成型的三角形构架芯管 胶