《复合材料课程设计》

《复合材料课程设计》说明书—纤维增强复合材料桥梁设计方法的综述

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日期：2014年6月20日

摘要：中国复合材料五十年的发展，在各领域都取得了很大的进步。本文介绍了桥梁设计和建造的未来趋势，以及目前全球纤维增强复合材料应用于桥梁的主要实例及设计方法。

关键词：纤维增强复合材料桥梁设计方法

1. 桥梁设计和建造的未来趋势

1.1 在桥梁建造技术和建造外观两方面有前所未有的发展。

当前世界上的桥梁设计在外观设计方面与许多年前相比有着更大的发展。适合于它周边设施的桥型设计具有相当的重要性及更高的理念，例如孟买地区Thane Creek溪上的弓形琴弦大梁桥提供给乘车者一种视觉上的享受。首先，桥梁的业主让艺术家来决定桥型设计，接着建筑设计师来演绎，最后由工程师完成。“震撼”意念使桥梁构思在概念上既新颖又简单，例如让人们非常荣耀的英国Gateshead千禧年桥。

1.2 安保风险

抵御爆炸和地震的多风险保护正变得日益重要，在诸如地震活力、风险评估技术、预测地震响应方式等领域取得了重要进展。地震不是一种力而是一种变形，新的理念是提供变形足够的容量并允许桥梁移动，而不是试图去抵抗力。设想的方案如采用玻璃纤维/碳纤维包覆柱子、能量吸收装置、耗散能量的结构保险单元。

1.3 增加跨距

技术上，非常大跨距的桥梁可以用当今的材料来建造，跨距正变得更大，例如Jammu & Kashmir(查漠一克什米尔)境内的Chenab(奇纳布)河上一座桥是世界上最大拱距(480m)的桥梁之一。全寿命服务期的考虑为提升跨距提供了设计和建造依据。社会日益愿意为大跨距桥的方便和美观而买单。

斜拉桥正逐渐取代传统上与跨距相关的悬索桥，例如在日本建造了世界上最长的斜拉桥(Tatara跨海大桥-890m跨距)。发展缆绳斜拉技术，关键因素就是提高跨距，这是通过降低股束尺寸，增加诸如缆绳的螺旋等特征来实现的。

减震对长跨距的重要性:解决方案有诸如调幅物质减震器，用在斜拉的法国诺曼底庞特桥上的横交缆绳或“肩带”。绞线设备比预制平行线束体系更有竞争力。1000m跨距的记录被香港昂船洲大桥所打破，中国苏通大桥是1200m的跨距。

1.4 更高的桥

现今可开发出制造直径大至4m，高度大于100m柱子的技术及设备。

大直径立柱的建造:随着钻孔直径的增大，钻孔的稳定性也得到了提高。大直径立柱也更有利于在河床上定位立柱帽，更大更高的立柱可提供更大的净空高度。

1.5 变得更强

为了实现一种建筑的新理念，就需要引人一种新材料。钢可以使大跨距的析架箱梁成为可能;高强度线缆使得悬索桥成为可能;混凝土伴同预应力混凝土一起应用使得大跨距的混凝土桥成为可能。超高性能材料的引人可以大大改变建筑的力学特性，诸如VSL公司的水泥质材料Ductal性能上更近乎于钢。

1.6 预制部件

预浇铸地基、桥基、立柱和上部结构单元可以使桥的建造时间不再以年计，

而是以月计和以周计，例如波多黎各圣胡安桥在21h内拔地而起;美国德克萨斯州达拉斯RayHubbard湖上桥使用了预浇铸的横向架构帽作为所有43个立柱帽，每一个立柱帽的建造时间由8~9天降至1天。预浇铸部件减少了昂贵的现场浇铸工作成本并延长了可建造季节。

1.7 新材料

先进复合材料已经开始广泛应用，例如应用于桥梁的高品质的不锈钢也是一种金属基复合材料。尤其是不同类型纤维增强聚合物复合材料得到了广泛应用，例如FRP板材和FRP条带、纤维增强聚合物复合材料甲板、端锚固的FRP缆索、抗震防护的FRP包覆材料和保护结构的FRP附件。在美国，纤维增强聚合物复合材料桥梁甲板获得了普遍应用。

1.8 提高耐久性

使用电绝缘材料体系对桥梁提供更高级别的保护，可满足人们日益增长的对桥梁提高耐久性的要求。在桥梁甲板设计上进行了一系列改变，例如在传统设计中，一般将混凝土甲板盖在一些支撑结构上，这在现代桥梁设计中已被改变，甲板已经成为结构的一部分并支撑起自己。

2 纤维增强聚合物复合材料的特异性

复合材料的概念很大，合金也算是一种金属基复合材料。这里我们仅仅指纤维增强聚合物复合材料，用英文字母FRP表示，几年前FRP是英文Fiber Reinforc- ed Plastic的缩写，为了这个plastic(塑料)发生了很多争执，容易诱导用户错误地将材料性能与塑料性能结合多一点，所以后来一致推荐为Fiber Reinforced Polymer的缩写。FRP材料的最大特点是轻质高强，密度为1.5~2.2g/cm3范围内，但是这里的高强是相对的、有选择性的与各向异性的。所以必须再次强调在性能上区别复合材料与传统材料的重要性。

复合材料由连续基体相(matrix phase)和分散增强相(disperse phase)及界面层(interface phase)所构成。复合材料各组份(相)的作用为：

连续基体相：①将增强材料粘合成整体并使增强材料的位置固定；②增强材料间传递载荷并使载荷均匀，自身承受一定载荷；③保护增强体免受各种损伤；

④很大程度上决定成型工艺方法及工艺参数选择；⑤决定了部分复合材料的性能。

分散增强相：主要承受绝大部分载荷，具有增强、增韧作用。

功能体：赋予一定功能性，如磁性能、电性能、阻燃性能等。

界面层：复合材料的绝大部分性能很大程度上取决于界面层的状态和性质，材料的破坏与失效机制往往是从界面破坏与失效开始的。复合材料的力学性能，对界面层的状态和性质及界面缺陷都十分敏感，并很大程度上取决于界面层的状态和性质。

3 纤维增强复合材料的原材料、分类、结构与性能

纤维增强复合材料的主要原材料是各种各样的纤维(作为增强相)和各种类型的树脂(作为连续基体相)。目前应用于桥梁的纤维主要有玻璃纤维、碳纤维以及芳纶纤维，近年来超高分子量的聚乙烯纤维的应用也逐渐在被研究和开发。目前应用于桥梁的主要的树脂有不饱和聚酯树脂、乙烯基酯树脂、环氧树脂与酚醛树脂。

纤维增强复合材料的力学性能大部分是由纤维的品种所决定，所以通常以纤维的品种来分类和命名纤维增强聚合物复合材料，如玻璃纤维复合材料(俗称玻璃钢)、碳纤维复合材料、芳纶纤维复合材料等。同一种材质的纤维其化学组成