纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Fiber Reinforced Polymer,FRP)用于橋梁工程，一是用作橋梁的主承力結(jié)構(gòu)或橋跨結(jié)構(gòu)，設(shè)計、建造全FRP橋梁或以FRP為主體結(jié)構(gòu)的橋梁，主要目的是提高橋梁的有效承載能力和極限跨越能力【1-5】；二是用作橋梁的一般結(jié)構(gòu)、構(gòu)件，取代結(jié)構(gòu)性能較差的部分鋼、混凝土結(jié)構(gòu)、構(gòu)件，或與鋼、混凝土結(jié)構(gòu)、構(gòu)件組合構(gòu)成FRP-鋼或FRP-混凝土或FRP-鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)、構(gòu)件，主要目的是從優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)組成和改善橋梁結(jié)構(gòu)性能方面提高橋梁的結(jié)構(gòu)耐久性[6-10]。
高耐久性FRP橋梁結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的研究與實踐，始于上世紀(jì)八十年代【6，9】，它雖然起步較FRP新橋設(shè)計研究晚，且規(guī)模、影響和技術(shù)含量也不如FRP新橋設(shè)計和建造，但因其能較有效地解決橋梁工程實際問題，且有望解決一些世界性的橋梁技術(shù)難題，如像鋼橋面鋪裝的耐久性技術(shù)難題、橋墩防撞結(jié)構(gòu)的“和諧防撞、“長效防撞”等技術(shù)難題，故更受工程歡迎和更易推廣應(yīng)用。筆者從上世紀(jì)八十年未開始進(jìn)行橋梁主體結(jié)構(gòu)的高耐久性FRP防護(hù)結(jié)構(gòu)、構(gòu)件和高耐久性FRP橋面系結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的研究與實踐，經(jīng)初步理論、試驗研究和工程應(yīng)用證明其結(jié)構(gòu)耐久性提高顯著?，F(xiàn)總結(jié)推出這種新結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的適用類型、合理結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計、施工關(guān)鍵技術(shù)，供高耐久性橋梁結(jié)構(gòu)、構(gòu)件設(shè)計參考。
1 工程背景
高耐久性FRP橋梁結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的研究與實踐，主要結(jié)合如下工程進(jìn)行：
1) 重慶市高新區(qū)六店小區(qū)鋼桁箱梁橋高耐久性FRP防護(hù)外殼工程；
2) 重慶李家沱長江大橋、鵝公巖長江大橋、菜園壩長江大橋等橋梁索桿結(jié)構(gòu)高耐久性FRP防護(hù)外殼工程；
3) 重慶菜園壩長江大橋、黃花園嘉陵江大橋橋墩高耐久性防撞結(jié)構(gòu)工程；
4) 西藏拉薩大橋、成都龍泉驛飛龍橋等三座橋梁和重慶東水門長江大橋、千廝門嘉陵江大橋高耐久性FRP橋梁人行道板工程；
5）重慶機(jī)場高速公路金渝立交橋、高新區(qū)市政道路A1線高架橋等10余座橋梁高耐久性FRP橋梁人行道欄桿工程；
6）江陰長江大橋、重慶鵝公巖長江大橋高耐久性FRP—環(huán)氧礫石—瀝青混凝土鋼橋面鋪裝試驗工程。
2 高耐久性FRP橋梁結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的適用類型
FRP種類較多，目前用于橋梁結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的FRP主要有CFRP（碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料）、GFRP（玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料）和AFRP（芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料）三類。三者既有輕質(zhì)高強(qiáng)、完全彈性、防撞抗裂、吸振消能、耐疲勞、耐腐蝕、易成型的共同優(yōu)點，也有層間強(qiáng)度低、斷裂伸長率小、強(qiáng)度的方向性差異大、工程造價高的共同缺點，還有CFRP較GFRP和AFRP彈性模量、斷裂伸長率、材料價格相差較大、GFRP與AFRP結(jié)構(gòu)性能相近但經(jīng)濟(jì)性能前者優(yōu)于后者的個性差異（見表1）【11-12】。
FRP的材料性能特點，決定了FRP用于高耐久性橋梁結(jié)構(gòu)、構(gòu)件須選擇既能發(fā)揮FRP材料性能之長，又能對橋梁的結(jié)構(gòu)耐久性提高幫助最大的適用類型?；诤侠斫Y(jié)構(gòu)形式考慮，高耐久性FRP橋梁結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的適用類型，一是取代鋼、混凝土結(jié)構(gòu)、構(gòu)件使其結(jié)構(gòu)性能明顯改善的全FRP結(jié)構(gòu)、構(gòu)件；二是與鋼、混凝土結(jié)構(gòu)、構(gòu)件組合使其結(jié)構(gòu)組成優(yōu)化且結(jié)構(gòu)性能優(yōu)于單一材料結(jié)構(gòu)的FRP—鋼或FRP－混凝土或FRP—鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)、構(gòu)件?；诩夹g(shù)、經(jīng)濟(jì)可行考慮，高耐久性FRP橋梁結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的適用類型，主要有橋梁主體結(jié)構(gòu)的FRP防護(hù)結(jié)構(gòu)、構(gòu)件和FRP橋面系結(jié)構(gòu)、構(gòu)件兩類。
經(jīng)工程實踐證明技術(shù)、經(jīng)濟(jì)可行的這兩類結(jié)構(gòu)、構(gòu)件，具有如下共同優(yōu)點：
1） 結(jié)構(gòu)耐久性提高的同時，結(jié)構(gòu)安全性、使用舒適性、維修經(jīng)濟(jì)性及外觀美觀性增加；
2） 大部份可采用FRP中價格最低的GFRP制造，工程造價與鋼、混凝土結(jié)構(gòu)、構(gòu)件接近；
3） 結(jié)構(gòu)性能無明顯褪化的老化壽命可達(dá)50年以上，可使這些橋梁結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的使用壽命增加和使
用價值提升。
3 橋梁主體結(jié)構(gòu)的高耐久性FRP防護(hù)結(jié)構(gòu)、構(gòu)件研究與實踐成果
3.1 鋼箱梁橋、鋼桁架橋的FRP防護(hù)外殼研究與實踐成果
采用FRP防護(hù)外殼將鋼桁架橋橋面以下暴露的桁架結(jié)構(gòu)圍護(hù)起來，同時兼作橋梁檢修通道的研究，最早始于英國。1987年，英國Maunseel Structural Plastics公司在Tees Viaduct的一座橋梁上試用成功，其后在英國的許多橋梁上推廣應(yīng)用，并編制了相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范。在此基礎(chǔ)上，英國劍橋大橋于1997年研發(fā)出一種新型空間桁架橋梁結(jié)構(gòu)體系（簡稱為SPACES）。新結(jié)構(gòu)由鋼管桁架外包覆FRP箱形外殼加上鋼或混凝土橋道板組成，適用于跨徑40m以上的梁式橋及大跨徑索支承橋的加勁梁。與傳統(tǒng)的鋼橋如板梁橋、加勁箱梁橋和桁架橋相比，可節(jié)省鋼材約50%，1/2縮尺模型的SPACES梁段結(jié)構(gòu)試驗還證明，F(xiàn)RP箱形防護(hù)外殼不僅可為鋼桁架提供防銹保護(hù)，而且還使SPACES的抗扭剛度比桁架結(jié)構(gòu)增大約50%【13】。
1989年，重慶交通大學(xué)對重慶觀音橋人行立交橋撓曲變形較大的GFRP簡支箱梁進(jìn)行加固設(shè)計時，通過在原GFRP箱梁內(nèi)增設(shè)鋼桁架構(gòu)成鋼桁架—FRP箱梁組合桁箱梁結(jié)構(gòu)，在增大原結(jié)構(gòu)剛度的同時，節(jié)省了新結(jié)構(gòu)的防銹保護(hù)，并使原橋結(jié)構(gòu)外形保持不變。該橋加固使用10年后隨橋下步行街修建對其進(jìn)行撤除時，解剖GFRP箱梁檢查鋼桁架未發(fā)生銹蝕。2006年，重慶交通大學(xué)進(jìn)行重慶高新區(qū)六店小區(qū)人行天橋設(shè)計時，為解決“橋位超深軟基要求上部結(jié)構(gòu)減重”的技術(shù)難題和滿足業(yè)主“使用期至少30年內(nèi)不涂裝養(yǎng)護(hù)”的使用要求，將天橋橋道梁設(shè)計成圖1所示橫截面形式的鋼桁箱梁—FRP箱形防護(hù)外殼組合桁箱梁結(jié)構(gòu)。鋼桁箱梁由3榀5號槽鋼輕型縱向桁架外聯(lián)10mm厚的箱形鋼板構(gòu)成；FRP防護(hù)外殼為在鋼桁箱梁上整體濕法纏繞成型FRP外殼結(jié)構(gòu)層再干法粘接外殼飾面層構(gòu)成。天橋長18.8m，寬3.0m，上部結(jié)構(gòu)梁高0.5m，自重約3.0kN/㎡，僅為設(shè)計荷載（人群荷載4.5kN/㎡）的2/3，F(xiàn)RP箱形外殼自帶色彩和光潔外表，施工為工廠預(yù)制整體運輸?shù)跹b就位，工程造價為26萬元。天橋建成后的外觀效果如圖2所示。
鋼箱梁、鋼桁架橋的FRP防護(hù)外殼的結(jié)構(gòu)機(jī)理，是借助二者材料的分子間吸引力與鋼結(jié)構(gòu)連接牢固而共同工作，并借助材料自身的高強(qiáng)低模、完全彈性不對鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)成附加約束和不先行破壞而使防護(hù)失效，從而能對鋼結(jié)構(gòu)提供長效防護(hù)而提高結(jié)構(gòu)的耐久性。
鋼桁架橋FRP防護(hù)外殼的附加結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)，是提高鋼桁架結(jié)構(gòu)的抗扭剛度和縱橫向穩(wěn)定性，減輕桁架結(jié)構(gòu)的自重和節(jié)點應(yīng)力集中，即在提高結(jié)構(gòu)耐久性的同時，增大結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。
鋼箱梁橋、鋼桁架橋FRP防護(hù)外殼的合理結(jié)構(gòu)形式，是既能與前者連成結(jié)構(gòu)整體又不對前者構(gòu)成附加約束、不僅可提高其結(jié)構(gòu)耐久性而且可提高結(jié)構(gòu)其它力學(xué)性能和美學(xué)效果的FRP箱形外殼的殼體結(jié)構(gòu)形式及其與桁架節(jié)點的“應(yīng)力平緩過渡”連接方式【9】。
鋼箱梁橋、鋼桁架橋FRP防護(hù)外殼的設(shè)計、施工關(guān)鍵技術(shù)，一是基于“剛度分配”和“變形傳遞”的組合結(jié)構(gòu)設(shè)計原理，二是FRP防護(hù)外殼合理厚度的簡化計算方法，三是FRP防護(hù)外殼分次成型外殼結(jié)構(gòu)層和外殼飾面層的施工技術(shù)。
3.2 橋梁索桿結(jié)構(gòu)的FRP防護(hù)外殼研究與實踐成果
斜拉橋拉索、懸索橋吊索和中承式拱橋、系桿拱橋吊桿、吊索等橋梁索桿結(jié)構(gòu)的FRP防護(hù)外殼，是在新橋索桿結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)鋼筋束或高強(qiáng)鋼絲束的外圍工廠擠拉或纏繞成型FRP外殼，或在舊橋索桿結(jié)構(gòu)的PE防護(hù)殼表面現(xiàn)場纏繞成型FRP外殼構(gòu)成的一種結(jié)構(gòu)受力更合理和結(jié)構(gòu)耐久性更優(yōu)秀的新型防護(hù)外殼。
上世紀(jì)九十年代末，重慶交通大學(xué)與重慶市城投公司聯(lián)合，在國內(nèi)率先進(jìn)行橋梁索桿結(jié)構(gòu)FRP防護(hù)外殼的研究與實踐。1998年，設(shè)計建成首座采用FRP—鋼組合吊桿的重慶北碚區(qū)文星灣中承式人行拱橋（見圖3）。該橋的FRP—鋼組合吊桿，為在3根焊接成品字形的 32熱軋粗鋼筋外圍濕法成型縱橫向GF連續(xù)纖維構(gòu)成的復(fù)合吊桿。FRP防護(hù)外殼，兼有承力和防護(hù)雙重功能，保護(hù)吊桿使用至今既未銹蝕破壞也未變形超標(biāo)，還借助其自帶色彩成型的光潔外觀效果，使該橋吊桿使用至今也未進(jìn)行過表面涂裝養(yǎng)護(hù)。此后，又于1999年、2001年、2007年分別完成重慶李家沱長江大橋主橋斜拉橋拉索、重慶鵝公巖長江大橋主橋懸索橋吊索和重慶菜園壩長江大橋主橋系桿拱橋吊索低端部位的FRP增強(qiáng)防護(hù)的設(shè)計和施工。這三座橋的索桿結(jié)構(gòu)的FRP防護(hù)外殼，是在橋梁使用狀態(tài)下直接在索桿結(jié)構(gòu)的PE護(hù)殼表面現(xiàn)場濕法纏繞成型FRP防護(hù)外殼結(jié)構(gòu)層和模具加壓干法粘接成型FRP防護(hù)外殼飾面層構(gòu)成。這不僅提高了索桿結(jié)構(gòu)的密閉防滲和抗撞擊劃割破壞的能力，而且增加了索桿結(jié)構(gòu)的外觀美學(xué)效果（見圖3—圖6）。為檢驗FRP防護(hù)外殼的防護(hù)效果，使用中對鵝公巖大橋吊索和菜園壩大橋吊索的FRP防護(hù)外殼進(jìn)行了解剖檢測，均未發(fā)現(xiàn)索端錨箱內(nèi)積水和錨頭銹蝕現(xiàn)象（見圖7和圖8），證明FRP防護(hù)外殼對橋梁索桿結(jié)構(gòu)的鋼絲、鋼筋防銹保護(hù)和提高索桿結(jié)構(gòu)的耐久性大有幫助。
FRP防護(hù)外殼提高橋梁索桿結(jié)構(gòu)耐久性的結(jié)構(gòu)機(jī)理，一是FRP材料吸振、消能、抗斷裂、耐疲勞的結(jié)構(gòu)性能優(yōu)于高強(qiáng)鋼絲、鋼筋和PE，二是FRP自防腐、易成型并與鋼材連接具有分子間的吸引力，故比PE護(hù)殼更能與鋼絲、鋼筋連接牢固、共同工作和協(xié)調(diào)變形，長期振動狀態(tài)下也不會先自身疲勞、斷裂失效，從而不會產(chǎn)生PE那種高應(yīng)力狀態(tài)和振動疲勞下的界面剝離和表面龜裂破壞，故使索桿結(jié)構(gòu)因增加了FRP防護(hù)外殼的長效防銹保護(hù)而增大了結(jié)構(gòu)耐久性。
FRP防護(hù)外殼對索桿結(jié)構(gòu)的附加結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)，一是FRP防護(hù)外殼中的縱向連續(xù)纖維能分擔(dān)高強(qiáng)鋼絲束或鋼筋束的受力，二是FRP防護(hù)外殼中的橫向纏繞纖維能約束鋼絲或鋼筋束的徑向位移而增大其結(jié)構(gòu)整體性，從而增大索桿結(jié)構(gòu)的安全儲備，這也從結(jié)構(gòu)安全性方面提高了索桿結(jié)構(gòu)的耐久性。
橋梁索桿結(jié)構(gòu)FRP防護(hù)外殼的合理結(jié)構(gòu)形式，為外殼結(jié)構(gòu)層與外殼飾面層組合構(gòu)成的組合殼體結(jié)構(gòu)。外殼結(jié)構(gòu)層，保證FRP防護(hù)外殼不先于索桿結(jié)構(gòu)破壞而使防護(hù)失效；外殼飾面層，為FRP防護(hù)外殼提供光潔亮麗色彩且保色性好的外觀效果。二者之間及其與索桿結(jié)構(gòu)既連接牢固，又不會對索桿結(jié)構(gòu)構(gòu)成附加位移約束。
橋梁索桿結(jié)構(gòu)FRP防護(hù)外殼的設(shè)計、施工關(guān)鍵技術(shù)，一是FRP外殼基于索、殼結(jié)構(gòu)分析理論的設(shè)計原理；二是FRP外殼合理厚度的簡化計算方法；三是FRP外殼結(jié)構(gòu)層和飾面層既能連成結(jié)構(gòu)整體又具有長久光潔外觀效果的施工技術(shù)。
3.3 橋墩FRP防撞結(jié)構(gòu)研究與實踐成果
自定位、弱接觸、高消能的FRP橋墩防撞浮箱，是重慶交通大學(xué)于2008年研發(fā)出的一種結(jié)構(gòu)形式、連接方式和消能模式全新的橋墩防撞結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，在2010年3月重慶菜園壩長江大橋和黃花園嘉陵江大橋橋墩防撞工程的全國性設(shè)計競標(biāo)中勝出，現(xiàn)正據(jù)此進(jìn)行黃花園大橋橋墩防撞工程的施工圖設(shè)計。
橋墩FRP防撞浮箱結(jié)構(gòu)的合理結(jié)構(gòu)形式，為圍護(hù)在橋墩周圍的FRP外圍箱體結(jié)構(gòu)與附著于外圍箱體結(jié)構(gòu)內(nèi)表面上的一排FRP內(nèi)襯八邊形柱殼薄壁構(gòu)件組合構(gòu)成的FRP組合式防撞結(jié)構(gòu)【13】。其中，F(xiàn)RP外圍箱體結(jié)構(gòu)，為浮箱的抗撞消能主體結(jié)構(gòu)和浮力平衡結(jié)構(gòu)；FRP內(nèi)襯柱殼構(gòu)件，為浮箱與橋墩的弱接觸連接支承結(jié)構(gòu)和撞擊緩沖結(jié)構(gòu)（見圖9）
FRP防撞浮箱結(jié)構(gòu)與橋墩的連接方式，“平時”通過浮箱外圍箱體結(jié)構(gòu)頂艙內(nèi)斜面上的自平衡定位滾筒與橋墩表面時刻貼緊并可沿橋墩表面上下滾動的接觸方式及內(nèi)襯柱殼構(gòu)件與橋墩不接觸或雖接觸但不壓實的連接方式，實現(xiàn)浮箱“只傳遞滾筒自重而不傳遞其它荷載給橋墩”的弱接觸連接和“既能隨水位變化上下浮動又能保持與橋墩的相對平面位置不變”的自定位連接。“撞時”在保持自平衡定位滾筒與橋墩的弱接觸連接方式繼續(xù)有效的基礎(chǔ)上，增加內(nèi)襯柱殼構(gòu)件對橋墩進(jìn)行撞擊緩沖和作用面積擴(kuò)散的又一弱接觸支承連接，使橋墩直接承受的船撞作用經(jīng)外圍箱體結(jié)構(gòu)消能后再經(jīng)內(nèi)襯構(gòu)件的弱化傳力得以進(jìn)一步降低。
橋墩FRP防撞浮箱結(jié)構(gòu)的消能模式，一是通過浮箱外圍箱體結(jié)構(gòu)中艙內(nèi)相互密貼的FRP八邊形和四邊形柱殼薄壁構(gòu)件的特殊結(jié)構(gòu)構(gòu)造（見圖10）及其“撞時相互擠壓、相互運動”的特殊結(jié)構(gòu)行為產(chǎn)生變形消能和摩擦消能；二是通過浮箱內(nèi)襯柱殼構(gòu)件與橋墩的撞擊緩沖，產(chǎn)生變形消能和潰散消能；三是通過浮箱外圍箱體結(jié)構(gòu)底艙和內(nèi)襯柱殼構(gòu)件下段內(nèi)充滿的水流，產(chǎn)生阻止浮箱向橋墩運動的水阻消能，共同消耗船舶撞擊動能的70%以上，并使經(jīng)浮箱柔性抗撞和彈性反推反作用與船舶的撞擊力小于船舶的破壞荷載，保護(hù)船舶不被撞壞或減小船舶及船上人員的撞擊傷害，還使浮箱借助其高強(qiáng)度、低剛度、完全彈性的材料、結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，減小其自身撞擊損傷，保證浮箱在船撞全程都不退出工作，從而獲得“既不傷墩、又少傷船、還少結(jié)構(gòu)自傷”的最優(yōu)防撞保護(hù)效果，達(dá)到“船橋和諧防撞”、“浮箱長效防撞”的橋墩防撞設(shè)計的最高境界。
橋墩FRP防撞浮箱結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工的關(guān)鍵技術(shù)，一是反映浮箱外圍箱結(jié)構(gòu)內(nèi)多邊形柱殼構(gòu)件擠壓變形、運動摩擦、潰散破壞及浮箱－水流耦合作用的結(jié)構(gòu)分析理論和可靠計算方法，二是浮箱結(jié)構(gòu)既強(qiáng)又柔、“平時”與橋墩既不脫離、又不壓實、“撞時”既不傷墩、又少傷船、還少結(jié)構(gòu)自傷的結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計，三是浮箱立面分頂、中、底艙和平面分前、中、后箱工廠預(yù)制、現(xiàn)場組裝且便于后期拆裝維修的施工技術(shù)。
4 高耐久性FRP橋面系結(jié)構(gòu)、構(gòu)件研究與實踐成果
4.1 FRP橋梁人行道板研究與實踐成果
橋梁人行道板，雖不是橋梁的主承力結(jié)構(gòu)和重要結(jié)構(gòu)，但因其通過技術(shù)改造和技術(shù)創(chuàng)新能為橋梁提供“結(jié)構(gòu)減重”和“耐久性提高”的明顯效果，故成為橋梁工程師和研究人員日益關(guān)注的研究課題【14，15】重慶交通大學(xué)本世紀(jì)初研發(fā)出一種全新結(jié)構(gòu)形式的FRP橋梁人行道板，先后投入西藏拉薩大橋和成都龍泉區(qū)飛龍橋等3座橋梁應(yīng)用（圖11，圖12），帶來了人行道板結(jié)構(gòu)自重減輕、結(jié)構(gòu)承載力、結(jié)構(gòu)耐久性、行走舒適性、外觀美觀性提高和后期維修養(yǎng)護(hù)減少的全新效果【16】。
FRP橋梁人行道板的合理結(jié)構(gòu)形式，是FRP空心板上覆環(huán)氧礫石鋪裝層的FRP－環(huán)氧礫石組合式空心板結(jié)構(gòu)。FRP空心板，為人行道板的主承力結(jié)構(gòu)和跨越結(jié)構(gòu)；環(huán)氧礫石鋪裝層，為人行道板的頂面抗壓增強(qiáng)結(jié)構(gòu)和抗滑耐磨功能結(jié)構(gòu)。FRP空心板與環(huán)氧礫石鋪裝層的界面連接，為后者基體樹脂滲透進(jìn)前者結(jié)構(gòu)層內(nèi)的嵌入式粘接連接，界面連接剪切強(qiáng)度可達(dá)到20MPa以上。
FRP橋梁人行道板的結(jié)構(gòu)特點，一是結(jié)構(gòu)自重比混凝土人行道板輕70%左右；二是結(jié)構(gòu)設(shè)計由剛度條件控制，剛度條件滿足下強(qiáng)度富余較多；三是結(jié)構(gòu)無塑性變形，短期超載后卸載無殘余變形（結(jié)構(gòu)試驗證明：超載1.1倍后1小時內(nèi)卸載，變形完全恢復(fù)；超載42%且穩(wěn)載180天后卸載，殘余變形72小時內(nèi)未能恢復(fù)）【16】。
FRP橋梁人行道板設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)，一是人行道板結(jié)構(gòu)合理結(jié)構(gòu)形式下空心板與鋪裝層的最優(yōu)材料組成及最佳厚度比例，二是基于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)“等代設(shè)計”理論且經(jīng)有限元計算和試驗驗證的簡化計算方法，三是推出便于工程應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件形式及其設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)圖（見圖13和表2）。
FRP橋梁人行道板施工的關(guān)鍵技術(shù)，一是先工廠機(jī)械化擠拉成型單元板再拆分或組合構(gòu)成大、小板形式的標(biāo)準(zhǔn)板的FRP空心板預(yù)制施工技術(shù)，二是與FRP空心板的標(biāo)準(zhǔn)板同時工廠分塊攤鋪預(yù)制成型或先現(xiàn)場安裝好FRP空心板再在其上整體攤鋪成型環(huán)氧礫石鋪裝層的施工技術(shù)，三是FRP人行道板與鋼或混凝土路緣、邊縱梁的界面連接及人行道板整體結(jié)構(gòu)或大、小標(biāo)準(zhǔn)板間溫變伸縮構(gòu)造施工技術(shù)。
4.2 FRP橋梁人行道欄桿研究與實踐成果
為改變鋼、鐵、混凝土橋梁人行道欄桿自重大、耐久性差、后期維修養(yǎng)護(hù)多的技術(shù)現(xiàn)狀和提升欄桿的技術(shù)經(jīng)濟(jì)含量，重慶交通大學(xué)于本世紀(jì)初研發(fā)出結(jié)構(gòu)、功能效果優(yōu)于這些欄桿的FRP橋梁人行道欄桿，經(jīng)10余座橋梁應(yīng)用檢驗證明，新欄桿不僅易達(dá)到上述目標(biāo)，而且耐久性提高效果顯著。
FRP橋梁人行道欄桿的合理結(jié)構(gòu)形式，是采用自重輕、剛度大的空心薄壁構(gòu)件形式的立柱、橫欄、小柱三種標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件組裝構(gòu)成適用于各種橋面縱坡的組合式欄桿結(jié)構(gòu)。其中，欄桿橫欄與立柱通過膠粘連接構(gòu)成節(jié)點固結(jié)的欄桿排架，欄桿排架通過插入欄桿立柱套孔并特殊膠粘連接實現(xiàn)橫向限位縱向滑動的整體欄桿結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，推出了便于工程應(yīng)用的柵欄型板條式欄桿（見圖14）和柵欄型寶瓶式欄桿（見圖15）標(biāo)準(zhǔn)欄桿形式。前者具有剛勁、穩(wěn)重氣勢，適用于大跨、特大跨橋梁；后者具有輕巧、典雅氣質(zhì)，適用于中、小跨徑橋梁和人行橋梁。
FRP橋梁人行道欄桿的結(jié)構(gòu)特點，一是欄桿自重比鋼、鐵欄桿減重50%左右，比混凝土欄桿減重80%左右，二是欄桿的溫變伸縮通過欄桿排架與立柱間的滑動連接構(gòu)造自由實現(xiàn)且不露痕跡，三是欄桿結(jié)構(gòu)自帶色彩成型并具有光潔亮麗外表，使用期內(nèi)（至少30年內(nèi)）不須涂裝養(yǎng)護(hù)。
FRP橋梁人行道欄桿設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)，一是保證欄桿設(shè)計基準(zhǔn)期50年內(nèi)既抗結(jié)構(gòu)破壞又省后期維修養(yǎng)護(hù)的合理結(jié)構(gòu)形式與最優(yōu)材料組成設(shè)計技術(shù)，二是為欄桿結(jié)構(gòu)設(shè)計提供經(jīng)結(jié)構(gòu)試驗驗證的有限元計算方法。
FRP橋梁人行道欄桿施工的關(guān)鍵技術(shù)，一是欄桿立柱、橫欄、小柱標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件模具成型和欄桿排架工裝成型的工廠預(yù)制施工技術(shù)，二是欄桿排架節(jié)點固結(jié)和排架與立柱套孔滑動連接的內(nèi)部連接施工技術(shù)，三是欄桿立柱與鋼或混凝土邊縱梁膠粘連接和機(jī)械連接（焊接連接或螺栓連接）相結(jié)合的外部連接施工技術(shù)。
4.3 FRP—環(huán)氧礫石—瀝青混凝土鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)研究與實踐成果
為解決瀝青混凝土鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)“瀝青混凝土與鋼橋面板材料性能懸殊導(dǎo)致二者界面剪應(yīng)力較大”、“鋼橋面板的防水層及其與瀝青混凝土的粘接層容易破壞”、“鋪裝結(jié)構(gòu)耐久性較差”的三大世界性技術(shù)難題，重慶交通大學(xué)與重慶市城投公司聯(lián)合，研發(fā)出FRP－環(huán)氧礫石－瀝青混凝土鋼橋面鋪裝新結(jié)構(gòu)。經(jīng)初步理論分析和結(jié)構(gòu)模擬試驗研究證明，新鋪裝結(jié)構(gòu)比常規(guī)瀝青混凝土鋪裝結(jié)構(gòu)具有“結(jié)構(gòu)形式更合理”和“結(jié)構(gòu)功能更完美”的質(zhì)的進(jìn)步【17】。
FRP－環(huán)氧礫石－瀝青混凝土鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的合理結(jié)構(gòu)形式，為FRP層合板或空心板式鋪裝下層、環(huán)氧礫石實心板式鋪裝中層和瀝青混凝土實心板式鋪裝上層復(fù)合構(gòu)成的異質(zhì)三層結(jié)構(gòu)形式的鋪裝結(jié)構(gòu)（見圖16）。FRP鋪裝下層與鋼橋面板的界面連接，為FRP材料的基體樹脂ER與鋼板材料具有分子間的吸引力和FRP材料的增強(qiáng)纖維GF、CF對界面層具有結(jié)構(gòu)增強(qiáng)作用的粘接連接；FRP鋪裝下層與環(huán)氧礫石鋪裝中層的界面連接，為二者基體樹脂材料相同的自粘連接和二者連接界面的糙面粘接連接；環(huán)氧礫石鋪裝中層與瀝青混凝土鋪裝上層的界面連接，為瀝青混凝土鋪裝上層的瀝青混合料嵌入環(huán)氧礫石鋪裝中層的外露礫石間空隙并握裹礫石構(gòu)成的咬合式界面連接。
FRP－環(huán)氧礫石－瀝青混凝土鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點，是在材料性能懸殊、界面連接較弱的鋼橋面板和瀝青混凝土層之間，加入既可實現(xiàn)二者材料剛度過渡、又可界面連接增強(qiáng)的FRP層和環(huán)氧礫石層，使鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的強(qiáng)者鋼橋面板因與FRP層連為結(jié)構(gòu)整體而增大了剛度和結(jié)構(gòu)安全儲備，并使鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的弱者瀝青混凝土層因與環(huán)氧礫石層的界面連接增強(qiáng)而增大了界面剪切強(qiáng)度和整體結(jié)構(gòu)效果，表明新鋪裝結(jié)構(gòu)比常規(guī)鋪裝結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式和材料配伍更合理。并且，F(xiàn)RP鋪裝下層兼有鋼橋面板防水層的長效防水功能，環(huán)氧礫石鋪裝中層兼有施工高溫緩沖層的高溫?fù)p傷保護(hù)功能，可使鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)借助其更完美的結(jié)構(gòu)功能而大幅提高其結(jié)構(gòu)耐久性。材料試驗證明，F(xiàn)RP鋪裝層與鋼橋面板的界面剪切強(qiáng)度均大于20Mpa，模擬江陰長江大橋鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的橫橋向彎曲試驗（見圖17和圖18）證明，12mm鋼橋面板＋25mmFRP空心板鋪裝下層＋5mm環(huán)氧礫石鋪裝中層＋27mm澆筑式瀝青混凝土鋪裝上層結(jié)構(gòu)形式的新鋪裝結(jié)構(gòu)與12mm鋼橋面板＋57mm澆筑式瀝青混凝土鋪裝層結(jié)構(gòu)形式的常規(guī)鋪裝結(jié)構(gòu)相比，可減輕鋪裝結(jié)構(gòu)自重0.35kN/㎡，增大鋼板的橫橋向抗彎剛度約1倍，減小鋼板的橫橋向正應(yīng)力約15%，減小瀝青混凝土層界面的橫橋向剪應(yīng)力約30%【17】
FRP－環(huán)氧礫石－瀝青混凝土鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)，一是新鋪裝結(jié)構(gòu)各層厚度最佳比例及其材料配伍設(shè)計，二是新鋪裝結(jié)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)計算分析原理及簡化計算方法。
FRP－環(huán)氧礫石－瀝青混凝土鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)施工的關(guān)鍵技術(shù)，一是FRP鋪裝下層，尤其是FRP空心板式鋪裝下層與鋼橋面板密貼粘接、牢固連接和施工高溫?fù)p傷預(yù)防技術(shù)，二是環(huán)氧礫石鋪裝中層的礫石底部嵌入FRP鋪裝下層中、頂部外露且留有間隙便于瀝青混合料握裹與咬合的機(jī)械化施工技術(shù)。
5 結(jié)論
1）高耐久性FRP橋梁結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的適用類型，一是取代鋼、混凝土結(jié)構(gòu)、構(gòu)件使其結(jié)構(gòu)性能明顯改善的全FRP結(jié)構(gòu)、構(gòu)件，二是與鋼、混凝土結(jié)構(gòu)、構(gòu)件組合使其結(jié)構(gòu)組成優(yōu)化且結(jié)構(gòu)性性能優(yōu)于單一材料結(jié)構(gòu)的FRP－鋼或FRP－混凝土或FRP－鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)、構(gòu)件，其工程應(yīng)用有效的適用類型，主要有橋梁主體結(jié)構(gòu)的FRP防護(hù)結(jié)構(gòu)、構(gòu)件和FRP橋面系結(jié)構(gòu)、構(gòu)件兩類。
2）橋梁主體結(jié)構(gòu)的高耐久性FRP防護(hù)結(jié)構(gòu)、構(gòu)件，主要有鋼箱梁橋和鋼桁架橋的FRP防護(hù)外殼、橋梁索桿結(jié)構(gòu)的FRP防護(hù)外殼、橋墩FRP防撞浮箱結(jié)構(gòu)三類；高耐久性FRP橋面系結(jié)構(gòu)、構(gòu)件，主要有FRP橋梁人行道板、FRP橋梁人行道欄桿和FRP－環(huán)氧礫石－瀝青混凝土鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)三類。它們的共同結(jié)構(gòu)特點，一是幾乎不增加主體結(jié)構(gòu)自重或能減輕原橋結(jié)構(gòu)自重，二是結(jié)構(gòu)耐久性提高的同時，結(jié)構(gòu)安全性、使用舒適性、維修經(jīng)濟(jì)性和外觀美觀性增加。
3）高耐久性FRP橋梁結(jié)構(gòu)、構(gòu)件，與FRP橋梁主承力結(jié)構(gòu)和橋跨結(jié)構(gòu)設(shè)計研究同樣重要，隨著研究與實踐的深入，將共同推動橋梁向“大跨徑”和“工業(yè)化施工”方向發(fā)展作出其應(yīng)有的貢獻(xiàn)。
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高耐久性FRP橋梁結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的研究與實踐，始于上世紀(jì)八十年代【6，9】，它雖然起步較FRP新橋設(shè)計研究晚，且規(guī)模、影響和技術(shù)含量也不如FRP新橋設(shè)計和建造，但因其能較有效地解決橋梁工程實際問題，且有望解決一些世界性的橋梁技術(shù)難題，如像鋼橋面鋪裝的耐久性技術(shù)難題、橋墩防撞結(jié)構(gòu)的“和諧防撞、“長效防撞”等技術(shù)難題，故更受工程歡迎和更易推廣應(yīng)用。筆者從上世紀(jì)八十年未開始進(jìn)行橋梁主體結(jié)構(gòu)的高耐久性FRP防護(hù)結(jié)構(gòu)、構(gòu)件和高耐久性FRP橋面系結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的研究與實踐，經(jīng)初步理論、試驗研究和工程應(yīng)用證明其結(jié)構(gòu)耐久性提高顯著?，F(xiàn)總結(jié)推出這種新結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的適用類型、合理結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計、施工關(guān)鍵技術(shù)，供高耐久性橋梁結(jié)構(gòu)、構(gòu)件設(shè)計參考。
1 工程背景
高耐久性FRP橋梁結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的研究與實踐，主要結(jié)合如下工程進(jìn)行：
1) 重慶市高新區(qū)六店小區(qū)鋼桁箱梁橋高耐久性FRP防護(hù)外殼工程；
2) 重慶李家沱長江大橋、鵝公巖長江大橋、菜園壩長江大橋等橋梁索桿結(jié)構(gòu)高耐久性FRP防護(hù)外殼工程；
3) 重慶菜園壩長江大橋、黃花園嘉陵江大橋橋墩高耐久性防撞結(jié)構(gòu)工程；
4) 西藏拉薩大橋、成都龍泉驛飛龍橋等三座橋梁和重慶東水門長江大橋、千廝門嘉陵江大橋高耐久性FRP橋梁人行道板工程；
5）重慶機(jī)場高速公路金渝立交橋、高新區(qū)市政道路A1線高架橋等10余座橋梁高耐久性FRP橋梁人行道欄桿工程；
6）江陰長江大橋、重慶鵝公巖長江大橋高耐久性FRP—環(huán)氧礫石—瀝青混凝土鋼橋面鋪裝試驗工程。
2 高耐久性FRP橋梁結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的適用類型
FRP種類較多，目前用于橋梁結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的FRP主要有CFRP（碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料）、GFRP（玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料）和AFRP（芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料）三類。三者既有輕質(zhì)高強(qiáng)、完全彈性、防撞抗裂、吸振消能、耐疲勞、耐腐蝕、易成型的共同優(yōu)點，也有層間強(qiáng)度低、斷裂伸長率小、強(qiáng)度的方向性差異大、工程造價高的共同缺點，還有CFRP較GFRP和AFRP彈性模量、斷裂伸長率、材料價格相差較大、GFRP與AFRP結(jié)構(gòu)性能相近但經(jīng)濟(jì)性能前者優(yōu)于后者的個性差異（見表1）【11-12】。
FRP的材料性能特點，決定了FRP用于高耐久性橋梁結(jié)構(gòu)、構(gòu)件須選擇既能發(fā)揮FRP材料性能之長，又能對橋梁的結(jié)構(gòu)耐久性提高幫助最大的適用類型?；诤侠斫Y(jié)構(gòu)形式考慮，高耐久性FRP橋梁結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的適用類型，一是取代鋼、混凝土結(jié)構(gòu)、構(gòu)件使其結(jié)構(gòu)性能明顯改善的全FRP結(jié)構(gòu)、構(gòu)件；二是與鋼、混凝土結(jié)構(gòu)、構(gòu)件組合使其結(jié)構(gòu)組成優(yōu)化且結(jié)構(gòu)性能優(yōu)于單一材料結(jié)構(gòu)的FRP—鋼或FRP－混凝土或FRP—鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)、構(gòu)件?；诩夹g(shù)、經(jīng)濟(jì)可行考慮，高耐久性FRP橋梁結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的適用類型，主要有橋梁主體結(jié)構(gòu)的FRP防護(hù)結(jié)構(gòu)、構(gòu)件和FRP橋面系結(jié)構(gòu)、構(gòu)件兩類。
經(jīng)工程實踐證明技術(shù)、經(jīng)濟(jì)可行的這兩類結(jié)構(gòu)、構(gòu)件，具有如下共同優(yōu)點：
1） 結(jié)構(gòu)耐久性提高的同時，結(jié)構(gòu)安全性、使用舒適性、維修經(jīng)濟(jì)性及外觀美觀性增加；
2） 大部份可采用FRP中價格最低的GFRP制造，工程造價與鋼、混凝土結(jié)構(gòu)、構(gòu)件接近；
3） 結(jié)構(gòu)性能無明顯褪化的老化壽命可達(dá)50年以上，可使這些橋梁結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的使用壽命增加和使
用價值提升。
3 橋梁主體結(jié)構(gòu)的高耐久性FRP防護(hù)結(jié)構(gòu)、構(gòu)件研究與實踐成果
3.1 鋼箱梁橋、鋼桁架橋的FRP防護(hù)外殼研究與實踐成果
采用FRP防護(hù)外殼將鋼桁架橋橋面以下暴露的桁架結(jié)構(gòu)圍護(hù)起來，同時兼作橋梁檢修通道的研究，最早始于英國。1987年，英國Maunseel Structural Plastics公司在Tees Viaduct的一座橋梁上試用成功，其后在英國的許多橋梁上推廣應(yīng)用，并編制了相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范。在此基礎(chǔ)上，英國劍橋大橋于1997年研發(fā)出一種新型空間桁架橋梁結(jié)構(gòu)體系（簡稱為SPACES）。新結(jié)構(gòu)由鋼管桁架外包覆FRP箱形外殼加上鋼或混凝土橋道板組成，適用于跨徑40m以上的梁式橋及大跨徑索支承橋的加勁梁。與傳統(tǒng)的鋼橋如板梁橋、加勁箱梁橋和桁架橋相比，可節(jié)省鋼材約50%，1/2縮尺模型的SPACES梁段結(jié)構(gòu)試驗還證明，F(xiàn)RP箱形防護(hù)外殼不僅可為鋼桁架提供防銹保護(hù)，而且還使SPACES的抗扭剛度比桁架結(jié)構(gòu)增大約50%【13】。
1989年，重慶交通大學(xué)對重慶觀音橋人行立交橋撓曲變形較大的GFRP簡支箱梁進(jìn)行加固設(shè)計時，通過在原GFRP箱梁內(nèi)增設(shè)鋼桁架構(gòu)成鋼桁架—FRP箱梁組合桁箱梁結(jié)構(gòu)，在增大原結(jié)構(gòu)剛度的同時，節(jié)省了新結(jié)構(gòu)的防銹保護(hù)，并使原橋結(jié)構(gòu)外形保持不變。該橋加固使用10年后隨橋下步行街修建對其進(jìn)行撤除時，解剖GFRP箱梁檢查鋼桁架未發(fā)生銹蝕。2006年，重慶交通大學(xué)進(jìn)行重慶高新區(qū)六店小區(qū)人行天橋設(shè)計時，為解決“橋位超深軟基要求上部結(jié)構(gòu)減重”的技術(shù)難題和滿足業(yè)主“使用期至少30年內(nèi)不涂裝養(yǎng)護(hù)”的使用要求，將天橋橋道梁設(shè)計成圖1所示橫截面形式的鋼桁箱梁—FRP箱形防護(hù)外殼組合桁箱梁結(jié)構(gòu)。鋼桁箱梁由3榀5號槽鋼輕型縱向桁架外聯(lián)10mm厚的箱形鋼板構(gòu)成；FRP防護(hù)外殼為在鋼桁箱梁上整體濕法纏繞成型FRP外殼結(jié)構(gòu)層再干法粘接外殼飾面層構(gòu)成。天橋長18.8m，寬3.0m，上部結(jié)構(gòu)梁高0.5m，自重約3.0kN/㎡，僅為設(shè)計荷載（人群荷載4.5kN/㎡）的2/3，F(xiàn)RP箱形外殼自帶色彩和光潔外表，施工為工廠預(yù)制整體運輸?shù)跹b就位，工程造價為26萬元。天橋建成后的外觀效果如圖2所示。
鋼箱梁、鋼桁架橋的FRP防護(hù)外殼的結(jié)構(gòu)機(jī)理，是借助二者材料的分子間吸引力與鋼結(jié)構(gòu)連接牢固而共同工作，并借助材料自身的高強(qiáng)低模、完全彈性不對鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)成附加約束和不先行破壞而使防護(hù)失效，從而能對鋼結(jié)構(gòu)提供長效防護(hù)而提高結(jié)構(gòu)的耐久性。
鋼桁架橋FRP防護(hù)外殼的附加結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)，是提高鋼桁架結(jié)構(gòu)的抗扭剛度和縱橫向穩(wěn)定性，減輕桁架結(jié)構(gòu)的自重和節(jié)點應(yīng)力集中，即在提高結(jié)構(gòu)耐久性的同時，增大結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。
鋼箱梁橋、鋼桁架橋FRP防護(hù)外殼的合理結(jié)構(gòu)形式，是既能與前者連成結(jié)構(gòu)整體又不對前者構(gòu)成附加約束、不僅可提高其結(jié)構(gòu)耐久性而且可提高結(jié)構(gòu)其它力學(xué)性能和美學(xué)效果的FRP箱形外殼的殼體結(jié)構(gòu)形式及其與桁架節(jié)點的“應(yīng)力平緩過渡”連接方式【9】。
鋼箱梁橋、鋼桁架橋FRP防護(hù)外殼的設(shè)計、施工關(guān)鍵技術(shù)，一是基于“剛度分配”和“變形傳遞”的組合結(jié)構(gòu)設(shè)計原理，二是FRP防護(hù)外殼合理厚度的簡化計算方法，三是FRP防護(hù)外殼分次成型外殼結(jié)構(gòu)層和外殼飾面層的施工技術(shù)。
3.2 橋梁索桿結(jié)構(gòu)的FRP防護(hù)外殼研究與實踐成果
斜拉橋拉索、懸索橋吊索和中承式拱橋、系桿拱橋吊桿、吊索等橋梁索桿結(jié)構(gòu)的FRP防護(hù)外殼，是在新橋索桿結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)鋼筋束或高強(qiáng)鋼絲束的外圍工廠擠拉或纏繞成型FRP外殼，或在舊橋索桿結(jié)構(gòu)的PE防護(hù)殼表面現(xiàn)場纏繞成型FRP外殼構(gòu)成的一種結(jié)構(gòu)受力更合理和結(jié)構(gòu)耐久性更優(yōu)秀的新型防護(hù)外殼。
上世紀(jì)九十年代末，重慶交通大學(xué)與重慶市城投公司聯(lián)合，在國內(nèi)率先進(jìn)行橋梁索桿結(jié)構(gòu)FRP防護(hù)外殼的研究與實踐。1998年，設(shè)計建成首座采用FRP—鋼組合吊桿的重慶北碚區(qū)文星灣中承式人行拱橋（見圖3）。該橋的FRP—鋼組合吊桿，為在3根焊接成品字形的 32熱軋粗鋼筋外圍濕法成型縱橫向GF連續(xù)纖維構(gòu)成的復(fù)合吊桿。FRP防護(hù)外殼，兼有承力和防護(hù)雙重功能，保護(hù)吊桿使用至今既未銹蝕破壞也未變形超標(biāo)，還借助其自帶色彩成型的光潔外觀效果，使該橋吊桿使用至今也未進(jìn)行過表面涂裝養(yǎng)護(hù)。此后，又于1999年、2001年、2007年分別完成重慶李家沱長江大橋主橋斜拉橋拉索、重慶鵝公巖長江大橋主橋懸索橋吊索和重慶菜園壩長江大橋主橋系桿拱橋吊索低端部位的FRP增強(qiáng)防護(hù)的設(shè)計和施工。這三座橋的索桿結(jié)構(gòu)的FRP防護(hù)外殼，是在橋梁使用狀態(tài)下直接在索桿結(jié)構(gòu)的PE護(hù)殼表面現(xiàn)場濕法纏繞成型FRP防護(hù)外殼結(jié)構(gòu)層和模具加壓干法粘接成型FRP防護(hù)外殼飾面層構(gòu)成。這不僅提高了索桿結(jié)構(gòu)的密閉防滲和抗撞擊劃割破壞的能力，而且增加了索桿結(jié)構(gòu)的外觀美學(xué)效果（見圖3—圖6）。為檢驗FRP防護(hù)外殼的防護(hù)效果，使用中對鵝公巖大橋吊索和菜園壩大橋吊索的FRP防護(hù)外殼進(jìn)行了解剖檢測，均未發(fā)現(xiàn)索端錨箱內(nèi)積水和錨頭銹蝕現(xiàn)象（見圖7和圖8），證明FRP防護(hù)外殼對橋梁索桿結(jié)構(gòu)的鋼絲、鋼筋防銹保護(hù)和提高索桿結(jié)構(gòu)的耐久性大有幫助。
FRP防護(hù)外殼提高橋梁索桿結(jié)構(gòu)耐久性的結(jié)構(gòu)機(jī)理，一是FRP材料吸振、消能、抗斷裂、耐疲勞的結(jié)構(gòu)性能優(yōu)于高強(qiáng)鋼絲、鋼筋和PE，二是FRP自防腐、易成型并與鋼材連接具有分子間的吸引力，故比PE護(hù)殼更能與鋼絲、鋼筋連接牢固、共同工作和協(xié)調(diào)變形，長期振動狀態(tài)下也不會先自身疲勞、斷裂失效，從而不會產(chǎn)生PE那種高應(yīng)力狀態(tài)和振動疲勞下的界面剝離和表面龜裂破壞，故使索桿結(jié)構(gòu)因增加了FRP防護(hù)外殼的長效防銹保護(hù)而增大了結(jié)構(gòu)耐久性。
FRP防護(hù)外殼對索桿結(jié)構(gòu)的附加結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)，一是FRP防護(hù)外殼中的縱向連續(xù)纖維能分擔(dān)高強(qiáng)鋼絲束或鋼筋束的受力，二是FRP防護(hù)外殼中的橫向纏繞纖維能約束鋼絲或鋼筋束的徑向位移而增大其結(jié)構(gòu)整體性，從而增大索桿結(jié)構(gòu)的安全儲備，這也從結(jié)構(gòu)安全性方面提高了索桿結(jié)構(gòu)的耐久性。
橋梁索桿結(jié)構(gòu)FRP防護(hù)外殼的合理結(jié)構(gòu)形式，為外殼結(jié)構(gòu)層與外殼飾面層組合構(gòu)成的組合殼體結(jié)構(gòu)。外殼結(jié)構(gòu)層，保證FRP防護(hù)外殼不先于索桿結(jié)構(gòu)破壞而使防護(hù)失效；外殼飾面層，為FRP防護(hù)外殼提供光潔亮麗色彩且保色性好的外觀效果。二者之間及其與索桿結(jié)構(gòu)既連接牢固，又不會對索桿結(jié)構(gòu)構(gòu)成附加位移約束。
橋梁索桿結(jié)構(gòu)FRP防護(hù)外殼的設(shè)計、施工關(guān)鍵技術(shù)，一是FRP外殼基于索、殼結(jié)構(gòu)分析理論的設(shè)計原理；二是FRP外殼合理厚度的簡化計算方法；三是FRP外殼結(jié)構(gòu)層和飾面層既能連成結(jié)構(gòu)整體又具有長久光潔外觀效果的施工技術(shù)。
3.3 橋墩FRP防撞結(jié)構(gòu)研究與實踐成果
自定位、弱接觸、高消能的FRP橋墩防撞浮箱，是重慶交通大學(xué)于2008年研發(fā)出的一種結(jié)構(gòu)形式、連接方式和消能模式全新的橋墩防撞結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，在2010年3月重慶菜園壩長江大橋和黃花園嘉陵江大橋橋墩防撞工程的全國性設(shè)計競標(biāo)中勝出，現(xiàn)正據(jù)此進(jìn)行黃花園大橋橋墩防撞工程的施工圖設(shè)計。
橋墩FRP防撞浮箱結(jié)構(gòu)的合理結(jié)構(gòu)形式，為圍護(hù)在橋墩周圍的FRP外圍箱體結(jié)構(gòu)與附著于外圍箱體結(jié)構(gòu)內(nèi)表面上的一排FRP內(nèi)襯八邊形柱殼薄壁構(gòu)件組合構(gòu)成的FRP組合式防撞結(jié)構(gòu)【13】。其中，F(xiàn)RP外圍箱體結(jié)構(gòu)，為浮箱的抗撞消能主體結(jié)構(gòu)和浮力平衡結(jié)構(gòu)；FRP內(nèi)襯柱殼構(gòu)件，為浮箱與橋墩的弱接觸連接支承結(jié)構(gòu)和撞擊緩沖結(jié)構(gòu)（見圖9）
FRP防撞浮箱結(jié)構(gòu)與橋墩的連接方式，“平時”通過浮箱外圍箱體結(jié)構(gòu)頂艙內(nèi)斜面上的自平衡定位滾筒與橋墩表面時刻貼緊并可沿橋墩表面上下滾動的接觸方式及內(nèi)襯柱殼構(gòu)件與橋墩不接觸或雖接觸但不壓實的連接方式，實現(xiàn)浮箱“只傳遞滾筒自重而不傳遞其它荷載給橋墩”的弱接觸連接和“既能隨水位變化上下浮動又能保持與橋墩的相對平面位置不變”的自定位連接。“撞時”在保持自平衡定位滾筒與橋墩的弱接觸連接方式繼續(xù)有效的基礎(chǔ)上，增加內(nèi)襯柱殼構(gòu)件對橋墩進(jìn)行撞擊緩沖和作用面積擴(kuò)散的又一弱接觸支承連接，使橋墩直接承受的船撞作用經(jīng)外圍箱體結(jié)構(gòu)消能后再經(jīng)內(nèi)襯構(gòu)件的弱化傳力得以進(jìn)一步降低。
橋墩FRP防撞浮箱結(jié)構(gòu)的消能模式，一是通過浮箱外圍箱體結(jié)構(gòu)中艙內(nèi)相互密貼的FRP八邊形和四邊形柱殼薄壁構(gòu)件的特殊結(jié)構(gòu)構(gòu)造（見圖10）及其“撞時相互擠壓、相互運動”的特殊結(jié)構(gòu)行為產(chǎn)生變形消能和摩擦消能；二是通過浮箱內(nèi)襯柱殼構(gòu)件與橋墩的撞擊緩沖，產(chǎn)生變形消能和潰散消能；三是通過浮箱外圍箱體結(jié)構(gòu)底艙和內(nèi)襯柱殼構(gòu)件下段內(nèi)充滿的水流，產(chǎn)生阻止浮箱向橋墩運動的水阻消能，共同消耗船舶撞擊動能的70%以上，并使經(jīng)浮箱柔性抗撞和彈性反推反作用與船舶的撞擊力小于船舶的破壞荷載，保護(hù)船舶不被撞壞或減小船舶及船上人員的撞擊傷害，還使浮箱借助其高強(qiáng)度、低剛度、完全彈性的材料、結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，減小其自身撞擊損傷，保證浮箱在船撞全程都不退出工作，從而獲得“既不傷墩、又少傷船、還少結(jié)構(gòu)自傷”的最優(yōu)防撞保護(hù)效果，達(dá)到“船橋和諧防撞”、“浮箱長效防撞”的橋墩防撞設(shè)計的最高境界。
橋墩FRP防撞浮箱結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工的關(guān)鍵技術(shù)，一是反映浮箱外圍箱結(jié)構(gòu)內(nèi)多邊形柱殼構(gòu)件擠壓變形、運動摩擦、潰散破壞及浮箱－水流耦合作用的結(jié)構(gòu)分析理論和可靠計算方法，二是浮箱結(jié)構(gòu)既強(qiáng)又柔、“平時”與橋墩既不脫離、又不壓實、“撞時”既不傷墩、又少傷船、還少結(jié)構(gòu)自傷的結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計，三是浮箱立面分頂、中、底艙和平面分前、中、后箱工廠預(yù)制、現(xiàn)場組裝且便于后期拆裝維修的施工技術(shù)。
4 高耐久性FRP橋面系結(jié)構(gòu)、構(gòu)件研究與實踐成果
4.1 FRP橋梁人行道板研究與實踐成果
橋梁人行道板，雖不是橋梁的主承力結(jié)構(gòu)和重要結(jié)構(gòu)，但因其通過技術(shù)改造和技術(shù)創(chuàng)新能為橋梁提供“結(jié)構(gòu)減重”和“耐久性提高”的明顯效果，故成為橋梁工程師和研究人員日益關(guān)注的研究課題【14，15】重慶交通大學(xué)本世紀(jì)初研發(fā)出一種全新結(jié)構(gòu)形式的FRP橋梁人行道板，先后投入西藏拉薩大橋和成都龍泉區(qū)飛龍橋等3座橋梁應(yīng)用（圖11，圖12），帶來了人行道板結(jié)構(gòu)自重減輕、結(jié)構(gòu)承載力、結(jié)構(gòu)耐久性、行走舒適性、外觀美觀性提高和后期維修養(yǎng)護(hù)減少的全新效果【16】。
FRP橋梁人行道板的合理結(jié)構(gòu)形式，是FRP空心板上覆環(huán)氧礫石鋪裝層的FRP－環(huán)氧礫石組合式空心板結(jié)構(gòu)。FRP空心板，為人行道板的主承力結(jié)構(gòu)和跨越結(jié)構(gòu)；環(huán)氧礫石鋪裝層，為人行道板的頂面抗壓增強(qiáng)結(jié)構(gòu)和抗滑耐磨功能結(jié)構(gòu)。FRP空心板與環(huán)氧礫石鋪裝層的界面連接，為后者基體樹脂滲透進(jìn)前者結(jié)構(gòu)層內(nèi)的嵌入式粘接連接，界面連接剪切強(qiáng)度可達(dá)到20MPa以上。
FRP橋梁人行道板的結(jié)構(gòu)特點，一是結(jié)構(gòu)自重比混凝土人行道板輕70%左右；二是結(jié)構(gòu)設(shè)計由剛度條件控制，剛度條件滿足下強(qiáng)度富余較多；三是結(jié)構(gòu)無塑性變形，短期超載后卸載無殘余變形（結(jié)構(gòu)試驗證明：超載1.1倍后1小時內(nèi)卸載，變形完全恢復(fù)；超載42%且穩(wěn)載180天后卸載，殘余變形72小時內(nèi)未能恢復(fù)）【16】。
FRP橋梁人行道板設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)，一是人行道板結(jié)構(gòu)合理結(jié)構(gòu)形式下空心板與鋪裝層的最優(yōu)材料組成及最佳厚度比例，二是基于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)“等代設(shè)計”理論且經(jīng)有限元計算和試驗驗證的簡化計算方法，三是推出便于工程應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件形式及其設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)圖（見圖13和表2）。
FRP橋梁人行道板施工的關(guān)鍵技術(shù)，一是先工廠機(jī)械化擠拉成型單元板再拆分或組合構(gòu)成大、小板形式的標(biāo)準(zhǔn)板的FRP空心板預(yù)制施工技術(shù)，二是與FRP空心板的標(biāo)準(zhǔn)板同時工廠分塊攤鋪預(yù)制成型或先現(xiàn)場安裝好FRP空心板再在其上整體攤鋪成型環(huán)氧礫石鋪裝層的施工技術(shù)，三是FRP人行道板與鋼或混凝土路緣、邊縱梁的界面連接及人行道板整體結(jié)構(gòu)或大、小標(biāo)準(zhǔn)板間溫變伸縮構(gòu)造施工技術(shù)。
4.2 FRP橋梁人行道欄桿研究與實踐成果
為改變鋼、鐵、混凝土橋梁人行道欄桿自重大、耐久性差、后期維修養(yǎng)護(hù)多的技術(shù)現(xiàn)狀和提升欄桿的技術(shù)經(jīng)濟(jì)含量，重慶交通大學(xué)于本世紀(jì)初研發(fā)出結(jié)構(gòu)、功能效果優(yōu)于這些欄桿的FRP橋梁人行道欄桿，經(jīng)10余座橋梁應(yīng)用檢驗證明，新欄桿不僅易達(dá)到上述目標(biāo)，而且耐久性提高效果顯著。
FRP橋梁人行道欄桿的合理結(jié)構(gòu)形式，是采用自重輕、剛度大的空心薄壁構(gòu)件形式的立柱、橫欄、小柱三種標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件組裝構(gòu)成適用于各種橋面縱坡的組合式欄桿結(jié)構(gòu)。其中，欄桿橫欄與立柱通過膠粘連接構(gòu)成節(jié)點固結(jié)的欄桿排架，欄桿排架通過插入欄桿立柱套孔并特殊膠粘連接實現(xiàn)橫向限位縱向滑動的整體欄桿結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，推出了便于工程應(yīng)用的柵欄型板條式欄桿（見圖14）和柵欄型寶瓶式欄桿（見圖15）標(biāo)準(zhǔn)欄桿形式。前者具有剛勁、穩(wěn)重氣勢，適用于大跨、特大跨橋梁；后者具有輕巧、典雅氣質(zhì)，適用于中、小跨徑橋梁和人行橋梁。
FRP橋梁人行道欄桿的結(jié)構(gòu)特點，一是欄桿自重比鋼、鐵欄桿減重50%左右，比混凝土欄桿減重80%左右，二是欄桿的溫變伸縮通過欄桿排架與立柱間的滑動連接構(gòu)造自由實現(xiàn)且不露痕跡，三是欄桿結(jié)構(gòu)自帶色彩成型并具有光潔亮麗外表，使用期內(nèi)（至少30年內(nèi)）不須涂裝養(yǎng)護(hù)。
FRP橋梁人行道欄桿設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)，一是保證欄桿設(shè)計基準(zhǔn)期50年內(nèi)既抗結(jié)構(gòu)破壞又省后期維修養(yǎng)護(hù)的合理結(jié)構(gòu)形式與最優(yōu)材料組成設(shè)計技術(shù)，二是為欄桿結(jié)構(gòu)設(shè)計提供經(jīng)結(jié)構(gòu)試驗驗證的有限元計算方法。
FRP橋梁人行道欄桿施工的關(guān)鍵技術(shù)，一是欄桿立柱、橫欄、小柱標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件模具成型和欄桿排架工裝成型的工廠預(yù)制施工技術(shù)，二是欄桿排架節(jié)點固結(jié)和排架與立柱套孔滑動連接的內(nèi)部連接施工技術(shù)，三是欄桿立柱與鋼或混凝土邊縱梁膠粘連接和機(jī)械連接（焊接連接或螺栓連接）相結(jié)合的外部連接施工技術(shù)。
4.3 FRP—環(huán)氧礫石—瀝青混凝土鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)研究與實踐成果
為解決瀝青混凝土鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)“瀝青混凝土與鋼橋面板材料性能懸殊導(dǎo)致二者界面剪應(yīng)力較大”、“鋼橋面板的防水層及其與瀝青混凝土的粘接層容易破壞”、“鋪裝結(jié)構(gòu)耐久性較差”的三大世界性技術(shù)難題，重慶交通大學(xué)與重慶市城投公司聯(lián)合，研發(fā)出FRP－環(huán)氧礫石－瀝青混凝土鋼橋面鋪裝新結(jié)構(gòu)。經(jīng)初步理論分析和結(jié)構(gòu)模擬試驗研究證明，新鋪裝結(jié)構(gòu)比常規(guī)瀝青混凝土鋪裝結(jié)構(gòu)具有“結(jié)構(gòu)形式更合理”和“結(jié)構(gòu)功能更完美”的質(zhì)的進(jìn)步【17】。
FRP－環(huán)氧礫石－瀝青混凝土鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的合理結(jié)構(gòu)形式，為FRP層合板或空心板式鋪裝下層、環(huán)氧礫石實心板式鋪裝中層和瀝青混凝土實心板式鋪裝上層復(fù)合構(gòu)成的異質(zhì)三層結(jié)構(gòu)形式的鋪裝結(jié)構(gòu)（見圖16）。FRP鋪裝下層與鋼橋面板的界面連接，為FRP材料的基體樹脂ER與鋼板材料具有分子間的吸引力和FRP材料的增強(qiáng)纖維GF、CF對界面層具有結(jié)構(gòu)增強(qiáng)作用的粘接連接；FRP鋪裝下層與環(huán)氧礫石鋪裝中層的界面連接，為二者基體樹脂材料相同的自粘連接和二者連接界面的糙面粘接連接；環(huán)氧礫石鋪裝中層與瀝青混凝土鋪裝上層的界面連接，為瀝青混凝土鋪裝上層的瀝青混合料嵌入環(huán)氧礫石鋪裝中層的外露礫石間空隙并握裹礫石構(gòu)成的咬合式界面連接。
FRP－環(huán)氧礫石－瀝青混凝土鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點，是在材料性能懸殊、界面連接較弱的鋼橋面板和瀝青混凝土層之間，加入既可實現(xiàn)二者材料剛度過渡、又可界面連接增強(qiáng)的FRP層和環(huán)氧礫石層，使鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的強(qiáng)者鋼橋面板因與FRP層連為結(jié)構(gòu)整體而增大了剛度和結(jié)構(gòu)安全儲備，并使鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的弱者瀝青混凝土層因與環(huán)氧礫石層的界面連接增強(qiáng)而增大了界面剪切強(qiáng)度和整體結(jié)構(gòu)效果，表明新鋪裝結(jié)構(gòu)比常規(guī)鋪裝結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式和材料配伍更合理。并且，F(xiàn)RP鋪裝下層兼有鋼橋面板防水層的長效防水功能，環(huán)氧礫石鋪裝中層兼有施工高溫緩沖層的高溫?fù)p傷保護(hù)功能，可使鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)借助其更完美的結(jié)構(gòu)功能而大幅提高其結(jié)構(gòu)耐久性。材料試驗證明，F(xiàn)RP鋪裝層與鋼橋面板的界面剪切強(qiáng)度均大于20Mpa，模擬江陰長江大橋鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的橫橋向彎曲試驗（見圖17和圖18）證明，12mm鋼橋面板＋25mmFRP空心板鋪裝下層＋5mm環(huán)氧礫石鋪裝中層＋27mm澆筑式瀝青混凝土鋪裝上層結(jié)構(gòu)形式的新鋪裝結(jié)構(gòu)與12mm鋼橋面板＋57mm澆筑式瀝青混凝土鋪裝層結(jié)構(gòu)形式的常規(guī)鋪裝結(jié)構(gòu)相比，可減輕鋪裝結(jié)構(gòu)自重0.35kN/㎡，增大鋼板的橫橋向抗彎剛度約1倍，減小鋼板的橫橋向正應(yīng)力約15%，減小瀝青混凝土層界面的橫橋向剪應(yīng)力約30%【17】
FRP－環(huán)氧礫石－瀝青混凝土鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)，一是新鋪裝結(jié)構(gòu)各層厚度最佳比例及其材料配伍設(shè)計，二是新鋪裝結(jié)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)計算分析原理及簡化計算方法。
FRP－環(huán)氧礫石－瀝青混凝土鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)施工的關(guān)鍵技術(shù)，一是FRP鋪裝下層，尤其是FRP空心板式鋪裝下層與鋼橋面板密貼粘接、牢固連接和施工高溫?fù)p傷預(yù)防技術(shù)，二是環(huán)氧礫石鋪裝中層的礫石底部嵌入FRP鋪裝下層中、頂部外露且留有間隙便于瀝青混合料握裹與咬合的機(jī)械化施工技術(shù)。
5 結(jié)論
1）高耐久性FRP橋梁結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的適用類型，一是取代鋼、混凝土結(jié)構(gòu)、構(gòu)件使其結(jié)構(gòu)性能明顯改善的全FRP結(jié)構(gòu)、構(gòu)件，二是與鋼、混凝土結(jié)構(gòu)、構(gòu)件組合使其結(jié)構(gòu)組成優(yōu)化且結(jié)構(gòu)性性能優(yōu)于單一材料結(jié)構(gòu)的FRP－鋼或FRP－混凝土或FRP－鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)、構(gòu)件，其工程應(yīng)用有效的適用類型，主要有橋梁主體結(jié)構(gòu)的FRP防護(hù)結(jié)構(gòu)、構(gòu)件和FRP橋面系結(jié)構(gòu)、構(gòu)件兩類。
2）橋梁主體結(jié)構(gòu)的高耐久性FRP防護(hù)結(jié)構(gòu)、構(gòu)件，主要有鋼箱梁橋和鋼桁架橋的FRP防護(hù)外殼、橋梁索桿結(jié)構(gòu)的FRP防護(hù)外殼、橋墩FRP防撞浮箱結(jié)構(gòu)三類；高耐久性FRP橋面系結(jié)構(gòu)、構(gòu)件，主要有FRP橋梁人行道板、FRP橋梁人行道欄桿和FRP－環(huán)氧礫石－瀝青混凝土鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)三類。它們的共同結(jié)構(gòu)特點，一是幾乎不增加主體結(jié)構(gòu)自重或能減輕原橋結(jié)構(gòu)自重，二是結(jié)構(gòu)耐久性提高的同時，結(jié)構(gòu)安全性、使用舒適性、維修經(jīng)濟(jì)性和外觀美觀性增加。
3）高耐久性FRP橋梁結(jié)構(gòu)、構(gòu)件，與FRP橋梁主承力結(jié)構(gòu)和橋跨結(jié)構(gòu)設(shè)計研究同樣重要，隨著研究與實踐的深入，將共同推動橋梁向“大跨徑”和“工業(yè)化施工”方向發(fā)展作出其應(yīng)有的貢獻(xiàn)。
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