在公路橋梁中,橋面板直接承受輪壓荷載和環境荷載,是受超載、腐蝕、疲勞等不利因素影響最直接的構件。因此,傳統的鋼筋混凝土橋面板和正交異性鋼橋板在一些惡劣的環境下會很快的銹蝕、開裂、剝離,甚至塌陷,這些給道路交通帶來巨大的隱患和損失。 FRP材料是一種新型結構材料,具有高強、輕質、耐腐蝕等優點。用FRP制成的夾心橋面板與傳統的橋面板相比有明顯的優勢,它的出現為橋梁工程師提供了一個很好的選擇。
FRP夾心橋面板由上下的FRP面層和FRP夾層粘接而成,上面層受壓和下面層受拉承受彎矩,夾層部分主要承受剪力,同時連接上下面層。根據FRP夾層板的生產工藝,可以分為拉擠粘接和接觸工藝一次成型兩類。這種組合可以使FRP材料的強度充分發揮,同時減輕也了結構的重量。這種橋面板不僅可以直接應用在新建橋梁中,還可以替換一些老橋原有的混凝土橋板,使老橋重新煥發青春,甚至提高荷載等級。從1996年,美國開始在中短跨橋梁中應用GFRP(玻璃纖維)夾心橋面板,至今已經有近百座橋梁,其中有1/3為老橋修復。近年我國基礎設施建設規模逐年增大,對于建設水平和質量的要求也越來越高,其中高性能、高效率、耐久性好是工程結構的迫切要求。FRP橋面板正是適應這一要求的產品,它具有以下一些顯著的優點:
(1)自重輕。FRP夾心橋面板的自重約為傳統混凝土橋板的20~40%[1]。使用它可以大大減輕橋面恒載,從而使橋梁的跨度可以更大,車載可以更高。
(2)施工方便。FRP夾心橋面板在工廠中加工生產,現場安裝,它的重量輕,甚至可以不用起重設備,因此運輸、安裝都非常方便,可以大大縮短工期。
(3)耐腐蝕,維護方便,維護費用低。目前我國許多橋梁結構都受到銹蝕等問題的困擾,一些工程建成后的維護費用甚至超過了建設費用。而FRP材料具有很好的耐腐蝕性,建成后幾乎不需任何維護措施,這對于一些特殊環境地區的橋梁建設無疑是一個福音。這三個優勢將使FRP夾心橋面板在橋梁工程中發揮出傳統結構材料難以替代的作用。
同時,與其它的結構材料一樣,FRP材料也有一些缺點。首先,FRP材料的彈性模量低。構件的變形成為全FRP橋面板的主要控制因素。FRP夾心橋面板必須通過增大構件幾何尺寸來獲得幾何剛度,從而提高整個構件的剛度,材料的用量勢必增大。另一個問題是FRP材料的價格相對較高,使用FRP夾心橋面板的費用大約是混凝土橋面板的2~3倍,是正交異性鋼橋板的1.2倍[1]。雖然從整個橋梁生命周期中的總費用來看,FRP夾心橋面板在經濟性上并不差[2],但是較大的初期投資勢必會影響FRP橋面板體系在工程中應用的前景。因此,改善現有的FRP夾心橋面板,研究開發出成本低、性能好的FRP橋面板體系是非常需要的。
我國在這方面的研究起步相對較晚,目前還沒有的定型FRP橋面板的產品。但隨著工程建設的發展,成本低、性能好的FRP橋面板將會在橋梁工程中有很大的需求量。清華大學土木工程系與北京玻璃鋼研究設計院正在聯合開發適合中國國情的FRP夾心橋面板以及成本低、性能好新型FRP組合橋面板。
目前,國外已經有多種不同斷面形式的FRP夾心橋面板產品。一般在工廠中按照一定的模數尺寸加工成型,再運到現場安裝。常用的連接固定的方式是金屬螺栓連接和粘接。這些FRP橋面板產品的自重為0.75~1.1kN/m2,是傳統橋面板的1/3~1/4;價格為混凝土橋面板的3~4倍,為鋼橋板的2倍。在HS20級荷載的作用下,橋板最大變形為L/450~L/1300,通常一次成型的夾心板的變形比粘接成型板的變形要小一些。世界上最早應用FRP夾心橋面板的是1996年在美國Kansas州Russell附近的無名溝壑上架起的一座公路橋。同年,在加州大學San Diego校區內也建成一座試驗性質的小橋,設計荷載HS-20。此后,FRP夾心橋面板在美國發展迅速,現在已經有幾十座中小型橋梁。
除了將FRP橋面板用于新建橋梁中以外,它還被應用在老化橋梁的修理中,即使用FRP橋面板替換原有的混凝土橋板,使橋面結構自重減輕,車載等級提高,使用壽命延長。在New York、Maryland、Oregon等地,有十幾座老橋,主要是鋼結構橋,在重修中采用了這種FRP橋面板。由于FRP橋面板的應用目前還處在驗證階段,初期費用是偏高的,當應用量增大,FRP產品生產規模擴大,勢必使其成本大大降低,近年來,CFRP加固混凝土結構的廣泛應用既是例證。因此,讓更多的橋梁設計人員認識到這點也是非常緊迫的。