材料与桥梁工程

材料与桥梁工程

摘 要：材料科学的进步是推动桥梁工程发展的重要动力之一。在具有一定承载能力的条件下，跨度仍是反应桥梁建筑水平的重要指标，为了减少桥墩，加大通航能力桥梁结构继续向大跨度发展是当代桥梁发展的方向。所以对建桥材料提出了高强，轻质和多功能的强烈要求。单一的钢筋混凝土设计，依靠钢筋已无法满足桥梁发展的需要，我们迫切的需要新的轻质高强度的材料，近年来在各种新材料中，耐候钢，无粘结预应力束和纤维增强塑料（FRP ）等材料在桥梁工程的应用中发展迅猛，成为了目前桥梁工程发展的热点方向。

关键字： 复合材料 高性能刚 耐候钢 波形钢腹板 无粘结预应力束

随着桥梁工程的发展原有的材料渐渐不能适应设计施工的需求，新型材料不断面世，不断加入桥梁工程的建设应用之中，为桥梁更大跨度，更安全提供了保障。

传统的高强度桥梁钢不仅冲击韧性、焊接性、疲劳性较差，而且不能耐大气、海水腐蚀。因此，高性能钢的概念相应问世。高性能钢材是指材料的某项或几项性能较传统钢材得到改善的钢材，除了具备较高强度外，钢材的焊接性能、低温韧性，尤其是耐腐蚀性能有较大幅度提高。其中被广泛应用与桥梁工程中的耐候钢就是高性能钢的一

种。

耐候钢：

耐候钢，即耐大气腐蚀钢，是介于普通钢和不锈钢之间的低合金钢系列，耐候钢由普碳钢添加少量铜、镍等耐腐蚀元素而成，具有优质钢的强韧、塑延、成型、焊割、磨蚀、高温、抗疲劳等特性；耐候性为普碳钢的2~8倍，涂装性为普碳钢的1.5~10倍。同时，它具有耐锈，使构件抗腐蚀延寿、减薄降耗，省工节能等特点。耐候桥梁用钢作为高性能桥梁钢的一个发展方向，在国外得到了较为广泛的发展。

美国早在20世纪70年代就在桥梁上应用耐候钢，1991年我国在京广线序死和尚建成第一座耐候钢桥。

高强度耐候钢的性能随着新钢种的不断推出而提高，在化学成分上，碳含量不断下降，这就导致了碳当量和焊接冷裂纹敏感性系数的降低，焊接性能逐步得到改善，生产成本不断降低，生产周期缩短， 现在耐候钢在国外已逐步完善。耐候钢技术基本成熟，国内也加大推广力度。

波形钢腹板：

波形钢腹板PC 组合箱梁是一种经济、高效、施工简便的新型钢-混凝土组合结构形式，这种结构彻解决了传统预应力混凝土箱梁腹板的裂缝问题，利于实现桥梁轻型化，美化桥梁景观。

波形钢腹板箱梁将钢、混凝土两种不同材料结合起来，提高了结构稳定性、强度及材料的使用效率，

用波形钢板作腹板，使得箱梁自重大为降低，从而提高了预应力的效率，减少了预应力钢材的用量。波形钢板具有较高的抗剪屈曲能力，因而可以做得很薄，且无需纵横向加劲。波形钢板采用体外预应力筋方式，可免除在混凝土腹板内预埋管道的烦杂工序，缩短了工期，使施工更加方便。且体外力筋可以替换和增加，便于桥梁的维修与补强。

无粘结预应力束：

无粘结预应力束是桥梁工程中的新材料，它是由单根或多根高强钢丝、钢绞线或钢筋，沿全长涂抹防腐蚀油脂并用聚乙烯热塑套管包裹而成。与传统材料相比，无粘结预应力束节省了施工设备，简化了施工工艺，缩短了工期，降低了造价。因而在欧美、日本等国得到广泛应用。从90年代开始，无粘结束技术已在我国的中心跨径桥梁中应用，目前最大跨度已达到20m 。但是无粘结束预应力桥梁不宜作更大跨度，且计算比较复杂。日本开发的后期粘结预应力钢材新技术，有着广阔的发展空间。

纤维增强塑料：

纤维加劲塑料（FRP ）是由包裹在树脂母体中的连续纤维做成的复合材料，纤维起加劲作用，而树脂主要起粘合纤维的作用。纤维加劲塑料视其所用纤维的不同可分为碳纤维加劲塑料(CFRP)、玻璃纤维加劲塑料(GFRP)及芳纶纤维加劲塑料(AFRP)等3大类。纤维加劲塑料在桥梁工程中的应用很广：FRP 新桥梁桥面板，FRP 混合体系，FRP 桥梁加固与维修，FRP-柱的抗震改建。

FRP 复合材料桥面的优点是重量轻、强度高与性能高。同时FRP 复合材料桥面有高的抗化学与抗腐蚀性，易于处理、运输及安装。它的轻重量减少了总体上部结构重量与地基要求。虽然复合材料有很高的拉伸强度，目前的桥面设计由刚度控制。玻璃纤维增强（FRP ）复合材料的刚度模量大约是钢材的五分之一。除高或极高模量的碳材料之外，典型的碳纤维的刚度模量比钢材料稍高一点。对于具体施工与连接细部则需要进一步研究与测试，以确保其抗疲劳性、使用寿命以及可施工性的良好设计。

FRP 复合材料的轻质在预应力应用与大跨度斜拉桥和悬索桥的应用上有巨大的潜力。FRP 复合材料可以解决大跨度桥梁上多余线缆的恒载及腐蚀问题。

使用FRP 层合板、杆及湿敷纤维布粘结在混凝土上来维修。表面粘结复合材料已经用于很多的混凝土桥梁加固与维修上。FRP 复合材料包裹可以成功用于铝制结构维修。FRP 维修技术节约成本，易于设计、安装与检测。在桥梁加固方面，钢筋混凝土梁可以增大对剪切荷载和弯曲荷载的承载能力。混凝土板可以增强弯曲荷载的承载能力。当设计与应用合理时，可以使用FRP 复合材料成功地维修桥梁，达到无需更换整个结构就能延长桥梁使用寿命的目的。1991年7月首次用CFRP 板加固桥的技术加固瑞士伊巴赫桥。尽管CFRP 板的价格比钢材高9倍左右，但CFRP 与钢材的等功能花费是基本相当的，且用CFRP 板加固桥梁操作容易，可大幅度降低劳动成本。

在1989年奥克兰络玛-谱雷塔大地震发生后，加利福尼亚交通部

率先将FRP 复合材料应用在了混凝土桥墩柱的加固上。采用在主筋减少的断面粘贴板状CFRP 和在环箍方向卷绕CFRP 带材，能有效地提高墩柱的强度和韧性，从而提高其抗震性。因碳纤维束易变形、可紧密地缠绕在墩柱的表面，且碳纤维强度与弹性模量又较高，它形成的约束套箍可对混凝土产生很强的约束作用，它比钢板缠绕施工要简便得多。用CFRP 带材加固墩柱，所使用的缠绕机不需要重型吊装设备，所需的施工空间也小，在2h 内即可缠绕一根6m 高的墩柱，可节约大量的人力、物力，其经济效果显著。

但是新材料应用到实际桥梁建设之中，必须要经过漫长的实践检验。用粘贴CFRP 复合材料板加固补强既有结构，其粘贴施工工艺、被加固梁的长期性能，包括CFRP 复合材料板和粘贴剂固化后的老化性能、耐久性能，胶粘剂徐变收缩对梁体性能的影响以及梁体的可靠性及疲劳可靠性，都是有待进一步研究的问题。

新材料的应用促进了桥梁工程的发展，随着新型材料的开发应用，桥梁工程必将会不断发展，迎来新的篇章。

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