《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学院：班级：姓名：学号：指导老师：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的变化、表面处理的方式和表面处理剂的类型，同一种纤维在复合材料中的粗细、长短、含量、位置、取向、织物形态等都会直接影响所增强复合材料的力学性能。
树脂很大程度上会影响复合材料的热性能、阻燃性能、耐老化性能和耐化学腐蚀性能和耐疲劳性能。
树脂的液体性能和固化性能很大程度上决定和影响着纤维增强聚合物复合材料的成型工艺。
4 在桥梁上应用的纤维增强复合材料成型工艺复合材料的工艺性能十分优越，其成型方法多种多样，成型条件机动灵活，具体如下：①手糊成型-湿法铺层成型；②夹层结构成型(手糊法、机械法)；③片状(团状)模压成型；④连续板材成型；⑤缠绕成型；⑥拉挤成型(缠绕一拉挤成型、编织拉挤成型、旋转拉挤成型，注射拉挤成型等)；⑦注射成型；⑧喷射成型；⑨真空袋压力成型；⑩压力袋成型。
桥梁用FRP复合材料主要的制造工艺有缠绕成型、拉挤成型、手糊成型、真空辅助树脂传递模塑成型以及真空袋压成型等，其中又以拉挤成型的制品为绝大多数。
工艺方式的选择决定纤维材料组合的可实现方式以及树脂的最终固化程度，从而影响了制品的最终力学性能和化学性能。
5 FRP桥面板构造形式根据FRP桥面板的构造形式，可将各种FRP桥面体系分为夹芯板、拉挤型材拼装空心板、面板型材芯组合板、FRP-混凝土/土材组合板。
夹芯板大多采用RTM工艺制成，整体性较好；拉挤型材拼装板适应性强、适合工业化生产，但受生产工艺限制，断面尺寸不能过大，并且单向纤维为主，横向受力性能较差；而组合板经过合理设计可以获得很好的受力性能。
6 纤维增强复合材料在桥梁上应用的相关标准和指南一种新材料若要广泛地被采用，首先该种新材料的特性要被设计者、建造者和使用者所熟悉，就象钢材和混凝土一样，并且还需要制定材料的性能标准、测试方法、质量控制和检验标准、设计指南、施工规范、维护手册，这样才能将纤维增强聚合物复合材料很好地应用于桥梁中。
各国制定和不断完善的FRP复合材料应用于建筑的重要规范和指南见附录一。
7 纤维增强复合材料在桥梁上的具体应用（1）已有桥梁的维修加固，主要的FRP复合材料有贴片、片材、板材、棒材和筋材等[1]。
(2) 桥梁甲板体系[2]Kansas Structural Composites, Inc.轻质高强的桥梁甲板内部构造Creative Pultrusions 设计制造的桥梁甲板体系（3）桥梁的大梁[3]Strongwell 设计制造的桥梁的大梁（4）替代钢筋[4](5) 整体真空导人成型的全复合材料桥梁[5]Fiber Core Europe设计制造碳纤维和玻璃纤维混杂增强的桥梁8 FRP设计计算由于FRP的力学特性为线弹性且具有显著的各向异性，在FRP轻质桥梁的设计计算中可按照弹性各向异性材料来进行建模分析；对于结构分析可根据构件的力学性能来计算，与一般的结构设计计算基本相同。
虽然FRP沿纤维方向的强度较大，但垂直纤维方向和剪切方向上强度都较低，容易发生剪切破坏。
同时，FRP的剪切模量远小于其纤维方向上的拉压模量，在受弯梁的变形中可能会出现比较明显的剪切变形。
笔者研究证明，其剪切变形可占总变形的20%[6]。
因此，在FRP桥梁结构设计中，需要重视对剪切破坏和剪切变形的计算。
附录一（1）美国混凝土协会制定的指南和标准ACI 440440.IR-06：Guide for the Design and Construction of Structural Concrete Reinforced with FRP Bars440.2R-08:Guide for the Design and Construction of Extemally Bonded FRPSystems for Strengthening Concrete Structures440.3R-04:Guide Test Methods for Fiber-Reinforced Polymers (FRPs) for Reinforcing or Strengthening Concrete Structures440.4R-04:Prestressing Concrete Structures with FRP Tendons440.5-08:Specification for Construction with Fiber-Reinforced Polymer Reinforcing Bars440.5M-08:Specification for Construction with Fiber-Reinforced Polymer Reinforcing Bars (Metric)400.6-08:Specification for Carbon and Glass Fiber-Reinforced Polymer Bar Materials for Concrete Reinforcement440.6M-08:Specification for Carbon and Glass Fiber-Reinforced Polymer Bar Materials for Concrete Reinforcement (Metric)440R-07:Report on Fiber-Reinforced Polymer (FRP) Reinforcement for Concrete StructuresSP-215:Field Applications of FRP Reinforcement: Case StudiesSP-245CD:(CD-ROM) Case Histories and Use of FRP for Prestressing ApplicationsSP-257CD:(CD-ROM) FRP Stay-In-Place Forms for Concrete StructuresSP-258CD:(CD-ROM) Seismic Strengthening of Concrete Buildings Using FRP Composites(1)中华人民共和国国家标准:GB 50608-2010 《纤维增强复合材料建设工程应用技术规范》(3) 英国建筑工程师协会设计指南:Interim guidance on the design of reinforced concrete structures using fiber composite reinforcement(4) 日本:Japanese JSCE Design Guide-Published(5) 加拿大:Canadian Highway Bridge Design Code，Section16-Published(6) 挪威:Norwegian Concrete Standard NS3473-Published参考文献[1] 张元凯，肖汝诚. FRP材料在大跨度桥梁结构中的应用展望.公路交通科技，2004,21（4）：59[2] 王善元，张汝光等.纤维增强复合材料.上海：中国纺织大学出版社，1998，（5）：89[3] 阮积敏，王柏生，张奕薇.纤维塑料筋在桥梁工程中应用研究.中南公路工程，2004,29（1）：37[4] 杨允表，石洞.复合材料在桥梁工程中的应用.桥梁建设，1997，（4）：4[5] 王震鸣，杜善义，张恒等.复合材料及其结构的力学、设计、应用和评价（第一册）.北京：北京大学出版社，1998，（7）：213[6] 张志明主编.复合材料结构力学.北京航天航空大学出版社，1993，（3）：56~62。