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FRP 组合结构桥梁应用技术

1 成果简介从上世纪 70 年代开始，纤维增强复合材料（ FRP）以其高强、轻质、耐腐蚀等优点，成为土木工程的一种新型结构材料，并逐渐被应用到广泛的工程实践中。轻质高强是 FRP材料最突出的特点。它的强度是钢材的 20~50 倍，但比重只为钢材的四分之一左右。其次，FRP 材料较其他传统材料相比，具有良好的耐腐蚀性，可以在酸、碱、氯盐和潮湿的环境中抵抗化学腐蚀。此外， FRP 材料还有透电磁波、绝缘、隔热和热涨系数小等诸多优点。如今，FRP 复合材料已列入七大重点发展战略性新兴产业之中的新材料领域，并且已在土木工程领域中的加固补强、维护防腐等诸多方面得到很好的应用。从 1970 年代开始， FRP 就开始在诸如英国、美国和以色列等国家的桥梁建设中进行尝试应用。九十年代初， FRP 在桥梁建设的应用中不断增加，如美国，日本和瑞士等国。近年来，随着 FRP 在结构工程中被逐渐接受， FRP 在桥梁结构中的应用迅速发展，世界各地有各种结构形式的 FRP 桥梁相继建成，目前已经超过 100 座应用案例，主要集中在欧美、日本以及澳大利亚等国家。FRP 桥梁应用技术所带来的低投入和高回报的特点是外国政府企业近年来热衷于此项技术的根本原因，而 FRP 材料的以下优点也是促进其发展的源动力：（ 1）预制件制造，架设成本低。因大量采用轻质的 FRP 拉挤成型构件，可大大缩短施工时间和架设与施工时对道路的要求，并为投资者在人力物力上节约大量开支。例如，亚特兰大桥 1 天；纽约州桥 36 小时；莫斯科人行桥 3 小时； Parsons 桥 4 小时。（ 2）优良的耐久性。 FRP 材料具有高耐腐蚀性，耐老化和耐疲劳等特征， FRP 桥梁拥有其他桥梁所不具备的超低维护费用，并且使用寿命较其他桥梁更长。因此桥梁的全寿命周期投资成本大大低于其他桥梁。（ 3）施工速度快，交通影响小。由于 FRP 桥梁架设速度快，施工周期短，如在国内交通压力较大的城市中使用，可大大降低因施工而造成的道路拥堵的时间，从而大大减少社会成本消耗和社会舆论压力。（ 4）资源可持续利用。由于 FRP 桥梁较其他桥梁资源消耗少，并且在生产和建设过程中能源消耗比普通钢材或混凝土少一倍以上，因而可大量降低温室气体排放和对资源的依赖性。从某种程度上讲， FRP 桥梁应用技术是一种符合国家经济建设需求的集节能减排和低资源依赖性技术于一体的高新技术产品。虽然 FRP 的优点已得到工程研究和应用领域的认可，但第一代的 FRP 结构依然存在着诸多问题，比如高成本，脆性破坏模式，耐火性能差等。消除这些问题的一种有效方法就是将 FRP 材料与传统的建筑材料结合，比如混凝土、钢材。 2003 年前后，清华大学、北京玻璃钢研究设计院、中冶建筑研究总院等单位对高性能 FRP 桥梁开展了有关基础科学问题的研究和设计计算理论与方法的研究下，取得了一定的研究成果，如纤维缠绕桥面板、 FRP-混凝土组合桥面板、 FRP 桥索等。为了填补我国在 FRP 桥应用技术相关领域的空白，在国家科技部的大力支持下，清华大学土木工程系经过多年的理论分析和试验研究，对一系列全FRP 桥梁以及 FRP 组合桥梁体系应用前景进行了充分的论证，开发出一整套适合当前中国桥梁建设条件的 FRP 桥梁应用技术,并已完成两座示范性 FRP 人行桥应用工程。2 应用说明该技术可广泛应用于跨度不大于 50 米的桥梁，特别是在道路压力大的城市路段，交通不便的偏远地区，有高耐腐蚀需求的海岸工程和有特殊施工要求（如不能明火等）的地区等有着极好的投资回报。3 效益分析石家庄 FRP 桥梁应用技术示范桥： FRP #1 和#2 桥，见下图。工程预算略高于普通人行桥梁大约 10%，但在完工时，发现建造费用与普通钢混桥梁大体相当。原因在于预算中过高估算了 FRP 桥梁施工费用。如再将 FRP 桥梁超低维护费和使用寿命长等因素计算在内，FRP 桥梁有着远远超越其他桥梁的高性价比。上图：石家庄 1 号 FRP 桥上图：石家庄 2 号 FRP 桥4 合作方式技术服务和技术转让。

清华大学 2021-04-13