??一、前言?
現代交通的發展，對橋梁的營運質量和壽命提出了更高的要求。鋼材的銹蝕是危及橋梁安全和耐久性的大敵，人們探索過很多防銹措施，但效果并不理想。?
先進復合材料具有耐腐蝕、重量輕(容重只有鋼材的五分之一至四分之一)、強度高(強度高于高強鋼絲或與之相當)等突出優點。為解決橋梁銹蝕問題，最近二十多年中，人們把目光轉向新型材料，先進復合材料建橋技術的研究與開發受到重視，并已取得實用性成果。
可以展望在二十一世紀，隨著先進復合材料工業的技術進步、規模生產和成本的下降，它在橋梁結構工程中的應用規模將不斷擴大，并必將把橋梁結構工程提高到一個嶄新的水平。?
二、先進復合材料的基本特性?
先進復合材料(Advanced Composites)又稱纖維增強塑料(Fibre Reinforced Plastics，簡稱FRP)，是以非金屬纖維(如玻璃纖維、芳綸纖維和碳纖維)作增強材料，以樹脂(如不飽和聚酯樹脂、環氧樹脂和乙烯基酯樹脂)作基體材料的復合材料。樹脂將纖維束結成整體，既能保護纖維免受機械破壞和化學腐蝕，又能使纖維整體受力。?
先進復合材料具有以下特點：
1、強度高。用S玻璃纖維、芳綸纖維和碳纖維做成的復合材料筋束，其抗拉強度高于高強鋼絲，用E玻璃纖維做成的復合材料筋束，其抗拉強度與高強鋼絲接近。
2、耐腐蝕。玻璃纖維復合材料水管的壽命為鋼水管和混凝土水管的兩倍。
3、應變關系直至破斷均呈線性。
4、彈性模量。碳纖維復合材料的拉伸彈性模量高于鋼材，但芳綸和玻璃纖維復合材料的拉伸彈性模量則僅為鋼材的一半和四分之一。
5、疲勞特性。碳纖維和芳綸纖維復合材料的疲勞強度高于高強綱絲，E玻璃纖維復合材料的疲勞強度則介于普遍鋼絲和高強鋼絲之間。金屬材料在交變應力作用下，疲勞極限僅為靜荷強度的30%～40%。由于纖維與基體復合可緩和裂紋擴展，以及存在纖維內力再分配的可能性，復合材料的疲勞極限較高，約為靜荷強度的70%～80%，并在破壞前有變形顯著的征兆。
6、容重輕。約為鋼的五分之一至四分之一。
7、各向異性。
8、電磁中性。?
9、在高溫下的性能與預應力鋼絲相同。
?三、國外的研究和應用情況?
(一)用復合材料筋代替普通鋼筋的研究?
早在20年前美國就開始在混凝土結構中使用復合材料筋，主要用于有防腐要求的海洋工程、化學工程以及要求電磁中性的結構。
近年來針對日趨嚴重的橋梁銹蝕問題，美國聯邦公路總署安排了在混凝土結構中采用復合材料筋的科研項目。西弗吉尼亞大學和亞利桑那大學分別進行了大量小梁結構試驗。復合材料筋由玻璃纖維和熱固性乙烯基酯樹脂組成，采用拉擠工藝生產，其玻璃纖維含量占71%，樹脂含量占24%。結構試驗的實測數據與理論值吻合，說明復合材料筋有效地增強了梁體，也說明傳統的鋼筋混凝土結構理論可適用于復合材料筋混凝土梁。但由于其彈性模量低(53?6GPa)，變形量可能成為控制設計的因素。
然而，若將復合材料用作預應力混凝土結構的力筋，則效果會十分理想。
(二)復合材料力筋預應力混凝土橋梁的研究與應用?
力筋所采用的非金屬纖維材料，包括玻璃纖維、芳綸纖維和碳纖維。
1、玻璃纖維復合材料力筋預應力混凝土橋梁的研究與應用
70年代初，聯邦德國斯圖加特大學Rehn教授提出用玻璃纖維復合材料力筋取代傳統的高強鋼絲修建預應力混凝土橋的現實可行性。他進行了跨徑9米的小梁荷載試驗，所配置的力筋由價格較便宜的E玻璃纖維與不飽和聚酯樹脂組成。梁的實際破壞荷載大于計算值，跨中撓度高達20厘米時，才發生混凝土受壓區破裂，但復合材料力筋的狀態仍然完好。
根據聯邦研究和技術部的科研項目，由Strabag公司開發出一種稱為HLV的復合力筋，并由Bayer公司用其于1980年在杜塞爾多夫建成了一座跨徑7米的試驗橋-Lunenshe Gasse橋。橋梁荷載為30級，采用12根長7米的無粘結E玻璃纖維復合力筋(HLV)施加預應力。對力筋的灌膠錨頭進行了5年的拉力監測，在現場驗證了實驗室取得的成果。
1986年他們在杜塞爾多夫建成了世界上第一座采用玻璃纖維復合力筋的預應力混凝土公路橋-Ulenberg Strass橋。橋梁荷載等級為60/30級重交通荷載，上部結構為兩跨21.30+25.60米的后拉預應力混凝土連續實體板，板寬15.00米，厚1.44米，共使用59根HLV力筋。每根力筋的工作荷載為600KN，由19根直徑7.5毫米的E玻璃纖維復合材料筋組成。全橋共使用玻璃纖維復合材料4噸。
1988年，他們又在柏林Marienfelde公園修建了一座跨徑為27.63+22.95米的預應力混凝土人行橋，這是德國自1945年以來修建的第一座體外預應力橋梁。
進入90年代后德國和奧地利又修建了三座復合材料筋預應力混凝土公路橋，并在其上部結構中布設了計算機長期監測系統。?
美國南達科他礦業和理工學院L.lyer教授對于先張預應力混凝土結構采用玻璃纖維增強塑料力筋的可行性，進行了較深入的研究。用作預應力力筋的S玻璃纖維絞線由Owens/corning公司提供，其直徑為3毫米，纖維含量占79%(按重量計)，容重1.9g/cm2，抗拉強度2000MPa，拉伸彈性模量64000MPa，極限拉伸率3.1%。力筋由7股S玻璃纖維絞線組成。進行了兩組共四根先張預應力混凝土梁的試驗，其中一組(兩根梁)配置玻璃纖維力筋。另一組(兩根梁)配置高強低松馳鋼絲束。試驗梁在通用的先張臺座上制備。每組梁中有一根進行靜力彎曲強度荷載試驗。另一根作重復彎曲荷載試驗。
通過試驗得知，配置玻璃纖維絞線的梁，其破壞荷載、破壞模式、荷載一撓度關系、疲勞特性以及力筋與混凝土的粘結力等，均與配置鋼絞線的梁相同。
?2、芳綸纖維復合材料力筋預應力混凝土橋的研究與應用
芳綸(Aramid，又稱芳香族聚酰胺)纖維于1965年由美國杜邦公司發明，與玻璃纖維相比，其比重更小，韌性較好，但價格較貴。美國、荷蘭、德國、英國和日本等國都開展了采用芳綸纖維作預應力混凝土力筋的研究工作。這里著重介紹日本的情況。?日本Sumitomo建設株式會社與Teijin株式會社合作研制的芳綸復合材料預應力筋束，以乙烯基酯樹脂作基體，用拉擠工藝成形。筋束的直徑為6毫米，纖維體積含量65%，容重1.3g/cm3，抗拉強度190Kg/mm2拉伸彈性模量5400Kg/mm2，破斷時延伸率3.7%，預應力力筋由不同數量(1、3、7、12和19根)的筋束組成。還研制出不同尺寸的錨頭。
對先張和后張矩形戴面混凝土梁進行了承載能力和疲勞試驗，得出以下結論：
?(1)芳綸筋束與傳統的預應力鋼絲索相比具有相同的抗拉強度；
?(2)芳綸筋束比傳統的預應力鋼絲索具有更高的與混凝土的粘結能力；
?(3)芳綸筋束先張預應力混凝土梁的撓度不因重復加載而變化，梁的承載能力不因疲勞加載而降低；
?(4)在初裂彎矩(0.45Mu)重復荷載作用下，后張梁的承載能力因疲勞降低約10%，但在設計彎矩(0.35Mu)復重荷載作用下，梁的承載能力不會降低。錨頭經疲勞試驗后未破壞。? 到目前為止，日本已建成芳綸纖維復合力筋預應力混凝土橋多座，其中包括：
跨徑11.79米先張預應力混凝土示范性橋，橋面寬9.00米，梁高1.56米，上部結構由5根寬60厘米、高130厘米的空心箱梁加上混凝土橋面板組成。
跨徑25米的后張預應力混凝土示范性橋梁，橋面寬9.20米，梁高1.90米，上部結構由兩個度寬2.80米的箱形截面組成。
跨徑54.5米的后張預應力混凝土吊床板人行橋。其主索采用總長7150米的芳綸纖維復合力筋(由8條帶有墊層的扁平復合材料筋帶組成)。
3、碳纖維復合材料力筋預應力混凝土橋的研究和應用?
碳纖維是60年代以來隨航天工業等尖端技術對復合材料的苛刻要求而發展起來的新材料，具有強度高、彈性模量高、比重小、耐疲勞和腐蝕，熱膨脹系數低等優點。
日本Kobe steel, Ltd, Mitsui Construction Co, Ltd和Shinko Wire Co, Ltd共同研制出一種稱做CF-FIBRA的編織碳纖維復合力筋，已在實際建筑工程中應用。力筋由編織PAN基碳纖維紗線浸漬環氧樹脂而成，纖維體積含量為72%。靜力拉伸試驗表明，CF-FIBRA抗拉強度為1960MPa，拉伸彈性模量為225GPa(等于或略高于鋼絲的值)，容重為1.58g/cm2，其延伸量只為鋼的八分之一。疲勞拉伸試驗表明，CF-FIBRA的抗拉疲勞極限為1174MPa，為鋼絲疲勞極限415MPa的近三倍。
日本Saitama大學和東京繩索株式會社開發出一種稱為CFCC的碳纖維復合力筋，它由搓捻的高強連續碳纖維浸漬樹脂而成。他們已采用CFCC修建一座跨徑7米的預應力混凝土工型梁橋-Shingu橋。
德國1991年在路德維希港建成一座采用CFRP筋束施加部分預應力的全長80米的預應力混凝土橋梁。筋束制作程序是，把碳纖維束浸漬環氧樹脂，擰成直徑12.5毫米的索，再把19股索擠成預應力力筋。其碳纖維的比重只為鋼的1/5，但價格為鋼的7倍。
?(三)碳纖維復合材料索在斜拉橋拉索中的應用
鑒于過去20多年中橋梁拉索和吊索的銹蝕損害狀況日趨嚴重，迫切需要提高其抗疲勞和抗腐蝕能力。
碳纖維增強塑料(CFRP)制成的平行絲束，具有耐腐蝕、高強、彈性模量與鋼相近和抗疲勞性能好等優點，是制作斜拉索和吊索的理想材料。瑞士聯邦材料試驗研究所(EMPA)用其作為瑞士Winterthern Storchenbrucke橋的斜拉索。該橋于1996年建成，是63+61米的單塔斜拉組合加勁梁橋，橋塔為A型，高38米。
該橋使用了兩根碳纖維復合材料拉索，每根拉索由241根(5毫米的CFRP筋束組成，其碳纖維型號為Torayca T700S,強度4900MPa，彈性模量230GPa，破斷延伸率2.1%，比重1.8g/cm3，軸向熱膨脹系數幾近于零。采用拉擠工藝將碳纖維制成CFRP筋束，其縱向抗拉強度為3300MPa，彈性模量165GPa，容重1.56g/cm3，纖維體積含量68%，軸向熱膨脹系數0.2×10-6m/m/℃。
用CFRP束制成的拉索，曾用三倍設計荷載進行1000萬次重復荷載試驗。在橋上的CFRP拉索和鋼拉索，均設有普通傳感器和光纖傳感器進行應力和變形監測。?
(四)用纖維復合材料加固橋梁上下部結構?
士聯邦材料試驗研究所進行了采用粘貼碳纖維復合材料層合板加固鋼筋混凝土結構和橋梁的研究。他們用寬200毫米、厚0.3毫米的碳纖維層合板對跨徑2米的小梁作加固，使其承載能力增加一倍，荷載作用下的撓度減半。另一根跨徑7米的梁，采用三條6950×300×1毫米碳纖維層合板加固后，極限荷載提高22%，裂縫分布細而均勻。
此后，瑞士ETH/SIA公司對Oberriet-Meiningen萊茵河橋進行了加固設計，其具體方法是：在橋面板上層將截面高度增加8厘米，先將遭受碳化的混凝土清除掉，然后布設負彎矩鋼筋，澆注混凝土；在橋面板底面，采用160條長4.2米，寬80毫米、厚1.2毫米的碳纖維復合材料條帶，按75厘米間距對受拉區實行粘貼加固。
美國Lehigh大學也進行了一系列的小梁加固效果試驗，采用的增強材料包括玻璃纖維、碳纖維和芳綸纖維，基體材料包括環氧樹脂和聚丙烯樹脂。試驗表明，梁在加固后剛度提高17%至99%，極限強度提高40%至97%，裂縫狀況也得到改善。
美國亞利桑那大學在進行用玻璃纖維復合材料板加固跨徑4.5米鋼筋混凝土小梁的試驗時，預先采用一對千斤頂在梁的兩個三分點對稱向上加載，使梁的跨中向上拱起5毫米，從而受到“預應力”，然后在梁的下緣粘貼復合材料板。用這種方式加固的梁，其承載能力增加了三倍多。
美國加利福尼亞大學(圣迭戈)在洛杉磯Glendale高速公路的一座橋梁上，采用玻璃纖維外殼粘結和包裹其圓柱形橋墩，以提高其抗地震能力。他們還采用碳纖維浸漬帶加固圓柱形橋墩，拱橋的拱肋和拱上立柱等。
(五)純纖維復合材料橋梁和纖維復合材料�混凝土組合橋梁?
目前，國外已建成純纖維復合材料橋梁10座，其中公路橋梁2座，人行橋8座。?1970年英國在利物浦修建一座跨徑10米，寬1.5米的連續梁人行橋。1972年以色列在特拉維夫修建一座跨徑24米、寬1.8米的跨鐵路線簡支梁人行橋，采用預應力鋼筋張拉玻璃纖維復合材料箱梁。1976年美國在弗吉尼亞修建跨徑4.9米、寬2.1米、高0.46米的簡支桁架玻璃纖維復合材料人行橋。
1982年是纖維復合材料橋梁發展的里程碑。我國在北京密云建成跨徑20.7米、寬9.2米玻璃纖維復合材料簡支箱梁公路橋(本文將另有敘述)，同年保加利亞在索非亞建成跨徑12米、寬8米的玻璃纖維復合材料簡支梁公路橋，美國建成跨徑32.3米簡支桁架公路橋。該橋由碳纖維復合材料和玻璃纖維復合材料兩種材料制成。1989年，日本在千葉縣建成跨徑8米，寬2.5米的碳纖維復合材料人行橋。
纖維復合材料橋梁的實踐，不僅證實了采用這種新材料制作橋梁的可行性，而且還提供了10-28年的長期觀測結果，證明了復合材料具有相當的耐久性。
實踐也表明，完全采用纖維復合材料制作橋梁上部結構，其承載能力受結構剛度和局部屈曲控制，使復合材料抗拉強度高的優勢難于發揮。但若采用復合材料與混凝土建造組合式橋梁，則能取得十分理想的技術經濟效果。
?在總結和吸收各國應用經驗(特別是我國北京密云橋的經驗)的基礎上，美國加利福尼亞大學(圣迭戈)科研組認為，由于先進復合材料的價格比傳統的材料貴很多，完全采用該種材料的結構缺乏競爭能力。正確的思路應當是充分發揮先進復合材料受拉強度高和混凝土材料受壓強度高的優點，用其組成具有重大技術經濟潛力的組合結構。他們基于這種構思，創造出一種稱作“先進復合材料斜拉橋系統”的結構，其橋塔采用碳纖維(或碳纖維-玻璃纖維混合材料)復合材料預制管內填混凝土，預制管具有混凝土外模板和塔柱配筋雙重作用。管殼內壁設有肋條，以增強與混凝土的連結。斜拉橋的加勁梁也采用復合材料預制管混凝土。在美國聯邦公路總署和加州交通廳支持下，他們已完成這種橋梁體系的初步設計。
四、國內研究和應用情況?
我國玻璃纖維工業起步之初，1960年交通部科學研究院就與河北、新疆和西藏等省(自治區)交通部門合作，從事用玻璃纖維束取代受力鋼筋修建混凝土橋梁的探索，進行了配置玻璃纖維主筋的小梁試驗。小梁為8×19厘米矩形截面，下部配置5×5厘米水泥漿粘結玻璃纖維芯棒一根，保護層厚1.5厘米，配筋率2.3%。梁的跨徑分120厘米(梁長140厘米)和220厘米(梁長240厘米)兩種。該院還與北京市政二公司合作，于1961年在北京市石景山路修建一座跨徑4米、寬50米的混凝土板式公路橋梁，上部結構由50塊寬1米的混凝土板組成，每塊板內配置16根水泥漿粘結玻璃纖維芯棒。
上述小梁試驗和板橋通車5年的實踐表明，配置玻璃纖維芯橋的混凝土結構，具有良好的短期強度。該橋因修建地下鐵道而于1966年拆除，小梁長期荷載試驗也于同年被迫停止。筆者曾參加此項研究工作。由于芯棒采用強度不很高的有堿玻璃纖維，并采用水泥漿作粘結劑，水泥中的堿易使纖維受腐蝕而脆化，這種結構的長期強度是會有問題的。
?七十年代末期，我國玻璃纖維增強塑料(俗稱玻璃鋼)技術水平有顯著提高，交通部公路科學研究所著手玻璃鋼公路橋梁的研究，于1982年在北京密云建成一座跨徑20.7米、寬9.2米的全玻璃鋼蜂窩箱梁公路橋。設計荷載為汽車-15級，掛車-80。橋梁現場荷載試驗表明，玻璃鋼這類復合材料可以制作承重結構。該橋通車后，出現了橋面下陷和箱梁腹板上方局部壓屈等問題。
筆者曾擔任指導該課題工作的橋梁專業組組長，從充分發揮復合材料重量輕、抗拉強度高和混凝土材料價格便宜、抗壓強度高的優點出發，曾主張開發兩種材料的組合結構，并建議按此思路對試驗橋進行改造。1987年將主體承重結構改為鋼筋混凝土橋面板一玻璃鋼箱梁組合結構后，情況顯著改善，通車迄今已達11年，結構狀況仍良好。實踐表明，發展組合結構體系的構思是正確的。
繼交通部公路科學研究所之后，重慶交通學院也進行了玻璃鋼人行橋的研究，并修建試驗橋多座。安徽省公路管理局和科研所正著手進行復合材料力筋預應力混凝土橋梁的研究。
上述事實說明，我國在應用復合材料建橋方面進行了勇敢的探索，并已取得十分有價值的成果。
五、發展前景和建議?
從二十八年來復合材料在橋梁中應用的情況看，可以認為：
?1.?復合材料在橋梁和承重結構中的應用不僅是可行的，而且具有廣闊的發展前景。橋梁的技術進步總是和建橋材料的技術進步緊密相關的。復合材料所具有輕質、高強和耐腐蝕等特性，是其具有發展前景的基本條件。可以預計，在21世紀，隨著復合材料的大規模生產以及生產成本的下降，其在橋梁領域的應用范圍將逐步擴大。如果說20世紀是以鋼鐵和水泥為主要建橋材料的時代，那么21世紀將有可能成為復合材料逐步取代鋼鐵建橋的時代。
2. 采用復合材料筋束做預應力混凝土橋梁的力筋，或做斜拉橋的拉索(或吊拉組合結構中的部分吊索)，最能發揮其優良特性，應當作為復合材料在橋梁中應用的重點。
3?在舊橋加固領域使用復合材料，所需費用不高，效果卻可觀，是值得首先推廣應用的領域。
4?復合材料在橋梁梁體和柱體(含拱肋)中的應用，宜采用復合材料�混凝土組合結構，以便充分發揮兩種材料的優點，降低成本。北京密云公路橋已有成功先例。美國加利福尼亞大學提出的“先進復合材料斜拉橋系統”，也體現了這種構思。只有超長跨徑的橋梁，對減輕自重有特殊要求，其上部結構可全部采用復合材料，但要對橋面結構做特殊研究。
