纖維增強復(fù)合材料FRP由纖維材料與基體材料構(gòu)成。用于建筑結(jié)構(gòu)時,常用的纖維材料有碳纖維、玻璃纖維,基體材料有環(huán)氧樹脂、乙烯基酯樹脂、不飽和聚酯樹脂。由微觀到宏觀,首先由極細的纖維絲按一定方向排列或編織為板、布等形式,再與基體材料膠結(jié)后形成FRP制品。
修建在德國阿爾布施塔特(Albstadt)的纖維網(wǎng)增強混凝土人行橋(簡稱TRC橋梁),是世界上首座將FRP纖維網(wǎng)作為增強材料的混凝土橋梁。該橋不使用鋼筋,結(jié)構(gòu)厚度薄、重量輕,具有高耐久性。
由于架橋所在地防凍劑導(dǎo)致的鹽害影響較大,為滿足抗鹽害的性能要求,當(dāng)?shù)貨Q定修建TRC橋梁。FRP纖維網(wǎng)具有抗鹽害的性能,混凝土保護層最小可控制為20 mm,以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)纖細的造型和高質(zhì)量的外觀。TRC橋梁具有高密度的混凝土表面,不需要橋面鋪裝層,減少了維修養(yǎng)護,更經(jīng)濟。TRC橋梁比鋼筋混凝土橋梁使用的混凝土量少,大幅減少了CO2的排放量,有利于環(huán)境保護。TRC橋梁的壽命周期成本是鋼筋混凝土橋梁的1/3。
TRC橋梁通常采用抗堿玻璃纖維和碳纖維作為主材料,碳纖維具有非常高的抗拉強度(3000 MPa)。該橋采用數(shù)百根碳纖維束編織成間距38 mm的纖維網(wǎng)。由于碳纖維直徑只有數(shù)微米,纖維間間隙小,混凝土砂漿不能進入碳纖維束內(nèi)部,不能很好地將應(yīng)力傳遞給纖維整體。而進行環(huán)氧樹脂浸漬的纖維網(wǎng),環(huán)氧樹脂浸透到纖維深處,可將應(yīng)力傳遞到所有的纖維上。環(huán)氧樹脂浸漬后的碳纖維束抗拉強度比沒有浸漬的高出2倍以上。環(huán)氧樹脂浸漬固化后的纖維網(wǎng)可保持形狀,方便加工。該橋使用的碳纖維束彈性系數(shù)為2.4×105 MPa,環(huán)氧樹脂浸漬固化后的抗拉強度為3215 MPa。
纖維網(wǎng)網(wǎng)格間距為38 mm,為使其縫隙間充分填充混凝土,使用最大粒徑5mm的骨料制作細粒度且高強度的混凝土。混凝土圓柱體抗壓強度70 MPa,立方體抗壓強度85 MPa,軸心抗壓強度90 MPa,抗彎強度10 MPa。
該橋橋長15.55 m,為U形截面的下承式梁橋,橋面全寬2.94 m,最大梁高1.17 m。主梁橫截面采用兩層碳纖維網(wǎng)。將纖維網(wǎng)制作成片狀和U形,其中,U形纖維網(wǎng)用于橋梁轉(zhuǎn)角位置。該橋不使用鋼筋,彎矩和剪力由纖維網(wǎng)負責(zé)承擔(dān)。
根據(jù)混凝土保護層厚度(20 mm)和纖維網(wǎng)最小彎曲半徑(約8 mm),橋梁構(gòu)件的厚度盡可能薄。因此該橋側(cè)壁厚70 mm,橋面板厚90 mm??紤]到行人和自行車通行以及冬季除雪作業(yè),橋面板上部設(shè)10 mm厚的鋪裝層作為磨耗層。
該橋纖維網(wǎng)的安裝可以在2小時內(nèi)完成?;炷敛捎米悦軐嵒炷粒恍枰駬v,因此可以在幾小時內(nèi)完成澆筑。澆筑后覆膜保護。2天后,工廠預(yù)制的主梁脫模后運至現(xiàn)場,使用2臺輪胎式起重機架設(shè),2小時后就可開放通行。該橋從制作到投入使用只需要幾天時間。
為了驗證該橋的性能,德國亞琛工業(yè)大學(xué)采用全尺寸模型進行荷載試驗,結(jié)果表明,結(jié)構(gòu)是安全的。