复合材料夹层结构：桥梁建设新的里程碑

作者：Django Mathijsen

欢迎访问e展厅 展厅 8 其它工程机械展厅 钢结构工程, ... 复合材料在土木工程中的应用正在快速增长，尤其是在楼梯、楼梯平台、楼梯扶手和栏杆上，这些都得要经受得起腐蚀性环境， 如污水或海水。它们也被用于错综复杂的和具有美感的外墙。纤维增强复合材料（FRP）夹层结构甚至正在寻找使其能变为有力的承重结构的方式，如桥梁和闸门。 复合材料结构所具有的优势（包括一片芯材，其由两个FRP“表面”层包夹） 似乎是显而易见的。相比于钢铁、木材和混凝土，复合材料有较高的强度重量比，并且经久耐用，能承受住更多的元素，从而延长使用寿命和降低维护成本。它们也能够不受限制地实践成型。然而， 复合材料在土木工程中的应用仍然受到一定的阻碍，因为它们的可能性还并非广为人知。 这种情况马上就会有所改变，如果荷兰人有什么要说的话。例如，当Ingenieursbureau 阿姆斯特丹工程公司在荷兰设计横跨阿姆斯特丹- 莱茵运河的新的Uyllander 大桥时，他们不知道有聚合物可以选择。他们想出了一个突破性的解决方案。 一个永久性的模板 阿姆斯特丹- 莱茵运河桥被设计成每隔3.8 米就有一个钢桁架的拱形桥。桁架之间的空间都是用钢筋混凝土填充的。 通常情况下，桥面用的混凝土将被倒入一个木制模板。但木材自身不够坚固，支撑不住湿的混凝土，所以它必须由一个巨大的“脚手架”来支持：一个临时的钢结构。 安装所有的木材和脚手架都是费时的，这会造成延误、高的劳动力成本和交通混乱。因此，建设一座运河的桥梁是一项复杂和危险的工作。在河岸上选定一个工作地点安装模板和脚手架，然后使劲拖着桥– 模板，脚手架，以及其他的到指定的位置，这是不容易的。更不用说模板和脚手架要在混凝土凝固后再予以拆除；这样就在一条运河上悬挂了一座桥梁。 所以Ingenieursbureau Amsterdam 公司对此有一种顿悟：为什么不尝试用复合聚合物夹芯板来制造模板？它们的承受能力大到足以支撑湿的混凝土，且不需要任何的脚手架。而且，复合材料板在抵抗外界因素方面的优势很突出。它们会使桥底部的表面显得很漂亮很光滑。因此，没有必要在混凝土凝固后拆除它们。复合材料板会是一个可行的选择吗？ 层间应力 荷兰韦尔肯丹的Poly Products 公司负责模板的开发和生产工作。这些模板由专门定制的复合材料制成，用于土木工程、工业和休闲娱乐领域。 “有许多设计方面的挑战，”Poly Products 公司的技术总监Ir. Albert 博士说。“这些面板必须是轻量级的——25 千克/ 平方米，这样就可以很容易地安装它们。板材插在钢桁架的边缘上，这些边缘伸出钢板上面的部分不能超过20 毫米。同时每块板材中间部分必须是厚厚的夹层，使其有足够大的硬度。因为当向其浇注850 千克/ 平方米的混凝土时，如果它下陷大于25 毫米，会破坏它的美感，并会造成混凝土的额外消耗。从边缘结构转变成足够强大的夹层结构是一件很棘手的事情。 为了填补桁架之间3.8米宽的缺口， 需要用到带有聚氨酯泡沫芯的真空灌注玻璃纤维增强聚酯板，11~15 米长。最大的问题是在边缘上会产生层间应力。 “ 这些都是层与层之间的应力，”Ten Busschen 解释道。“与木材相比： 在纤维的方向上很强，但得要横向装载它，它也可能会发生分裂。层间应力降低了材料的强度水平，所以你得在设计中防止这些情况的发生。但是，这并不总是可能的。板材边缘上的应力就不可能得到完全阻止。如果我们就这样将复合材料板放在钢桁架上，那么钢表面的不规则性会造成局部应力过大而可能导 致撕裂。我们也通过把橡胶条放进钢桁架来阻止这样的情况发生。这样，我们分散了载荷，从而就能得到一个精确定义的表面，可以把板材置放上去。” Poly Products 公司生产出了预期的复合材料产品样品，用来测试强度和刚度。面板边缘制成的模型（FEM）用来计算应力和变形。最后，五块测试面板都按比例缩小到了1 米×2 米，但配备了那些可怕的凸缘，并在三点弯曲试验中进行了测试。这是最坏的情况，把负载都放置在同一个点。实际的混凝土倒到上表面会分散压力，所以屈曲的可能性较小。测试结果符合他们的理论预测值，所以Poly Products 公司可以开始生产面板了。 在生产过程中，对每个面板都进行了一丝不苟的记录，记录了原材料、室温和真空灌注机的设置，并且检查所有的加强层是否是按照正确的顺序来安装的。 然后将面板运送到建筑工地并安装到依然还在岸上的桥梁上。一旦桥梁放在适当的位置，就会引入钢筋增强材料的使用，再向面板内注入混凝土。这项工作完成于2013 年3 月。 当然，复合材料板要比几块木材更贵一些，但他们省下了这么多的劳动力成本，Ten Busschen 非常肯定这一点， 即复合材料解决方案不仅速度更快，更安全，更美观，而且更便宜。 更多的复合材料桥梁 “我们已经在需要特殊形状之前制造了复合材料桥梁的边缘，”Ten Busschen 说道。“例如桥身匀称的起重桥可以经得起巨大的配重。用其他材料造桥梁也是非常困难的。有了复合材料的平整性，双曲面形状也不再是个问题。我们也已经为复杂形状的桥墩制出了复合材料模板。但我们以前从来没有做过永久性的模板，即：一个在混凝土凝固后仍保留在原地的模板。我们希望该技术能够得到更多的应用。” 那么为什么不做得更好，建造一个完全由复合材料制成的桥梁？ “ 现在已经出现这样的桥梁了，”Ten Busschen 说。“但是，特别是在跨度非常大的条件下使用复合材料，其限制因素不是强度，而是刚度。所以将钢桁架用在主要结构上，并将复合材料用于桥面上是非常明智的做法。否则，你就需要大量的厚夹层来达到所需的刚度。厚厚的夹层包括额外的设计工作，如隔板，以确保外壳牢固地附着在泡沫上。当然了，所有的泡沫都不是免费的。” 这样采用钢桁架和夹层桥面的一个例子是横跨A27 的140 米长的半月形的新交通桥梁，它是荷兰最繁忙的高速公路桥之一。该桥有一个承重复合甲板， 粘在一个定制的钢架上。听起来像是你会在一辆跑车里发现的东西。的确，轻型结构的建筑物整体会以闪电般的速度搭建好。将其从邻近工地移到河上仅仅用了两个晚上：周六和周日晚上，2012 年3 月3 日和4 日。因此，减小了交通混乱程度。但这并不是选择这项突破性的轻型结构的主要原因。 像跑车一样的桥梁 我们需要新的大桥，因为旧的交通桥将要作为一座铁路桥来再度投入运作。 最初，混凝土桥被设计成用七个支撑柱来承重。但那样的话会重达2650 吨。在预定地点的地面6 米处有一个塑料板起着地面水坝的作用，这样传统的钢或深层桩基就不可能支持2650 吨的重量。因此我们需要一个轻质的替代品。 解决的办法是一个钢桁架高架桥采用三个撑柱。建筑师（荷兰吕伐登的irs. Vegter b.i.）已经具有复合材料方面的经验，参与过欧洲第一座复合材料起重桥（2010年，在荷兰的奥斯特沃尔德）的建造。因此，他们提出了复合材料桥面的建议， 其具有在路面钢甲板上的震动阻尼和消音优势。而成本竟然是几乎相同的。 “需要的预期使用寿命越长，复合材料解决方案就会越经济，”作为一般的经验法则，制造商FiberCore Europe 公司的财务总监、主管复合材料桥梁和闸门市场的Michiel Galema 评论说。木材是不二的选择，因为其有100 年的寿命，并且至少有50 年只需要很低的维修费用。 最终的设计包括了仅仅两个钢桁架， 间隔6.5 米， 高5 米， 在底部由GRP 和聚氨酯泡沫夹心桥面连接，在顶部由三角框架连接，以抵抗风力荷载。 “我们不制造传统的夹层，只制造InfraCore®Inside 道路层，”Galema 说，“这使得它们能够承受大流量的交通级别， 并且要能经得起冲击和重复性的负载。” 整个结构大约在400 吨左右（桥面板140 吨和桥架250 吨）。同样的，该结构可以应对所有的交通流量，从行人到最重的重量级别（60 吨）。它有3 赫兹的固有频率，并且遵循人类活动引起的振动规律。 荷兰水道和公共建设工程财政部对此持有怀疑态度，因为之前从未以这种方式使用过复合材料桥面。但最终他们也接受了。 轻质结构允许大量的预制。FiberCore Europe 公司在14 个星期内制造了桥面元件，而建筑公司Hillebrand 制造了钢桁架。在建筑工地上，就在桥梁将要被安放的地方旁边，所有那些预装的东西只需要进行组装就可以了。 道路面板预制在七段上，每段的尺寸为24.5 米×6.2 米（允许制造和运输的最大尺寸）。对于每个部分，层叠放置聚氨酯泡沫和玻璃纤维缠绕面板，然后真空注入树脂。与“传统夹层”的区别是将泡沫和玻璃纤维交替使用，以形成垂直于流量方向的桥梁外壳，这样即使泡沫老化了， 仍可以保证建设的完整性。所有的内部角落都覆盖着连续的缠绕面板，以确保可以抵制长期的高耐冲击性。 还进行了相关测试，以证明应力水平不会造成疲劳。夹层顶部是环氧树脂粘接的路面，底部是凝胶涂层（出于美观的原因考虑）。唯一需要维护的是用水管冲洗，以阻止苔藓的生长，如果有必要，还得修复路面。 为了防止由于热膨胀引起的应力， 选择了纤维组合物，这样夹心层的热膨胀系数将会与钢的相匹配。 在建筑工地，七段短面板连接起来会形成一个刚性板。钢框架和复合材料夹层之间的运动和间隙是不允许的，因为那样的话水分就能进来，从而会造成钢材的腐蚀。因此，将复合材料板插入侧桁架底部的U 形架上。在U 形架的形状和铺板之间的空间注入树脂。随着气温骤降到接近-15℃，这一切都在一顶帐篷内完成，以确保注塑得以在所需的10℃进行。当采取了预防措施时，就可以从顶部往下通过U 形架和夹心层来注入树脂。 一旦全部组装完成，桥梁就会通过SPMT（自推进式模块化推车）运往指定的地方。起重机可以使安装变得更快， 但会有损害地下水坝的危险。 紧邻4.5 米宽的道路有一个凸起的人行道，横卧在那里，就像一个放在用于电缆、管道和排水系统的沟槽上的复合材料盖。 甚至更多的创新 虽然破土动工，A27 高速公路桥并不是FiberCore 公司使用DSM 树脂建成的第一座桥。他们在西欧、美国和中国已经建造了超过150 座复合材料桥，其中包括一座浮在水上的桥和一座可移动的桥。 2012 年3 月10 日， 他们在荷兰实现了另一个有趣的里程碑， 称为“Eendragspolder”： 采用生物复合材料建成的第一座桥。它采用了DSM 的Synolite 7500-N-1，一种高强度的结构树脂，该树脂50%是基于可再生原料（玉米）的。为了方便真空灌注和抵抗阴雨天气，该材料是特意为桥梁开发的，而且目前正在被评估用于建筑和基础设施领域的其他应用。 费嫩达尔的非织造布专家Lantor 正在开发一种柔软的无纺布用于除冰，这种无纺布可以很容易地用聚酯和环氧树脂层叠而成。 “我们给非纺织品添加了一种类似导电性添加剂的碳纤维，”Lantor 复合材料部的产品经理Reinier Jansen 说，“一旦它被层叠，它就会保持电阻性，当你给其通电后就会产生热量。” 他们是怎么想出来的？ “我们已经把导电性添加剂应用于电力电缆行业的工作。高压电缆的不同层是由不导电的、半导电的和完全导电的无纺布分离开的。” 创新之处就是利用那些非纺织品来产生热量。 “为了让无纺布适合于复合材料， 用相当活泼的环氧树脂和聚酯对其进行浸渍处理，”Jansen 补充说，“我们可以在低电压下（低于100V）工作，也可以工作在高电压（230V）下。而且我们可以达到约2 千瓦/ 平方米。” 现在对于小规模的应用如环氧树脂管，应该是够用了（这是最初的设想）。它可以在100℃以上的温度固化连接管道的环氧胶粘剂。2014 年Lantor 将会供应更大规模的版本，这是为荷兰一家制造复合材料边界元素，美化桥梁的Utec 公司研发的。该材料可以用于除冰， 避免那些雪堆积在同一个地方整块掉下来。它可能也适合于复合材料道路桥面， 能够阻止（透明）薄冰的产生。 如何进行宣传 所有这些例子都说明了把复合材料引入桥梁建设的令人振奋的新的可能性。不幸的是，其应用仍然受到阻碍， 因为土木工程领域的很多人还不太了解这些。 “在欧洲和世界其他地区这是千真万确的，”Galema 评论说，“但在荷兰， 复合材料桥现在已经完全被人们接受了。我认为拥有超过十座以上复合材料桥的国家并不多。在荷兰，我们有200 座...... 并且在继续增长。” 那么，为什么欧洲其他国家在接受复合材料桥梁方面会落后？ 据Ten Busschen，也就是VKCN（荷兰塑料复合材料协会）的主席所说，目前欧洲标准有很多事情要做：“纤维增强类的聚合物已经有点错失了这些标准的良机。在特定领域，如航空、风力螺旋桨、油箱和管道领域，复合材料具有许多设计规范。但在一般意义上，特别是在土木工程领域，没有欧洲标准，而木材、混凝土、钢、铝，甚至砖和砂浆都会有欧洲标准。” 因此，荷兰复合材料行业的VKCN 和工程公司， 如皇家哈斯康宁集团（Royal Haskoning）主动去获取官方的欧洲标准。目前在荷兰，企业加工土木工程聚合物使用的是写于2004 年的行业建议：CUR 建议第96 条“建筑和土木工程承重结构中的纤维增强聚合物”。当时是想以此作为欧洲标准的基础。 因此，该建议在修订和更新后，进入欧洲标准，然后被翻译成了英文。现在荷兰技术标准化研究所NEN 正在将这些建议引入欧洲标准化委员会。 该CUR建议含有质量控制的程序， 所以像原材料、树脂混合、层的设置和加工条件在设计中就已经有详细的规定了。它也规定了材料的性能和使用安全系数。因此，它提供了使用特定项目的材料特性而不是标准属性这样的选择。 这意味着你如果对在项目中即将使用的实际复合材料和结构进行测试（如本文所介绍的桥梁），你可以采用较小的安全系数，从而带来更轻、更便宜的设计。 “在CUR 版本中，该标准的安全系数已经进行了更新，以防止不必要的高的安全系数，”Ten Busschen 补充道。 当复合材料仍然是新颖和奇特的材料时，最初这些安全系数必须是很高的。现在，复合材料已经在如此众多的项目和产品中证明了自己，它们的安全系数可以降下来了。 “英国、德国和意大利的人们也正在积极制定欧洲标准”Busschen 说，“但我认为修订后的CUR 建议是最全面、最具体的文件。一旦我们有了欧洲标准， 复合材料将拥有与其他建筑材料一样更为平等的地位。”(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (3/24/2014)