美国玻璃钢研究技术在桥梁建造中应用

   过去六年中，根据交通运输平等法（Transportation Equity Act）, 通过对创新型桥梁的研究及玻璃钢在建筑物项目中的实际应用，已成功证明了玻璃钢在桥梁应用中的巨大潜力。美国联邦公路管理局（FHWA）已为遍布美国的120个项目工程提供资金，但前提是，这些项目必须都以环保和服务为宗旨。本论文论述了使用玻璃钢建造桥面、胶接修复、增强功效以及预应力的一些应用案例。因为需要维修及改进的现存桥梁数量较多，所以本文重点论述了胶接修复以及增强功效。同时，本文还重点研究了美国联邦公路管理局所做出的一些举措，并将继续推动这些创新型材料在将来的发展。本文还对设计规范、指导方针、测试标准方面等的发展趋势进行了描述。21世纪，国家公路系统的重建以及老化的基础设施为玻璃钢复合材料提供了一个巨大的市场机遇。

    公路基础设施将继续面临巨大的挑战，诸如日益增长的需求、大型卡车，试图维持老化及快速恶化的公路桥梁方面。我们进入了一个新的千禧年，我们的策略重点应放在如何使用新型高性能结构材料、创新型设计，来建造更多经久耐用、坚固的建筑物结构。因为只有这样，我们才能在避免桥梁曲线恶化方面，保持领先优势。

纤维增强聚合物复合材料面临的挑战

    在众多新兴材料中，玻璃钢脱颖而出，已有很多实例证明玻璃纤维增强聚合物复合材料技术可应用于桥梁建造领域。过去的25年中，美国联邦公路局一直在研究纤维增强聚合物复合材料的性能。先进纤维增强聚合物复合材料技术在航天隐形飞机以及商业领域中发展较快，工程师们希望将此先进技术用于创新建筑物结构设计及应用领域。人们已经发现复合材料元素或系统特性可被剪裁设计，以符合所期望的规范要求。具有高度耐腐蚀及良好的抗疲劳性能的复合材料已打入民用基础设施应用领域中。在当今结构工程应用材料排行榜中，具有卓越性能的复合材料名列前茅。

    过去六年期间，IBRC项目为桥梁设计及建筑业中具有高性能材料及理念的246项提案项目提供了资金。在以上提案项目的应用方面，有127项提案中的建筑结构使用玻璃钢建材。一些提案项目已证明玻璃钢复合材料建材在不同环境中的稳定性，这些提案项目散布于几个州，目前获得的信息将会传播开来。

    本论文不仅论述了使用玻璃钢复合材料的不同方法，还列出了玻璃钢复合材料的特性、优点、缺点以及市场机遇。在文章最后，在如何扩大玻璃钢复合材料在工程一般领域中的应用方面，本文作者提供了一些建议。本论文论述的目的旨在说明，玻璃钢复合材料在桥梁建造中的应用领域可分为以下四组：带有面板的新桥梁建造领域、使用杂化材料的新桥梁建造领域、桥梁加固和/或修复领域、抗地震柱修复领域。

带有面板的新桥梁建造领域

     600,000座桥梁中，约30%的桥梁被划分到功能已废弃或结构上存在缺陷类别中。但这并不意味着这些存在缺陷的桥梁就不安全，此分类只是行政部门为了指明这些桥梁需要维修，或需花大力气翻修才能恢复原貌或原载重量而列出的类别。许多桥梁具有使用混凝土顶板支撑的混凝土或钢梁建造的上部结构。一般混凝土桥板的使用期限为25-40年。

    玻璃钢复合材料板的优点是重量轻、高强度、高性能、耐化学性、抗腐蚀、易于安装、便于处理、产品运输快捷。玻璃钢复合材料重量轻（88-171kg/m, 无磨损面覆盖层），从而减少了上部结构重量及基础要求。在地震高发地带，建材重量越轻越受欢迎。尽管复合材料具有高拉伸强度，目前，桥面板设计却受硬度要求的限制。玻璃钢复合材料的劲度模量大约相当于钢的五分之一。高模或超高模碳材料除外，典型的碳纤维的劲度模量比结构钢略微要高一些。

    玻璃钢板的另外一个重要特征是在作业现场安装时间较短。减少工作高峰期的交通堵塞及提高安全性，玻璃钢桥梁在周末相对较短的时间内就可安装完毕，这一点越来越受到人们青睐。以前安装使用传统建材建造的桥梁时，由于安装速度较慢，桥梁负责人不得不为延长工期支付费用。本文作者预测从现在起未来10年内，人们将不会再容忍常规施工区域完工期延迟较长时间的现象。

    玻璃钢复合材料用于桥面生产中仍存在一些挑战。玻璃钢板系统的设计需要有限元分析。由于玻璃钢重量较轻，从空气动力学角度来分析，可导致上部结构不稳定性，尤其是跨度较长的结构。 与任何其它新型创新产品一样，作为一种各向异性材料，当为每个特定系统建立了比较完善的数据库时，需要对复合材料各组分材料及组织进行验证及测试。根据板材面板的构造形式、坚固性以及质量不同而进行调整。对安装现场来讲，连接及其它一些施工细节有待进一步测试、完善发展。设计巧妙及易于安装的胶接薄层可提高交通牵引力，延长面板的使用寿命。交通连杆连接设计应符合耐撞要求，且要进行耐撞测试。无损检测/评估设备应安装面板较隐蔽的部件上，以便于对玻璃钢性能进行短期、长期检测，同时也便于检测维护情况。不应将玻璃钢复合材料的不足之处视为阻碍因素。恰恰相反，工程协会及业界应将玻璃钢不足之处视为一种发展潜力。因为建筑工程师已了解到关于复合材料的许多特性，随着将来研究的进一步深入、设计不断完善、正确的使用，这些存在的问题将会得到逐步解决。

    美国联邦公路局希望推广玻璃钢复合材料应用领域，从在板面领域扩大到一般领域中的广泛应用。美国联邦公路局正携手AASHTO技术委员会制定测试和验收板面系统的指导规范。此指导规范将包括建立以下方面要求的测试标准和协议：硬度要求、连接及接头、制造变更及可接受的缺陷。该指导规范旨在制定性能规范标准，因此，桥梁生产商在使用复合材料时就有据可依了。此指导规范已经完成，草本文件已经过同业相关人士的审查评估。2004年年初最终稿提交至AASHTO技术委员会，进行进一步审核。