Joris Smits

Department of Architectural Engineering and Technology, Faculty of Architecture and the Built Environment, Delft University of Technology, Delft 2628 BL, the Netherlands

Research Bridge Engineering—Review

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料應(yīng)用于荷蘭橋梁設(shè)計：面臨創(chuàng)新性、可持續(xù)性和耐久性的建筑挑戰(zhàn)

Joris Smits

Department of Architectural Engineering and Technology, Faculty of Architecture and the Built Environment, Delft University of Technology, Delft 2628 BL, the Netherlands

a r t i c l e i n f o

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Received 18 May 2016

Revised 22 September 2016

Accepted 17 October 2016

Available online 24 November 2016

建筑

結(jié)構(gòu)設(shè)計

橋梁設(shè)計

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)

生物復(fù)合材料

柔性成型系統(tǒng)

單殼體結(jié)構(gòu)

本文綜述了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)在荷蘭橋梁的建筑性與結(jié)構(gòu)性設(shè)計方面的應(yīng)用，討論了這種相對較新的材料給建筑師和工程師帶來的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。本文涵蓋了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的最新結(jié)構(gòu)處理方案，以及對于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在建筑方面應(yīng)用的討論，這些應(yīng)用來源于筆者與其他科研人員在建筑上的實(shí)踐。

? 2016 THE AUTHORS. Published by Elsevier LTD on behalf of Chinese Academy of Engineering and Higher Education Press Limited Company. This is an open access article under the CC BY-NC-ND license

(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

1.引言

盡管建筑行業(yè)的發(fā)展往往比其他行業(yè)諸如汽車或航空航天工業(yè)更為保守，但在荷蘭，創(chuàng)新性材料和新技術(shù)不斷應(yīng)用于橋梁建設(shè)。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)是橋梁設(shè)計中非常有發(fā)展前途的新材料之一。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是由纖維增強(qiáng)聚合物基體所組成的復(fù)合材料。這些纖維包括玻璃纖維、碳纖維、陶瓷纖維、芳綸纖維、紙纖維、木纖維以及植物纖維。而聚合物通常為環(huán)氧樹脂、乙烯基酯或聚酯熱固性塑料。纖維和聚合物基體表現(xiàn)出不同的物理和化學(xué)性質(zhì)，兩者相結(jié)合可以形成一種堅(jiān)固和剛性的復(fù)合材料。

自從1995年第一座纖維增強(qiáng)復(fù)合材料人行橋于哈靈根(Harlingen)建成以來，荷蘭對于這一新材料在橋梁設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用體現(xiàn)出愈加濃厚的興趣，從而使纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的橋梁數(shù)量顯著增加。本文所討論的橋梁的例子表明纖維增強(qiáng)復(fù)合材料可用于橋梁主要的承重結(jié)構(gòu)，如模塊化的邊緣部件和橋面系統(tǒng)。雖然在荷蘭的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料橋梁設(shè)計的初始研究中，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料主要應(yīng)用于直接承重板，但本文將指出這種材料也能提升橋梁外觀的美觀度。

荷蘭的公路、鐵路和水路較為密集。因此，這個國家擁有較多數(shù)量的交通橋和人行橋也不足為奇了，而大部分的橋梁是在第二次世界大戰(zhàn)之后建造的[1]。自第二次世界大戰(zhàn)以來，荷蘭的交通強(qiáng)度已經(jīng)增長了10倍，而設(shè)計規(guī)范和法規(guī)也越來越嚴(yán)格，尤其是在材料損耗、力學(xué)和疲勞方面。因此第二次世界大戰(zhàn)以后大量的橋梁由于技術(shù)上的原因遭淘汰。由于經(jīng)濟(jì)的衰退，政府已經(jīng)被迫縮減開支，并且置換橋梁花費(fèi)成本較高，因此橋梁維護(hù)方面幾乎沒有預(yù)算成本[2]。

建設(shè)新的橋梁時，無論是從工程參數(shù)的合理性還是文化和美學(xué)方面考慮，都會出現(xiàn)諸如混凝土和鋼材等傳統(tǒng)材料是否仍適用的問題。因而，一些新的材料開始應(yīng)用于橋梁設(shè)計領(lǐng)域，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料則是其中一種。

雖然在過去的20年里，荷蘭已經(jīng)建造了大量使用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的橋梁，但顯而易見，只有少數(shù)橋梁的設(shè)計考慮了美學(xué)上的問題。這些設(shè)計大多非常簡單，擁有龐大的橋梁結(jié)構(gòu)，但這反而不能體現(xiàn)出使用一種新型材料的情況。這些橋梁僅可看做水面上的平板；只有少數(shù)橋梁考慮到了美學(xué)因素，而新材料只被用于模仿傳統(tǒng)材料的作用，如木材(作為護(hù)墻或橋面)或鋼材。這種情況類似于第一座鐵橋設(shè)計，該設(shè)計直接以鋼鐵取代傳統(tǒng)的木材進(jìn)行連接。

為了解釋纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在橋梁設(shè)計中所產(chǎn)生的影響，首先要確定如何使用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料來改變橋梁的外觀，以及纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的何種形狀和構(gòu)造能夠在橋梁設(shè)計中被充分應(yīng)用。本文的目的是開創(chuàng)一種能夠使設(shè)計師、建筑師和工程師進(jìn)一步進(jìn)行纖維增強(qiáng)復(fù)合材料橋梁設(shè)計的方法，不僅因務(wù)實(shí)的工程選擇而使用這種新材料，而且還處理因?yàn)槭褂枚鴰淼奶魬?zhàn)。

為了了解這種材料能夠做什么，首先需要知道它是什么。因此，第二部分探討了工程師如何得到新型纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，包括不同類型和生產(chǎn)方法。第二部分討論并評估這些方法的美學(xué)價值。而在第三部分通過評估筆者的工作和其他科研開創(chuàng)者的工作，提出了在美學(xué)改善方面所面臨的不同機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

2. FRP工程解決方案

回顧纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的發(fā)展歷程，工程師先于建筑師嘗試這種新材料。在建筑師使用這種材料前，航空航天、海運(yùn)和汽車工業(yè)領(lǐng)域最先使用這些材料。早在1940年，亨利·福特(Henry Ford)以大麻纖維和樹脂制造了一個開創(chuàng)性的復(fù)合汽車，其宣傳標(biāo)語為 “十倍強(qiáng)鋼”(圖1和圖2)。塑料材料也開始吸引其他行業(yè)的注意，包括產(chǎn)品設(shè)計、建筑學(xué)以及建筑工程。建筑學(xué)的實(shí)踐發(fā)現(xiàn)了新材料生產(chǎn)成型技術(shù)的潛能，如未來系統(tǒng)建筑師項(xiàng)目(Future Systems Architects)，并且基于此類實(shí)踐開發(fā)了未來纖維增強(qiáng)復(fù)合材料房屋及結(jié)構(gòu)。然而，對于橋梁設(shè)計而言，早期的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料設(shè)計未能考慮材料的美學(xué)價值。

圖1. 亨利·福特(Henry Ford)展示以大麻纖維和樹脂制造的汽車的強(qiáng)度(Ford, 1940)。

受橋梁維護(hù)和耐久性問題的驅(qū)動，橋梁工程師在尋求傳統(tǒng)建筑材料的替代品時發(fā)現(xiàn)，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料常常具有相對良好的性能(表1)。它們突出的優(yōu)點(diǎn)之一是密度低而導(dǎo)致質(zhì)量較小。筆者實(shí)踐中的比較案例研究表明，在具有相同性能的情況下，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料復(fù)合橋梁的平均重量約是鋼橋的一半；并且混凝土橋梁的重量是具有相同性能纖維增強(qiáng)復(fù)合材料橋梁的五倍。重量方面的好處是可以減少在運(yùn)輸、吊裝、裝配、支撐結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)備方面的能源消耗和成本?？紤]到原材料有限及其碳排放方面的因素，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的橋梁往往是一個理性的選擇。這類材料不僅在耐用性方面有顯著優(yōu)勢，而且表現(xiàn)出高耐腐蝕性，因此，其維護(hù)成本低。

2.1. 手工疊層的應(yīng)用：哈靈根的人行橋

1995年12月，荷蘭基礎(chǔ)設(shè)施與環(huán)境部(Rijkswaterstaat)在荷蘭建成一座完全由纖維增強(qiáng)復(fù)合材料構(gòu)成的人行橋(圖3)。兩年后，該橋正式在哈靈根的海港開放并投入使用。其重量僅是傳統(tǒng)鋼鐵材質(zhì)橋梁重量的一半，造價是傳統(tǒng)橋梁的兩倍，另外，由于其U型梁理念與高承重女兒墻相結(jié)合的設(shè)計特點(diǎn)，該橋的跨高比(L/D)僅是傳統(tǒng)橋梁的一半。手工疊層，或稱手工涂層復(fù)合工藝，是一種應(yīng)用廣泛的制作復(fù)合材料零件的傳統(tǒng)技術(shù)。該技術(shù)通過反復(fù)堆涂樹脂與纖維涂層形成增強(qiáng)體，并最終制得復(fù)合材料零件。這是一項(xiàng)簡單但勞動密集型的手工作業(yè)，即使零件質(zhì)量與操作技工的技術(shù)水平直接相關(guān)，且保障了基于該材料的后續(xù)設(shè)計的靈活性，但由于人工作業(yè)的限制，加工的成品無法滿足高纖維體積比要求。

圖2. 航空航天、海運(yùn)、汽車和體育行業(yè)等工程領(lǐng)域中纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的使用情況。

表1 與鋼和鋁材料相比的FRP材料的性能a

圖3. 荷蘭哈靈根市的人行橋(Poly，1997年攝)。

2.2.拉擠型材的裝配

另一個在許多橋梁中得到應(yīng)用的解決方法是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料拉擠型材的使用。拉擠成型是一種連續(xù)自動化的生產(chǎn)工藝，可用以生產(chǎn)大量相同的零件。該工藝保證了相同質(zhì)量條件下相對較低的生產(chǎn)成本。截面形狀復(fù)雜、纖維含量高等高要求的產(chǎn)品生產(chǎn)目標(biāo)均可通過該自動化生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)。將待加工的零件在車間進(jìn)行樹脂浸浴，而后迅速將其通過加熱的模具。模具沿加強(qiáng)件的延伸方向?qū)⑵淝邢鞒尚?，整根型材的樹脂完全固化后，它將被切割成特定長度的零件待用。

由于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料采用具有恒定截面的寬范圍實(shí)心和中空相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，故可被應(yīng)用于橋梁、橋面、光柵系統(tǒng)及欄桿處。該材料的優(yōu)異機(jī)械性能往往在軸向得以體現(xiàn)。為了使材料具有一定程度的雙向性，可以將機(jī)織物或纖維墊送入模具以集成在層壓復(fù)合板中，但盡管如此，其橫向性能仍具有一定的局限性[3]。

在細(xì)節(jié)方面，由拉擠型材零件組建的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料橋梁與鋼橋十分相似。直型型材與拉擠板材相得益彰，被組裝成桁架、拱門、塔架或U型梁(圖4)。拉擠型材應(yīng)用的關(guān)鍵是銜接組裝技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。因?yàn)槔w維材料的壓合在型材延展方向上往往是單向的，所以在銜接處極易斷裂，在現(xiàn)有工藝中，人們常用螺栓和加固板來將其固定。

2.3.橋面

橋面通常是人行橋和交通橋最不耐用的部分。初期施工不當(dāng)、合理維護(hù)保養(yǎng)的欠缺、不理想的環(huán)境條件等是橋面使用壽命降低的最主要原因。在荷蘭，除去漆涂費(fèi)用，橋面的維修與更換費(fèi)用占每年橋梁維護(hù)成本的75%～90%[4]。除了用以替代腐朽磨損的鋼鐵或混凝土橋面，復(fù)合材料還可被應(yīng)用于加寬現(xiàn)有橋結(jié)構(gòu)，并且不會明顯增加橋墩和橋臺的靜負(fù)荷(圖5)。

2.4.承重均勻的橋面

如前文所述，過去10年中，荷蘭見證了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在步行及非機(jī)動車橋梁領(lǐng)域的應(yīng)用與推廣。與此同時，人們使用另一種高效的技術(shù)建造了大量的復(fù)合材料橋梁。該類橋梁由空心FRP板材鋪就，橋面上安裝有鋼質(zhì)欄桿。該生產(chǎn)流程包含了一系列被平行放置且包裹在機(jī)織物中的非承重核心部件，加強(qiáng)件在核心部件的水平面方向上穿過腹板和相鄰的核心部件面層持續(xù)延伸。隨后內(nèi)核與加強(qiáng)件被固定在可變形模板上(圖6)，并由柔性袋密封。然后通過真空技術(shù)將樹脂吸入復(fù)材壓層板中。該真空裝置包含一個位于模具輸出端的真空泵。真空泵從位于模具輸入端的儲存器中抽取樹脂。經(jīng)過上述先進(jìn)設(shè)備的加工，加強(qiáng)件成品的腹板和翼緣厚度可達(dá)幾十厘米，其纖維含量亦可達(dá)70%。盡管輕質(zhì)的核心部件在最終產(chǎn)品中沒有起到結(jié)構(gòu)方面的作用，但在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中它所發(fā)揮的模具作用無可替代，在加強(qiáng)件成品加工完成后，它仍被密封其中[5]。然而，通常情況下這種由泡沫材料制得的核心部件強(qiáng)度極大，足以抵抗在樹脂抽入過程中由真空造成的壓力。

圖4. 采用拉擠型材并進(jìn)行材料替換的橋梁結(jié)構(gòu)(Fiberline，2013)。(a)瑞士，蓬特雷西納；(b)西班牙，萊里達(dá)；(c)丹麥，科靈。

圖5. 由拉擠工藝制得的橋面板(美國運(yùn)輸研究委員會，2006)。

圖6. 一個擁有長寬可調(diào)整拱形面板的模具系統(tǒng)。

盡管這類橋梁建筑風(fēng)格極簡，并且受到女兒墻設(shè)計的限制，但其較低的跨高比以及女兒墻與承重結(jié)構(gòu)的分離設(shè)計，使得該類橋梁與用上述方法制造的橋梁相比具有更加精巧的外觀(圖7)。

3.建筑師面臨的挑戰(zhàn)

上一部分回顧了在過去20年中，工程師們開發(fā)、應(yīng)用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的歷程。然而，本文開篇所提出的問題仍舊未得到回答：建筑師們在應(yīng)用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料設(shè)計橋梁時，將采用哪些建筑手段？又將面臨哪些挑戰(zhàn)？為了回答這個問題，本節(jié)將回顧一系列纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在橋梁設(shè)計中的應(yīng)用案例，其中涉及的實(shí)踐經(jīng)歷與學(xué)術(shù)研究項(xiàng)目，均是筆者在過去10年中親身經(jīng)歷的。

3.1. 模塊化的橋面邊緣部件

邊緣部件在很大程度上決定了橋梁的外觀，因?yàn)閺南噜彽奶锏鼗蚝舆叄皇菑臉蛄荷戏降慕嵌瓤?，所感知和欣賞到的是其立面的結(jié)構(gòu)設(shè)計。最佳情況下在橋梁上駕駛能有一個很好的視角，但從這個角度可以看到的僅僅是橋梁本身的瀝青、護(hù)欄和女兒墻。因此，將纖維增強(qiáng)復(fù)合材料用于生產(chǎn)邊緣部件將顯著地擴(kuò)展設(shè)計潛力。因?yàn)槔w維增強(qiáng)復(fù)合材料提供了比其他常規(guī)材料(如鋼)更大的自由度，所以可以在具有高度拋光表面的材料上實(shí)現(xiàn)曲面和光滑邊界。

除了可設(shè)計性，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料邊緣部件解決了耐久性差的問題。在使用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料之前，邊緣部件或由具有錐形端部的實(shí)體混凝土制成，或被制成中空鋼梁。雖然后者為管道和電纜提供了一個寬闊的、可檢查的空間，但一直存在耐久性差的問題。鋼梁由于水分冷凝而傾向于從內(nèi)部腐蝕，而真菌和苔蘚則在混凝土部件的表面上生長。

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料邊緣部件的細(xì)節(jié)設(shè)計和裝配也是具有優(yōu)勢的。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的邊緣部件結(jié)合末端邊緣使用向內(nèi)定向的翼緣進(jìn)行制造。這不僅在邊緣處形成了精細(xì)而平滑的端部，而且在裝配期間公差也較小。橋梁面板被放置在二級結(jié)構(gòu)上之后，從一個角度觀察連接情況，可以看出相同的材料與混凝土相互融合而不是留下間隙。

通常，厚度為60 mm、半徑為10 mm的翼緣就足以掩蓋較小的缺陷。在設(shè)計者忽略指定這些翼緣的情況下，結(jié)果可能是不理想的，如圖8和圖9(a)所示的瓦德波爾德跨線橋的面板。這些面板之間的垂直間隙是可見的，實(shí)際上不可能調(diào)節(jié)所有面板之間的間距，來實(shí)現(xiàn)等寬。然而，由于肉眼只能在近距離觀察中發(fā)現(xiàn)面板陣列中一些面板和扭結(jié)之間的寬間隙，所以高架橋在一定距離處具有連續(xù)的線性外觀。

圖7. 旨在建造一體化橋梁結(jié)構(gòu)的工程專利技術(shù)(Peeters，2011)。

圖8. (a)安裝和(b)瓦德波爾德跨線橋中邊緣部件的最終裝配。

荷蘭贊斯塔德的朱莉安娜女王橋的細(xì)長側(cè)邊體現(xiàn)出將纖維增強(qiáng)復(fù)合材料應(yīng)用于橋面板邊緣部件設(shè)計的優(yōu)點(diǎn)，如圖9(b)所示。該橋梁高度拋光和光滑的邊緣面板具有一個彎曲的、錐形的橫截面，由連接到混凝土橋面的900 mm懸臂所組成。橋梁的女兒墻以允許拆卸用于檢查和維護(hù)(如電纜更換)的方式集成在模塊化部件中。橋梁面板之間的接縫十分精細(xì)，其內(nèi)部翼緣的厚度為60 mm，這不僅彌補(bǔ)了裝配公差，也避免了部件之間可見的暗間隙。在荷蘭，其他纖維增強(qiáng)復(fù)合材料邊緣部件的工程應(yīng)用包括阿爾克馬爾的納爾遜?曼德拉橋(2016年2月建成)、里森威爾登(Rijssen Wierden)的野生動物橫道和行人隧道[圖9(c)、(d)]，及史基浦機(jī)場附近的高速公路N201高架橋，如圖10所示。

高速公路N201高架橋的設(shè)計證明，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料邊緣部件的可行性不僅僅體現(xiàn)在形狀、顏色和質(zhì)地方面。在這個項(xiàng)目中，引入了通過在復(fù)合材料板上部安裝燈具來使建筑物在夜間閃耀的理念。為了實(shí)現(xiàn)期望的效果，將半透明纖維增強(qiáng)復(fù)合材料與蜂窩芯一起使用，這實(shí)現(xiàn)了光在一定厚度內(nèi)和在橋梁面板表面上透射，并且讓橋梁面板達(dá)到足夠的剛度。在橋梁的邊緣面板上部安裝紅色的亮燈，當(dāng)接近高速公路時，最終會呈現(xiàn)出線性發(fā)光效果。

3.2.單殼體結(jié)構(gòu)

隨著由纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制成的整個承重結(jié)構(gòu)的建立，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在建筑中的應(yīng)用不限于模塊化橋梁的部件。受到單殼體橋面的啟發(fā)，這種結(jié)構(gòu)試驗(yàn)了由纖維增強(qiáng)復(fù)合材料提供的設(shè)計潛力。單殼體是具有承載外殼的結(jié)構(gòu)，與甲殼類動物相當(dāng)(圖11)。這種結(jié)構(gòu)的橫截面外部區(qū)域能夠有效地聚合材料，從而有利于實(shí)現(xiàn)長柱狀。從維護(hù)和美學(xué)的角度來看，橋梁的下側(cè)平滑封閉，富有優(yōu)勢。污垢不會積聚在突出的翼緣上，從而避免了鳥巢建在該結(jié)構(gòu)下。

生產(chǎn)具有雙曲率的單殼體橋梁是一個具有挑戰(zhàn)性的過程(圖12和圖13)。為了獲得一個平滑且易于維護(hù)的表面，需要使用模具。由于形狀特殊需要獨(dú)特的模具，因此模具制造成本高昂。通過采用簡單的平?？梢杂行У販p少模具成本。生產(chǎn)方法對于最終結(jié)果也是至關(guān)重要的。一種方法是使用單模真空注射，通過該模具將橋倒置生產(chǎn)，那么真空箔和纖維的紋理就會暴露在橋梁下面——類似于內(nèi)部具有凹凸表面的老式獨(dú)木舟。使用雙模具或研磨和拋光處理后可以克服這個弊端。另一種方法是手工疊層，其中層壓材料圍繞特殊設(shè)計的心墻表面構(gòu)建，將其包封在最終結(jié)構(gòu)中。盡管該手動過程有更多的設(shè)計空間，但是由于其纖維體積比低，需要更多的樹脂和厚殼結(jié)構(gòu)，因此不是最佳的材料使用方法。在手工層壓的情況下，僅通過大量的研磨、涂裝和拋光就可以獲得光滑的表面。

圖9. 荷蘭部分具有纖維增強(qiáng)復(fù)合材料邊緣部件的項(xiàng)目。(a)哈勒姆的瓦德波爾德跨線橋；(b)贊斯塔德的朱莉安娜女王橋上的邊緣部件；(c，d)里森威爾登的野生動物橫道和行人隧道(荷蘭Royal Haskoning DHV集團(tuán)，2007，2013，2013)。

3.3. 折紙結(jié)構(gòu)和殼體結(jié)構(gòu)

承重纖維增強(qiáng)復(fù)合材料也可以被設(shè)計成殼體結(jié)構(gòu)或三維折疊形狀，使其在結(jié)構(gòu)上受益于這些結(jié)構(gòu)具有的內(nèi)在剛度。對于折疊相對平坦的部件，如纖維增強(qiáng)復(fù)合材料夾芯板，被折疊成三維形狀后可以顯著增加結(jié)構(gòu)剛度。U型梁結(jié)構(gòu)可以由不同的最簡折疊結(jié)構(gòu)組成，但更為復(fù)雜的折疊設(shè)計靈感則有可能源自折紙結(jié)構(gòu)(圖14 和圖15)。但是折疊結(jié)構(gòu)也具有明顯缺陷，其自身帶有褶皺以及材料內(nèi)部應(yīng)力不能通過軸向力單一作用。褶皺意味著需要額外的材料，在拐角處具有倒圓的棱邊最佳，彎曲度的概念由此被引入。

與折疊式策略正好相反，殼體結(jié)構(gòu)在對材料的利用上更充分。在這些情況下，由于結(jié)構(gòu)剛度源于三維曲率，橋面本身可以相當(dāng)薄(圖16 和圖17)。筆者與英國FiberCore公司合作設(shè)計的模塊化的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料人行橋(圖18)，就是一個很好的殼體結(jié)構(gòu)例子。橋面橫截面曲線上凸，形成部分橋面護(hù)欄。隨著彎曲度向中間增加，橋面的高度也在增加。

3.4.智能模板

圖10. 高速公路N201高架橋面板上安裝的紅色亮燈。

圖11. 龍蝦螯——一個自然界中單殼體結(jié)構(gòu)的例子。

圖12. 哈爾德韋克的蜻蜓人行橋(荷蘭Royal Haskoning DHV集團(tuán)，2014)。

在實(shí)現(xiàn)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的復(fù)雜三維幾何圖形過程中，最重要的決定因素之一是模板費(fèi)用。對大規(guī)模生產(chǎn)來說，相同部件的批量化生產(chǎn)可以實(shí)現(xiàn)，橋面邊緣部件的處理也已在3.1節(jié)討論過，規(guī)模生產(chǎn)費(fèi)用在可承受范圍內(nèi)。然而，當(dāng)每個部件都不同，要求其三維結(jié)構(gòu)變化時，采用單一特定的模具解決方法就會很昂貴。一些研究人員正在研究智能靈活型模板和嘗試新的成型系統(tǒng)，以便有效解決幾何改建問題。研究出的混凝土結(jié)構(gòu)(圖19) [6,7]的鑄塑軟模具和弧形玻璃窗格 (圖20)[8] 可調(diào)型模板，可以很好地調(diào)整和應(yīng)用到纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中，最終可以讓建筑師有更多的設(shè)計可能性且形式自由。

3.5.生物復(fù)合材料

目前在實(shí)踐中，建筑師和客戶對可持續(xù)性的關(guān)注愈發(fā)強(qiáng)烈。雖然最近荷蘭方面的相關(guān)研究證明，與用鋼材、混凝土等傳統(tǒng)建筑材料建造人行橋相比，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料天橋在控制碳排放方面要表現(xiàn)得更好，但該材料的主要成分仍然來自不可再生資源。在結(jié)構(gòu)應(yīng)用中的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，通常是由石油基樹脂玻璃和碳材料等人造纖維組成。

圖13. 卡特韋克的便于行人和自行車跨越萊茵河的單殼體纖維增強(qiáng)復(fù)合材料吊橋(荷蘭Royal Haskoning DHV集團(tuán)，2014)。(a)橋梁面板橫截面(單位：mm)；(b)藝術(shù)家印象。

圖14. 自然界中的折紙結(jié)構(gòu)例子——樹葉。

圖15. 折紙結(jié)構(gòu)橋梁(荷蘭代爾夫特理工大學(xué))。

圖16. 輕韌的對蝦殼結(jié)構(gòu)。

圖17. 品客薯片和油炸馬鈴薯片的優(yōu)化剛度。

圖18. 代爾夫特設(shè)計的行人和自行車組合橋(荷蘭Royal Haskoning DHV集團(tuán)，英國FiberCore公司，2008)。

近年來在環(huán)保意識的推動下，基于可再生的原材料已經(jīng)進(jìn)入合成工業(yè)，在各種產(chǎn)品中得到應(yīng)用。天然纖維已成功地取代人造纖維，并且各種新類型的基于天然物質(zhì)的樹脂已被引入市場，旨在減少對環(huán)境的影響和生產(chǎn)纖維的能耗。雖然生物復(fù)合材料已經(jīng)被其他一些行業(yè)接受，如汽車工業(yè)，但也僅限于外觀制造方面。至于在承重結(jié)構(gòu)的應(yīng)用方面，如人行橋，生物基聚合物和天然纖維的應(yīng)用仍處在實(shí)驗(yàn)階段。在荷蘭的埃曼市，據(jù)說生物復(fù)合材料的橋面跨度長達(dá)5 m。但實(shí)際情況是該橋面除了使用天然亞麻纖維，還加入了玻璃纖維。

對于選用生物復(fù)合材料的橋梁設(shè)計師來說，在考慮設(shè)計要素之前, 考察生物復(fù)合材料的組成、研究它們組成成分的不同是有好處的。以下各節(jié)會討論筆者正在和即將參與的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，該項(xiàng)目研究了埃因霍芬市的生物復(fù)合材料人行橋的建造情況。

3.5.1. 纖維

“天然纖維”這個術(shù)語，指的是存在于大自然中并且存在于植物(纖維素纖維)或動物(蛋白質(zhì)纖維)體內(nèi)的纖維，但在復(fù)合材料中僅使用植物纖維作為增強(qiáng)材料[9]。纖維素纖維可從植物的多個器官中獲取，如種子(棉花、木棉、馬利筋)、莖(亞麻、黃麻、大麻、苧麻、洋麻、蕁麻、竹)、葉(劍麻、馬尼拉草、蕉麻)和果實(shí)(椰子)；也會存在其他草類纖維。由于原材料的不同，這些纖維長度不一。長纖維可從較長植物莖部的外皮中提取，如亞麻和黃麻，由于這兩種植物纖維的機(jī)械性能比其他纖維高，通常優(yōu)先選擇它們作為增強(qiáng)材料。與人造纖維一樣，天然植物纖維也可以用來加工生產(chǎn)不同類型的工業(yè)紡織品，如機(jī)織織物、非卷曲織物、短切氈和抓絨布料。

圖19. 單一弧形部件的測試設(shè)置。

圖20. 200臺計算機(jī)同時執(zhí)行模板調(diào)型。

除了個別類型的長纖維，大多數(shù)天然植物纖維與其對應(yīng)的人工合成纖維相比機(jī)械性能更差。然而，天然植物纖維的突出優(yōu)點(diǎn)之一是其低密度性，這使得制成的部件比玻璃纖維復(fù)合材料輕得多。由于天然纖維的比重較低，其比強(qiáng)度和比剛度因此增加。對生物復(fù)合材料來說，這些是很關(guān)鍵的性質(zhì)，對于有彎曲剛度設(shè)計要求的部件尤為必要，因?yàn)樘烊焕w維的剛度高于強(qiáng)度。除此以外，植物的機(jī)械性能受到生長環(huán)境(溫度、濕度、土壤和大氣成分，以及收割和種植方式)的極大影響，導(dǎo)致即使同種類型的纖維，性質(zhì)上也出現(xiàn)數(shù)值偏差。

天然纖維的另一特點(diǎn)是耐久性差。多項(xiàng)研究[10,11]表明，親水性導(dǎo)致的過度吸濕，是纖維素纖維機(jī)械性能加速下降的主要原因。天然纖維與疏水樹脂之間較差的兼容性也是耐久性差的另一個原因，兼容性差可引起材料過早老化[12]，導(dǎo)致材料降解、強(qiáng)度損失。天然纖維還易受紫外線(UV)輻射的影響。紫外線的化學(xué)降解導(dǎo)致復(fù)合材料分子結(jié)構(gòu)改變，促進(jìn)表面脆化、開裂、變色，以及拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度的降低。但是，人們已經(jīng)進(jìn)行了許多研究，開發(fā)改善天然纖維耐久度的處理方法。這些方法是利用物理或化學(xué)手段，通過改變纖維表面、形態(tài)和組成，達(dá)到減少水分吸收、改善纖維基質(zhì)黏附狀況的目的[13]。

3.5.2. 樹脂

生物樹脂的研發(fā)，旨在通過提高可再生原料的百分比，進(jìn)一步改善生物復(fù)合材料對環(huán)境的影響。生物樹脂又稱生物基聚合物或有機(jī)塑料，是利用可再生原料如淀粉、纖維素或農(nóng)業(yè)廢棄物生產(chǎn)出的合成聚合物。由于化學(xué)組成不同，根據(jù)其生物可降解性和耐久性，生物樹脂分為不同種類。

與天然纖維類似，可降解塑料也會主動從環(huán)境中吸收水分；此外，可降解塑料比石油基樹脂更脆。因此，可降解塑料是短期使用產(chǎn)品的優(yōu)選材料，如包裝和快速消費(fèi)品。高耐久性生物樹脂是可降解聚合物的下一代產(chǎn)品。這種塑料以植物油為基礎(chǔ)，最大限度地提高可再生原料含量，同時實(shí)現(xiàn)持久的功能。通過在生產(chǎn)過程中加入填料和添加劑，可抑制自然降解、降低脆度。正是由于其持久的性能，高耐久性生物樹脂在長期使用產(chǎn)品上得到應(yīng)用。

3.5.3. 埃因霍溫的實(shí)驗(yàn)性生物復(fù)合材料人行橋

筆者目前致力于一項(xiàng)關(guān)于生物復(fù)合材料在某座承重人行橋中應(yīng)用情況的研究(圖21)。該橋梁由亞麻纖維、生物樹脂、聚乳酸(PLA)泡沫以及天然軟木建造而成。該項(xiàng)目的團(tuán)隊(duì)成員包括埃因霍溫理工大學(xué)、代爾夫特理工大學(xué)、NPSP私人責(zé)任有限公司(the company NPSP BV)及專業(yè)生物經(jīng)濟(jì)中心(the Center of Expertise Biobased Economy)。研究結(jié)果應(yīng)用于埃因霍溫市2016年10月投入使用的一座全承重生物復(fù)合人行橋。關(guān)于此問題的更多信息將在一篇科技論文中發(fā)表，該論文同時展示了我們對于生物復(fù)合橋梁的研究結(jié)果。

圖21. 亞麻纖維、生物樹脂、聚乳酸泡沫以及天然軟木被用于建造這座位于埃因霍溫市的生物復(fù)合人行橋。(a)埃因霍溫市生物復(fù)合人行橋通行儀式(筆者版權(quán)所有，2016年10月27日攝)；(b)可提取亞麻纖維的亞麻植物。

4. 結(jié)論

在過去的20年中，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在橋梁工程中的使用量得到極大的提升。從簡單的橋面部件到拉擠部件，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)用廣泛，甚至已經(jīng)能只使用這種材料制成全承重結(jié)構(gòu)。由于結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢，如重量降低、維護(hù)成本降低，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料吸引了許多工程師，他們已經(jīng)開發(fā)出能與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)競爭的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料建筑方案。近來，在建筑領(lǐng)域，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料作為建筑材料在橋梁建造方面得以應(yīng)用，因此產(chǎn)生了許多應(yīng)用該材料的項(xiàng)目，其中，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料既能起到建筑作用，又能達(dá)到美學(xué)目的。建筑師和工程師們還以簡單形式或以半透明并結(jié)合光線的形式，使用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，將其作為橋面周圍的覆蓋材料。他們還展示了更加大膽的應(yīng)用，包括承重殼體、折疊結(jié)構(gòu)和非標(biāo)準(zhǔn)彎曲單殼體結(jié)構(gòu)。另外，這種創(chuàng)新材料顯然尚未展示出其全部實(shí)力，還需要我們進(jìn)一步研究。特別是，我們應(yīng)該深入關(guān)注，如何通過利用可再生原料(天然纖維、生物樹脂等)替代傳統(tǒng)材料，來改善環(huán)境影響，降低纖維復(fù)合增強(qiáng)材料的物化能量。最后，我們需要將纖維增強(qiáng)復(fù)合材料作為一種成熟的材料引入教育系統(tǒng)，以便未來的建筑師們能夠?qū)W習(xí)到如何巧妙利用其獨(dú)特的材料屬性及制備方法。

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英文原文: Engineering 2016, 2(4): 518—527

Joris Smits. Fiber-Reinforced Polymer Bridge Design in the Netherlands: Architectural Challenges toward Innovative, Sustainable, and Durable Bridges. Engineering, http://dx.doi.org/10.1016/J.ENG.2016.04.004