ISSN 2080-5187 CEER 2017; 26 (3): 161-169

DOI: 10.1515/ceer-2017-0043

Original Research Article

HYBRID BRIDGE STRUCTURES MADE OF FRP

COMPOSITE AND CONCRETE

Mateusz RAJCHEL^[1], Tomasz SIWOWSKI

Rzeszoacute;w University of Technology, Rzeszoacute;w, Poland

A b s t r a c t

Despite many advantages over the conventional construction materials, the contemporary development of FRP composites in bridge engineering is limited due to high initial cost, low stiffness (in case of glass fibers) and sudden composite failure mode. In order to reduce the given limitations, mixed (hybrid) solutions connecting the FRP composites and conventional construction materials, including concrete, have been tested in many countries for 20 years. Shaping the hybrid structures based on the attributes of particular materials, aims to increase stiffness and reduce cost without losing the carrying capacity, lightness and easiness of bridges that includes such hybrid girders, and to avoid the sudden dangerous failure mode. In the following article, the authors described examples of hybrid road bridges made of FRP composite and concrete within the time of 20 years and presented the first Polish hybrid FRP-concrete road bridge. Also, the directions of further research, necessary to spread these innovative, advanced and sustainable bridge structures were indicated.

Keywords: FRP composite, concrete, hybrid structures, bridges, shaping

INTRODUCTION

The structural FRP (fibre reinforced polymer) composites used to construct bridge structures are one of the modern solutions in bridge construction industry. Due to their excellent attributes, as e.g. high ultimate strength, high overall durability, corrosion resistance and low weight (lightness), the FRP composites are considered high-value construction material, just as steel and concrete, and taken into account in bridge design and construction industry [1]. However, despite many advantages of fibre reinforced polymers over the conventional construction materials, the use of FRP composites in bridge construction industry is limited to two areas: repair and strengthening the existing structures and redecking of deteriorated deck slabs. The main reasons of such a limited use are high initial cost of FRP composites, low stiffness of structural elements made mainly of fibreglass (GFRP – glass fibre reinforced polymers), and sudden composite failure mode, which is unacceptable in bridge engineering. Whereas the initial cost issue may be soon solved due to mass and automated production of FRP composite elements, the problem of lack of stiffness and safe failure mode may be overcome only by implementing innovative design solutions [2].

In order to reduce the given limitations, mixed (hybrid) solutions connecting the FRP composites and conventional construction materials, including concrete, have been tested in many countries for 20 years. The construction of a hybrid girder consists of a composite box I-beam (with single- or double-chamber) or a round beam, and concrete slab, which serves as a bridge deck. Rigid combination of these both elements ensures the safe carrying of loads. The main aim of creating the hybrid structures is to combine different materials, so that their best attributes are used optimally. That is why, different construction materials are applied in the hybrid girders in order to carry tension, compression and shear generated in a structure exposed to loads.

Initial research and first prototypical applications proved that combining the FRP composites and concrete is a very effective solution in road bridge construction industry [3], [4]. Evolution of shaping the bdquo;FRP composite-concrete” hybrid bridge girders within the time of 20 years was described in the authorsrsquo; previous paper [5]. Whereas, in this article, the basic rules of shaping the hybrid girders destined for road bridge construction were laid down together with their chosen applications in bridge spans. Also, case of a first Polish road bridge with hybrid girders was described in this paper. The conclusions consist of directions of further research, which is necessary to spread these innovative, advanced and sustainable bridge structures.

EXAMPLES OF HYBRID ROAD BRIDGES

The construction of a first hybrid road bridge resulted from repair actions taken after the first FRP composite bridge built in Miyun, China, in 1982, was damaged. Few years after the bridge had been opened to traffic, a FRP composite sandwichstructured slab span was reinforced by additional concrete layer placed on the top of the slab and bonded with the FRP composite to provide synergy of both materials. On the occasion of the given repair actions, the research was carried out, showing that the hybrid structure performs well and the idea of combining the FRP composite with concrete in bridge spans is promising and development worthy [4].

One of the first examples of a road bridge, where the hybrid girders made of rectangular GFRP profiles were used intentionally, is a construction in Toowoomba, Australia [6]. The bridge was built in 2002 and is the first FRP composite bridge in Australia. A single-span slab construction with span of 12 m and width of 5 m consists of 0,35 m and 0,10 m high composite rectangular beams and 0,10 m thick prefabricated concrete slab. The composite beams and the concrete slab were glued together with an epoxy adhesive. In order to ensure the required stiffness and cross synergy of spans, CFRP laminates were glued on the bottom of the spans crosswise (Fig. 1). The bridge span is made of two identical 2,50 m wide elements that consist of 7 composite beams. Both elements are bonded together with a longitudinal joint. The whole span weights less than 2

由 FRP复合材料和混凝土 制成的混合桥梁结构

Mateusz RAJCHEL，Tomasz SIWOWSKI Rzeszoacute;w 科技大学，Rzeszoacute;w，波兰

摘要

尽管与传统建筑材料相比具有许多优点，但由于高初始成本，低刚度（在玻璃纤维的情况下）和突然的复合材料失效模式，FRP 复合材料在桥梁工程中的当代发展受到限制。为了减少既定的限制，连接FRP 复合材料和传统建筑材料（包括混凝土）的混合（混合）解决方案已经在许多国家进行了20 年的测试。基于特定材料的属性来塑造混合结构，旨在增加刚度并降低成本，同时不损失包括这种混合桥梁的承载能力，轻便性和简化性，并且避免突然性危险的故障因素出现。在下面的文章中，作者描述了在 20 年内由 FRP 复合材料和混凝土制成的混合式公路桥梁的例子，并展示了第一座波兰的混合式 FRP-混凝土公路桥梁。此外，还指出了进一步的研究方向，这是传播这些创新，先进和可持续桥梁结构所必需的。

关键词：FRP 复合材料，混凝土，混合结构，桥梁，成型

1.引言

用于建造桥梁结构的结构化FRP（纤维增强聚合物）复合材料是桥梁建筑行业的现代解决方案之一。由于它们的优良属性，例如 FRP 复合材料具有高极限强度，高整体耐久性，耐腐蚀性和低重量（轻质），被认为是高质量的建筑材料，就像钢筋和混凝土一样，在桥梁设计和建筑行业中也得到了考虑[1]。然而，尽管纤维增强聚合物相对于传统建筑材料具有许多优点，但 FRP 复合材料在桥梁建筑工业中的使用范围仅限于两个方面：修复和加强现有结构以及重新铺设劣化的桥面板。这种限制使用的主要原因是 FRP 复合材料的初始成本高，主要由玻璃纤维（GFRP-玻璃纤维增强聚合物）制成的结构元件的低刚度，以及突然性复合材料失效模式，这在桥梁工程中是不可接受的。尽管由于 FRP 复合材料元件的大规模和自动化生产可能很快会解决初始成本问题，但只有通过实施创新的设计解决方案才能克服缺乏刚度和安全失效模式的问题[2]。

为了减少既定的限制，连接 FRP 复合材料和传统建筑材料（包括混凝土）的混合（混合）解决方案已经在许多国家进行了 20 年的测试。混合梁的构造包括复合箱 I 型梁（带有单腔或双腔）或圆形梁，以及混凝土板，用作桥面板。这两种元件的刚性组合确保了荷载的安全承载。创建混合结构的主要目的是组合不同的材料，以便最佳地利用它们的最佳属性。这就是为什么在混合梁中应用不同的结构材料以便承受在暴露于荷载的结构中产生的拉力，压力和剪力。

初步研究和首次原型应用证明，结合 FRP 复合材料和混凝土是公路桥梁建筑行业中非常有效的解决方案[3]，[4]。在作者之前的论文[5]中描述了在 20 年内建造“FRP 复合材料 - 混凝土”混合梁桥的演变过程。然而，在本文中，将用于公路桥梁施工的混合梁的基本规范与其在桥跨中选择的应用一起制定。此外，本文还介绍了第一个带有混合梁结构的波兰公路桥梁。结论包括进一步研究的方向，这对于传播这些创新，先进和可持续的桥梁结构是有必要的。

2.混合道路桥梁的例子

第一座混合式公路桥梁的建造是由于 1982 年在中国密云建造的第一座 FRP 复合材料桥遭到破坏后所采取的修复措施。在桥梁通车几年后，FRP 复合材料夹层结构的面板跨度通过放置在面板顶部的附加混凝土层得到加强，并与 FRP 复合材料粘合，以提供两种材料的协同作用。在给定修复措施的情况下，进行了研究，表明混合结构表现良好，将 FRP 复合材料与混凝土结合在桥跨中的想法是有希望的，发展是值得的[4]。

道路桥梁的第一个例子是有意使用由矩形 GFRP 型材制成的混合梁，是澳大利亚 Toowoomba 的一个建筑[6]。该桥建于 2002 年，是澳大利亚第一座 FRP 复合桥。跨度为 12 m，宽度为 5 m 的单跨板结构由 0.35 m 和 0.10 m 高的复合矩形梁和 0.10 m 厚的预制混凝土板组成。复合梁和混凝土板用环氧粘合剂粘合在一起。为了确保跨度所需的刚度和交叉协同作用，CFRP 层压板横向粘合在跨距的底部（图 1）。桥梁跨度由两个相同的 2.50 米宽的元件组成，由 7 个组合梁组成。两个元件通过纵向接头粘合在一起。整个跨度重量不到 20 吨。像这样的一些桥梁是在澳大利亚建造的，最近该技术已在美国应用。

图 1.澳大利亚 Toowoomba 桥跨的横截面[cm]

混凝土填充玻璃钢管（CFFT）形式的混合梁首先在 2000 年建造，同时建造了美国加利福尼亚州的国王雨水渠桥[7]。桥梁为双跨连续结构，有效跨度为 2times;10.05 m。桥梁跨度由复合材料 CFRP 管制成，填充混凝土并与甲板板结合，而甲板板又由 0.18 米厚的复合板组成。甲板总宽度为 13.00 米。在横截面上可以看到六个 CFFT 梁，每个梁的直径为 0.34 米，横跨跨度为 2.30 米（图 2）。 CFFT 梁通过混凝土系杆和钢锚与基台和支柱连接。另一座相同类型的桥梁配备了与 CFFT 梁结合的传统钢筋混凝土板，而不是由复合板制成的桥面板[3]。同样的技术被用于工程中许多拱桥，跨度为 10-15 米，由十几个混合梁组成[8]。

图 2.美国国王雨水渠桥跨度的横截面[cm]

由混合 U 型梁制成的第一座梁桥于 2004 年在美国德克萨斯州的圣帕特里西奥县建造[9]。该桥为双跨结构，跨度为 2times;9.75 米。桥面的总宽度为 9.10 米。每个跨度由 12 个混合梁组成，轴向跨度为 0.81 米（图 3）。桥面板由钢筋加固的普通混凝土制成。

图 3.美国圣帕特里西奥国家桥跨的横截面[cm]

使用非常规混合 HBC 梁的第一座桥是 2010 年在美国缅因州 Boothbay 建造的 Knickerbocker 桥[10]。该桥有八个跨度，桥面长度和宽度分别相当于164 米和 9.73 米。第一个和最后一个跨度为 18.2 米长，而六个中间跨度为 21.3 米长。在跨度横截面中，有 8 个混合复合梁，高度为 0.84 米，宽度为 1.22 米（上翼缘）（图 4）。每根梁由一层直径为 12 毫米的钢筋加固。在横梁上，有一个传统的混凝土板，由钢筋加固，并通过螺栓与混合复合梁结合在一起。尼克博克大桥可能是世界上最长的大桥，大梁主要由 FRP 复合材料制成。

图 4.美国 Boothbay 的 Knickerbocker Bridge 横截面[cm]

2004 年，在西班牙阿斯图里亚斯的坎塔布里科高速公路上建造了第一座欧洲混合桥[11]。立交桥包括 46 米长的四跨连续梁，每个跨距相应为 10,13,13 和 10 米长。桥面总宽度为 8.00 米。每个跨度由三个混合闭合梯形梁组成，轴向跨度为 2.75 米。跨度的施工高度为 1.00 米（图 5）。复合箱梁填充泡沫，并通过粘合在梁顶面上的复合型材与 0.15 米厚的钢筋混凝土桥面板整合在一起。

图 5. Cantabrico 高速公路立交桥跨度的横截面，跨度[cm]

混合梁的其他结构是 2007 年在马德里 M111 高速公路上建造的两座相同的桥梁[12]。每个立交桥都有 34 个长三个跨距，每个跨距相应分别为 10,14 和 10 米长。 桥面总宽度为 20.40 米。桥跨由四个混合 GFRP / CFRP 开放式箱梁组成，高度为 1.20 米。 复合箱梁通过钢螺栓和环氧胶与 0.30 m 厚的钢筋混凝土桥面板整合在一起。 复合夹层板用作放置在混凝土板下方的永久性模板，在梁的内侧和外侧（图 6）。

图 6.马德里 M111 高速公路立交桥，跨度[cm]

3.第一条由 FRP 复合材料和混凝土制成的波兰桥

由 FRP 复合材料和混凝土制成的第一台波兰混合桥 建在了靠近热舒夫的布瓦若瓦附近的里亚克河沿着1411R 区的公路上。该建筑取代了原有的钢桁架桥与木质桥面板，承载能力低，行车道狭窄，技术条件差，造成了相当大的交通限制。新桥是一种单跨静定结构，纵向坡度为 1％。主要技术几何参数如下：

bull;承载能力：根据 PN-85 / S-10030 的 B 级，即 40 吨;

bull;有效跨度：21.00 米;

bull;总桥长：22.30 米;

bull;总桥宽：10.54 米;

bull;桥面宽度：行车道 7.00 米（2times;3.50 米），硬条 2times;0.50 米，单侧人行道 1.50 米，栏杆 2times;0.52 米。

混合式桥梁跨度由四块 FRP 复合箱梁与轻质混凝土桥面板组成（图 7）。 FRP 梁由两个钢筋混凝土横梁支撑，这两个横梁位于桥端，与桥面板是整体的。厚度为 0.18 米的板坯由 LC 35/38 级轻质混凝土制成，由两组直径为12 毫米的网状 GFRP 复合材料筋加固而成。板坯通过螺栓与复合梁一体化，放置在复合梁的上翼缘和环氧树脂胶中。以同样的方式，复合材料和混凝土被整合在跨度的支撑部分中。跨度配备传统的沥青路面和隔热板，排水元件，伸缩缝和桥梁护栏。桥梁支撑由钢筋混凝土整体基台组成，放置在深基础上。根据层状路基，深基础设计为钻孔桩，直径为 0.60 米，长度为 8.00 米，在地下成孔。每个基台放置在 10 个桩上。

图 7.波兰 Błażowa 混合桥的横截面[cm]

图 8 显示了通向交通的桥梁，而桥梁结构和使用技术的详细描述可在论文中找到[13]。

图 8.波兰开通交通的 Błażowa 由 FRP 复合材料和混凝土制成的混合桥梁

4。结论

混合桥梁，其中特别是FRP 复合材料和混凝土的优点相互结合，是目前发展最快的桥梁建筑类型之一。原因在于 FRP 复合材料的众所周知的属性，例如总体耐久性，极限强度和轻质以及混凝土的特性，例如，刚度，低成本和准塑性失效模式成功结合。这种在混合桥梁工程中应用的巧妙组合可能很快会导致混合桥梁作为公共道路的一部分在高速发达国家越来越受欢迎。然而，为了使权威机构充分相信其使用合法性，有必要继续研究特定类型的混合梁以及包括在通车后这种梁的桥梁的性能。在进一步研究中，应解释以下问题：

bull; 复合材料与混凝土（机械，胶接）之间的承载能力，整体耐久性和连接失效机理;

bull; 混合梁的性能随着时间的推移（疲劳，蠕变，环境影响）;

bull; 混载梁在载荷或意外动作（撞击，射击）下的性能;

bull; 有效的无损检测（NDT）和结构健康监测 （SHM）混合桥梁;

bull; 设计指南和维护规定，

bull; werification and walidation FEM 模型。

致谢

该论文是在名为“COM-BRIDGE - 由 FRP 复合材料制成的创新道路桥梁”的项目范围内创建的。该项目是在一个试验项目“DEMONSTRATOR 支持示范规模的科学研究和开发工作”

（协议编号 UOD-DEM-1-041 / 001）内进行的，并由国家研究与发展中心共同资助。

参考

1. Hollaway L.C.,Head P.R.: Advanced polymer composites and poly-mers in the civil infrastructure. Elsevier, Oxford, 2001.
2. Zoghi M. (ed.): 2014. The International Handbook of FRP Composites in Civil Engineering. CRC Press, Taylor amp; Francis Group LLC, Boca Raton.
3. Cheng L., Karbhari V.M.: New bridge systems using FRP composites and concrete: a state-of-the-art review. Progress in Structural Engineer-ing and Materials, Vol.8, No. 4, pp. 143–154, 2006.
4. Yang L.: Research status of FRP-concrete composite beam/bridge deck systems. Applied Mechanics and Materials, Vols. 587-589, pp. 1424-1429, 2014.
5. Siwowski T., Rajchel M.: Kształtowanie mostowych dźwigaroacute;w hybrydowych typu bdquo;kompozyt FRP – beton”. Czasopismo Inżynierii Lądowej, Środowiska i Architektury / Journal of Civil Engineering, Environment and Architecture, tom XXXIII, zeszyt 63 (nr 1/I/2016), styczeń – marzec, p. 307-320, 2016.
6. Van Erp G., Cattell C., Heldt T.: Fibre composite structures in Australia#39;s civil engineering market: an anatomy of innovation. Progress in Structura

   资料编号：[4398]