FRP复合材料在新型桥梁结构中的创新设计应用

Innovative Design Application of FRP Composites in New Bridge Structure

摘要

文章系统梳理纤维增强聚合物（FRP）复合材料在新型桥梁结构中的创新应用，在分析传统桥梁所面临工程挑战的基础上，综合评述FRP轻质高强、耐腐蚀性优异等性能优势。文章重点阐述FRP在全FRP桥梁、FRP-钢/混凝土混合结构、桥梁加固与修复、装饰面板及数智化融合等场景中的设计策略与工程实践。研究表明，FRP材料可显著提升桥梁耐久性，降低结构自重，可有效促进施工过程的工业化转型。当与智能技术体系深度融合时，FRP还展现出结构感知与自适应调节等前沿应用潜力。

Abstract

The paper systematically reviews the innovative applications of fiber-reinforced polymer (FRP) composites in novel bridge structures. On the basis of analyzing the engineering challenges faced by traditional bridges, it comprehensively evaluates the performance advantages of FRP, including its light weight, high strength, and excellent corrosion resistance. The paper focuses on the design strategies and engineering practices of FRP in various scenarios, such as all-FRP bridges, FRP-steel/concrete hybrid structures, bridge strengthening and repair, decorative panels, and digital-intelligent integration. Research indicates that FRP materials can significantly enhance bridge durability, reduce structural self-weight, and effectively promote the industrialization transformation of construction processes. When deeply integrated with intelligent technology systems, FRP further demonstrates frontier application potential, including structural sensing and adaptive regulation.

关键词

纤维增强聚合物复合材料 / 新型桥梁结构 / 桥梁建造 / 创新设计

Key words

FRP composites / New bridge structure / Bridge construction / Innovative design

传统桥梁结构以钢筋混凝土为主，其耐久性差，同时面临材料老化与荷载需求提升的双重挑战。为满足当前交通运输需求，新型桥梁结构的创新设计已势在必行^[1]。研究人员与工程师正致力于在传统桥梁基础上融合新工艺、新技术、新材料，以改善现有问题，推动桥梁性能的跨越式提升。在此背景下，纤维增强聚合物(FRP)材料在桥梁建设中的应用逐渐受到广泛关注^[2]。FRP复合材料作为传统钢筋的替代材料，凭借高模量、高强度、高稳定性、耐腐蚀及耐高温等优异特性而备受青睐^[3]。尽管FRP在新型桥梁结构中展现出广阔的应用前景，但其在实际应用中仍面临一定的挑战^[4]。在此背景下，文章综述FRP复合材料在新型桥梁结构中的应用研究进展，为FRP在该领域的进一步应用提供参考。

1 FRP复合材料在新型桥梁结构中的应用背景

传统桥梁结构或因建造条件限制或因自身性能不足，已难以满足新的运输需求^[5]。在此背景下，新型桥梁结构应运而生。其在传统桥梁基础上，不仅进一步提升了跨越能力与荷载能力，还在材料、设计理念及施工技术等方面进行了创新，具备轻质高强、施工速度快、节能环保等优点。新型桥梁结构的分类主要从结构体系创新与材料创新两个角度展开。从结构体系层面看，新型桥梁可分为预应力混凝土结构桥梁、组合梁结构桥梁及部分斜拉桥结构桥梁等，侧重于通过改良结构形式来提升荷载能力，同时兼顾降低成本与提升美学效果等具体需求^[6]。从材料层面看，新型桥梁可分为钢-混凝土混合桥梁、超高性能混凝土桥梁及FRP复合材料桥梁等^[7]。尽管新型桥梁结构仍处于持续发展阶段，其实际应用已相当广泛。例如，在建跨度为2 300 m的超大跨度悬索桥——张靖皋长江大桥，采用了超高钢箱-钢管约束混凝土组合索塔结构^[8]，其高承载力和卓越跨越能力在特大型桥梁建设中优势明显。苏通长江大桥、武汉鹦鹉洲长江大桥等项目则选用了高强混凝土材料，有效减轻了结构自重，同时增强了承载效率与耐久性能。FRP复合材料已被应用于京沪高速五河大桥及广东虎门大桥的加固工程中，显著提升了桥体的抗裂性能^[9]。FRP复合材料是由纤维与基体按特定配比组合并借助多种加工工艺制成的复合材料^[10]。常见纤维包括玻璃纤维、碳纤维及芳纶纤维等，基体材料多采用人工合成树脂^[11]。按纤维种类划分，FRP可分为玻璃纤维增强塑料(GFRP)、碳纤维增强塑料(CFRP)及芳纶纤维增强塑料(AFRP)等类别。其中，GFRP与CFRP是桥梁建设中使用频率最高的两种复合材料^[12]。表1为普通钢筋与FRP筋的力学性能^[13]。从表1可以看出，与普通钢筋相比，FRP不仅具有优良的力学性能，在功能特性方面也具有显著优势。在力学性能方面，FRP的抗拉强度明显高于普通钢筋，但其应力-应变曲线始终呈线性，属于脆性材料。FRP具有较好的疲劳强度与耐腐蚀性，特别是其非金属特性使其电化学活性远低于传统材料，在易受腐蚀介质侵蚀的桥梁结构中具有更大优势^[14]。FRP复合材料桥梁的使用寿命比传统材料桥梁长。在功能特性方面，FRP为非磁性材料，适用于对电磁环境有特殊要求的桥梁工程^[15]。

在桥梁加固工程中，FRP常用于梁、板、柱等关键构件的加固；在悬索桥或斜拉桥建设中，FRP可用作拉索，与钢制缆绳相比可有效降低风振影响；在桥面铺装中，FRP复合材料也可作为铺装层，提升桥面耐久性^[16]。此外，FRP在桥梁中还兼具装饰与防护功能^[17]。例如，奉化桥的“花瓣”结构及赤峰桥的主塔外饰均采用了FRP材料，在提升美观性的同时，有效隔绝了水汽、盐分等腐蚀性介质，从而有助于延长桥梁的服役寿命。

2 FRP复合材料在新型桥梁结构中的设计应用

2.1 全FRP结构桥梁

目前，全FRP结构的应用范围主要包括FRP桥面系统、轻型FRP桥梁以及可快速部署的应急桥梁。FRP桥面系统采用复合材料整体或模块化面板，直接作为桥梁的承重行车面层。该体系能够大幅降低恒载，有效抵抗环境腐蚀，显著减少后期维护需求^[18]。其应用方式灵活，既可用于新建桥梁，也适用于旧桥面的加固与替换，技术已较为成熟，积累了丰富的工程经验^[19]。杨峰^[20]选择预制玻璃FRP结构绝缘(SIP)板作为桥梁建造面板，该面板尤其适用于存在腐蚀风险的桥梁地板格栅系统，通过环氧树脂与内部工字钢芯粘结为整体三维构造。相较于传统施工方式，采用轻质玻璃钢保持架可省去现场绑扎钢筋的环节，显著减少搬运与安装时间。此外，FRP桥面的施工可由制造商、记录工程师及承包商共同规划作业流程，工期可由2~3周缩短至5 d以内^[21]。FRP轻质桥梁主要以人行天桥为主，其主要部件均采用FRP复合材料，从而减轻自重并提升景观效果。在FRP轻质桥梁的主梁与桥面结构中，常使用FRP蜂窝夹芯面板，其厚度仅为3~5 mm，密度为1.5~1.8 g/cm³，总质量远低于钢筋混凝土桥面，可使桥面自重减少70%^[22]。美国的Clear Creek桥、瑞士的Pontresina桥等采用GFRP拉挤型材与CFRP索等标准化构件，充分体现FRP在模块化设计与工厂化生产中的综合优势^[23]。

在灾害应急响应及军事工程等领域，FRP材料的高比强度与良好抗震性能使其成为快速部署桥梁的理想选材。这类桥梁强调快速机动、环境适应性与极短的建设时效，常见结构形式包括板梁式、车辙式等^[24]。值得关注的是，FRP材料的各向异性特性及节点连接可靠性仍是该类应用中的关键技术挑战，尤其在动力荷载与复杂应力状态下，仍需进一步开展连接构造优化与长期性能研究^[25]。

2.2 FRP复合材料应用于FRP-钢/混凝土混合结构桥梁

在同等直径条件下，FRP筋的质量仅为钢筋的1/7~1/5，但其抗拉强度(1 000~2 500 MPa)显著高于钢筋(不超过400 MPa)^[26]。将FRP用于混凝土混合结构可明显改善其力学性能与耐久性。由于FRP与钢材性能互补，可先组合成FRP/钢复合板，再通过连接件与混凝土形成混合体系，以提升桥梁的抗弯承载力^[27]。此外，传统钢筋混凝土允许带裂缝工作，但为保护钢筋而增加保护层厚度反而会扩大裂缝宽度，影响结构寿命。为此，在钢筋外侧复合FRP筋可有效控制混凝土裂缝扩展并加强对钢筋的防护。传统混凝土结构在应力达到屈服强度后损伤发展迅速，而FRP-钢/混凝土混合结构则能有效控制变形速率，避免因变形过大影响桥梁服役寿命。史庆轩等^[28]提出，可尝试将FRP、钢与混凝土组合制成组合柱，并应用于新型桥梁结构。FRP在FRP-钢/混凝土混合结构中的主要应用方式分为以下两类。一是FRP桥面板与钢/混凝土主梁结合。桥梁上部结构由桥面板和主梁组成，FRP桥面板配合钢或混凝土主梁，能够显著减轻结构自重，提升耐久性与抗疲劳性能。在此组合中，钢/混凝土主梁作为主要抗弯构件，承担车辆荷载产生的拉应力；FRP桥面板则主要承受压应力，二者协同工作可提高桥梁的整体抗弯刚度和承载力^[29]。FRP桥面板与主梁的连接主要有两种方式：其一，使用高强度环氧树脂胶将预制FRP桥面板直接粘贴于钢/混凝土主梁上，加压固化，辅以少量机械夹具，确保紧密接触；其二，通过纵横布置的网格状高强螺栓连接，在对应位置钻孔后采用螺栓固定，配合大型垫圈，以分散连接应力。

二是FRP作为主梁或桁架^[30]，钢/混凝土作为桥面板。在此模式中，由FRP制成的工字梁、箱梁或桁架作为主要承重构件，上方安装混凝土或钢制桥面板，二者通过剪力连接件形成组合梁。FRP主梁承担全部荷载，钢/混凝土桥面板则承受压力，充分利用其抗压强度高的特点，大幅提升桥梁整体刚度。该组合形式可提高组合梁高度，在经济性与维护便利性方面亦具优势。然而，由于FRP弹性模量较低，而钢/混凝土桥面板弹性模量较高，长期荷载作用下的应力重分布更为复杂，导致结构响应难以准确预测，因此该组合形式在实际工程中并不常见。

2.3 桥梁加固与修复

桥梁在长期服役过程中，其构件承受较大应力，尤其在弯矩作用下易发生损伤，因此常需进行加固修复。传统加固方法主要包括增大截面法和粘贴钢板法。前者适用范围广，但会显著增加结构自重并压缩使用空间；后者对自重影响较小且能有效提升承载力，但其适用场景有限，无法用于所有类型的构件。相比之下，采用FRP材料进行加固，施工便捷且能显著提升桥梁的承载性能^[31]。

目前常用的FRP加固方式主要包括以下三类：混杂纤维加固技术、FRP加固砌体结构技术以及预应力CFRP加固技术^[32]。混杂纤维加固技术^[33]是指采用层间混杂纤维布对建筑结构进行加固，常用于钢筋混凝土梁、柱等构件。其工作原理是将两种不同纤维材料复合，当在外力作用下产生变形差时，内层CFRP断裂所产生的额外荷载可由外层GFRP承担，从而提高平均断裂应变。FRP加固砌体结构技术是指在砌体表面粘贴CFRP材料，以提升结构延性与耗能能力的技术^[34]，在国外常用于古建筑加固。预应力CFRP加固技术则是指先对FRP片材施加预应力再进行粘贴的加固方法，预应力可使混凝土梁具有更好的工作性能。强旭红等^[35]采用张弦式预应力CFRP板加固钢-混凝土组合梁，并进行了四点弯曲试验。结果显示，加固后组合梁的极限承载力最大提高了47.9%。

不同FRP复合材料的加固效果也得到了一些研究人员的对比研究。凯尔萨尔·吐尔迪^[36]在新建桥梁时于一侧桥体的路缘、人行道及桥面顶层采用GFRP加固；同侧桥面板底层中宽度为5 m的区域则使用CFRP进行增强；而在桥梁另一侧，包括路缘、人行道、桥面顶层及底层其余部分，仍采用常规的15 m长钢筋进行加固。工程结束后，在关键部位布置了光纤传感器(FOS)以监测内部温度与应变变化，借助尺具与经纬仪系统测定混凝土板及梁体的挠曲变形，同时通过安装在桥侧的加速度计记录结构振动情况。这些仪器已连接至一个32通道传感器数据采集系统，可根据采集数据评估各类应力响应，进而评价GFRP、CFRP及普通钢筋的加固效果。现场实测与监测数据表明，在卡车荷载作用下，采用FRP加固的桥面板混凝土实际应变值显著低于普通混凝土的开裂应变。在实际环境条件下，温度变化引起的FRP筋应变可达卡车荷载应变的25~33倍，但该应变仅为其极限应变的3%~4%。龙钦初等^[37]指出，采用CFRP加固株津渡大桥后，加固完工及使用一年后梁体挠度整体趋于正常；三年连续观测期内，累计预应力损失为0.34%，小于规范限值0.4%。

2.4 桥梁装饰板

FRP复合材料较传统钢筋混凝土材料更易实现多样化的造型，在桥梁装饰与封闭系统中具有明显优势^[38]。采用FRP装饰板可提升桥梁美观度，降低风阻，减少长期维护成本。目前，国内外已在FRP桥梁装饰与封闭系统方面开展了诸多实践探索。位于京杭大运河北端的北关大道跨北运河大桥采用梁拱组合结构，主桥为上承式钢结构连拱，整体形态优美，以流畅的双曲面轮廓为特色，被誉为“千荷泻露”桥^[39]。该桥在设计阶段效果突出，但在实际建造中，如何实现复杂造型并同时承受较大的风荷载与水压荷载成为关键难题。最终，项目团队选用FRP复合材料制作桥梁装饰板^[40]。全桥装饰板共包含45列封护板和46个分块断面。利用Rhino设计软件完成分块数字建模，再经模具制作、涂脱模蜡、喷涂胶衣、下表面成型、上表面成型等工序制成成品装饰板。FRP装饰板制作完成后即进入安装阶段^[41]。预制FRP装饰板由吊车运抵现场并配合卸车，河道内安装时则使用驳船、挖掘机搭建临时施工平台，再利用电葫芦进行短距离吊装。将FRP复合材料大规模应用于桥梁装饰板，取得了显著的综合效益。

2.5 加入数智技术的FRP桥梁

FRP桥梁的智能化设计以自感知能力为基础，即通过将光纤智能元件嵌入FRP复合材料的纤维层间，开发兼具高耐久性与智能监测功能的内嵌钢丝FRP智能筋。当FRP结构发生应变或外界温度剧烈变化时，光纤内部的光栅波长随之改变，从而向外部设备传递信息。贾俊峰等^[42]指出，采用FRP筋封装光纤传感器，可在不改变FRP筋力学性能的前提下，克服裸光纤光栅脆弱、布设困难等缺点。此外，还可在FRP复合材料中引入形状记忆合金(SMA)等材料，当桥梁结构变形过大时，SMA被激活，利用其恢复力调整桥梁线形，使桥梁具备应对变形与自我修复的能力，这是FRP桥梁智能化的高级阶段^[43]。惠迎新等^[44]制备两种FRP/SMA复合材料试件，探究SMA的回复性能，验证通电回复试验的可行性。结果表明，SMA丝材的回复应力随温度升高而显著增加，在一定范围内，其最大回复应力随预应变水平提高而增大。通电条件下，FRP/SMA复合材料的回复应力随温度缓慢上升，但与SMA单丝试件相比，最大回复应力略有降低。

3 结论

FRP复合材料凭借其优异的力学与功能特性，为新型桥梁结构的设计与建造提供了创新解决方案。本文系统梳理了FRP在全FRP结构、混合结构、加固修复、装饰防护及数智化融合等方面的应用，发现FRP材料能够有效减轻结构自重，提升耐久性，加快施工进度，赋予桥梁感知与自适应等智能功能。目前，FRP已在国内外多项桥梁工程中成功应用。然而，FRP材料的各向异性、节点连接可靠性、长期性能数据积累及成本控制等问题仍需进一步研究。未来应加强FRP在复杂环境下的性能演化规律研究，优化连接设计与施工工艺，推动FRP与智能传感、形状记忆等技术的深度融合，从而为实现更高效、更耐久、更智能的桥梁结构可持续发展目标提供支撑。

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基金资助

结构工程灾变与控制教育部重点实验室开放基金项目(HITCE202514)

广东省高等教育教学研究和改革项目(2025-763)