纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer,FRP)用于桥梁工程，一是用作桥梁的主承力结构或桥跨结构，设计、建造全FRP桥梁或以FRP为主体结构的桥梁，主要目的是提高桥梁的有效承载能力和极限跨越能力【1-5】；二是用作桥梁的一般结构、构件，取代结构性能较差的部分钢、混凝土结构、构件，或与钢、混凝土结构、构件组合构成FRP-钢或FRP-混凝土或FRP-钢-混凝土组合结构、构件，主要目的是从优化桥梁结构组成和改善桥梁结构性能方面提高桥梁的结构耐久性[6-10]。
高耐久性FRP桥梁结构、构件的研究与实践，始于上世纪八十年代【6，9】，它虽然起步较FRP新桥设计研究晚，且规模、影响和技术含量也不如FRP新桥设计和建造，但因其能较有效地解决桥梁工程实际问题，且有望解决一些世界性的桥梁技术难题，如像钢桥面铺装的耐久性技术难题、桥墩防撞结构的“和谐防撞、“长效防撞”等技术难题，故更受工程欢迎和更易推广应用。笔者从上世纪八十年未开始进行桥梁主体结构的高耐久性FRP防护结构、构件和高耐久性FRP桥面系结构、构件的研究与实践，经初步理论、试验研究和工程应用证明其结构耐久性提高显著。现总结推出这种新结构、构件的适用类型、合理结构形式和设计、施工关键技术，供高耐久性桥梁结构、构件设计参考。
1 工程背景
高耐久性FRP桥梁结构、构件的研究与实践，主要结合如下工程进行：
1) 重庆市高新区六店小区钢桁箱梁桥高耐久性FRP防护外壳工程；
2) 重庆李家沱长江大桥、鹅公岩长江大桥、菜园坝长江大桥等桥梁索杆结构高耐久性FRP防护外壳工程；
3) 重庆菜园坝长江大桥、黄花园嘉陵江大桥桥墩高耐久性防撞结构工程；
4) 西藏拉萨大桥、成都龙泉驿飞龙桥等三座桥梁和重庆东水门长江大桥、千厮门嘉陵江大桥高耐久性FRP桥梁人行道板工程；
5）重庆机场高速公路金渝立交桥、高新区市政道路A1线高架桥等10余座桥梁高耐久性FRP桥梁人行道栏杆工程；
6）江阴长江大桥、重庆鹅公岩长江大桥高耐久性FRP—环氧砾石—沥青混凝土钢桥面铺装试验工程。
2 高耐久性FRP桥梁结构、构件的适用类型
FRP种类较多，目前用于桥梁结构、构件的FRP主要有CFRP（碳纤维增强复合材料）、GFRP（玻璃纤维增强复合材料）和AFRP（芳纶纤维增强复合材料）三类。三者既有轻质高强、完全弹性、防撞抗裂、吸振消能、耐疲劳、耐腐蚀、易成型的共同优点，也有层间强度低、断裂伸长率小、强度的方向性差异大、工程造价高的共同缺点，还有CFRP较GFRP和AFRP弹性模量、断裂伸长率、材料价格相差较大、GFRP与AFRP结构性能相近但经济性能前者优于后者的个性差异（见表1）【11-12】。
FRP的材料性能特点，决定了FRP用于高耐久性桥梁结构、构件须选择既能发挥FRP材料性能之长，又能对桥梁的结构耐久性提高帮助最大的适用类型。基于合理结构形式考虑，高耐久性FRP桥梁结构、构件的适用类型，一是取代钢、混凝土结构、构件使其结构性能明显改善的全FRP结构、构件；二是与钢、混凝土结构、构件组合使其结构组成优化且结构性能优于单一材料结构的FRP—钢或FRP－混凝土或FRP—钢—混凝土组合结构、构件。基于技术、经济可行考虑，高耐久性FRP桥梁结构、构件的适用类型，主要有桥梁主体结构的FRP防护结构、构件和FRP桥面系结构、构件两类。
经工程实践证明技术、经济可行的这两类结构、构件，具有如下共同优点：
1） 结构耐久性提高的同时，结构安全性、使用舒适性、维修经济性及外观美观性增加；
2） 大部份可采用FRP中价格最低的GFRP制造，工程造价与钢、混凝土结构、构件接近；
3） 结构性能无明显褪化的老化寿命可达50年以上，可使这些桥梁结构、构件的使用寿命增加和使
用价值提升。
3 桥梁主体结构的高耐久性FRP防护结构、构件研究与实践成果
3.1 钢箱梁桥、钢桁架桥的FRP防护外壳研究与实践成果
采用FRP防护外壳将钢桁架桥桥面以下暴露的桁架结构围护起来，同时兼作桥梁检修通道的研究，最早始于英国。1987年，英国Maunseel Structural Plastics公司在Tees Viaduct的一座桥梁上试用成功，其后在英国的许多桥梁上推广应用，并编制了相应的技术规范。在此基础上，英国剑桥大桥于1997年研发出一种新型空间桁架桥梁结构体系（简称为SPACES）。新结构由钢管桁架外包覆FRP箱形外壳加上钢或混凝土桥道板组成，适用于跨径40m以上的梁式桥及大跨径索支承桥的加劲梁。与传统的钢桥如板梁桥、加劲箱梁桥和桁架桥相比，可节省钢材约50%，1/2缩尺模型的SPACES梁段结构试验还证明，FRP箱形防护外壳不仅可为钢桁架提供防锈保护，而且还使SPACES的抗扭刚度比桁架结构增大约50%【13】。
1989年，重庆交通大学对重庆观音桥人行立交桥挠曲变形较大的GFRP简支箱梁进行加固设计时，通过在原GFRP箱梁内增设钢桁架构成钢桁架—FRP箱梁组合桁箱梁结构，在增大原结构刚度的同时，节省了新结构的防锈保护，并使原桥结构外形保持不变。该桥加固使用10年后随桥下步行街修建对其进行撤除时，解剖GFRP箱梁检查钢桁架未发生锈蚀。2006年，重庆交通大学进行重庆高新区六店小区人行天桥设计时，为解决“桥位超深软基要求上部结构减重”的技术难题和满足业主“使用期至少30年内不涂装养护”的使用要求，将天桥桥道梁设计成图1所示横截面形式的钢桁箱梁—FRP箱形防护外壳组合桁箱梁结构。钢桁箱梁由3榀5号槽钢轻型纵向桁架外联10mm厚的箱形钢板构成；FRP防护外壳为在钢桁箱梁上整体湿法缠绕成型FRP外壳结构层再干法粘接外壳饰面层构成。天桥长18.8m，宽3.0m，上部结构梁高0.5m，自重约3.0kN/㎡，仅为设计荷载（人群荷载4.5kN/㎡）的2/3，FRP箱形外壳自带色彩和光洁外表，施工为工厂预制整体运输吊装就位，工程造价为26万元。天桥建成后的外观效果如图2所示。
钢箱梁、钢桁架桥的FRP防护外壳的结构机理，是借助二者材料的分子间吸引力与钢结构连接牢固而共同工作，并借助材料自身的高强低模、完全弹性不对钢结构构成附加约束和不先行破坏而使防护失效，从而能对钢结构提供长效防护而提高结构的耐久性。
钢桁架桥FRP防护外壳的附加结构贡献，是提高钢桁架结构的抗扭刚度和纵横向稳定性，减轻桁架结构的自重和节点应力集中，即在提高结构耐久性的同时，增大结构的安全性和经济性。
钢箱梁桥、钢桁架桥FRP防护外壳的合理结构形式，是既能与前者连成结构整体又不对前者构成附加约束、不仅可提高其结构耐久性而且可提高结构其它力学性能和美学效果的FRP箱形外壳的壳体结构形式及其与桁架节点的“应力平缓过渡”连接方式【9】。
钢箱梁桥、钢桁架桥FRP防护外壳的设计、施工关键技术，一是基于“刚度分配”和“变形传递”的组合结构设计原理，二是FRP防护外壳合理厚度的简化计算方法，三是FRP防护外壳分次成型外壳结构层和外壳饰面层的施工技术。
3.2 桥梁索杆结构的FRP防护外壳研究与实践成果
斜拉桥拉索、悬索桥吊索和中承式拱桥、系杆拱桥吊杆、吊索等桥梁索杆结构的FRP防护外壳，是在新桥索杆结构的高强钢筋束或高强钢丝束的外围工厂挤拉或缠绕成型FRP外壳，或在旧桥索杆结构的PE防护壳表面现场缠绕成型FRP外壳构成的一种结构受力更合理和结构耐久性更优秀的新型防护外壳。
上世纪九十年代末，重庆交通大学与重庆市城投公司联合，在国内率先进行桥梁索杆结构FRP防护外壳的研究与实践。1998年，设计建成首座采用FRP—钢组合吊杆的重庆北碚区文星湾中承式人行拱桥（见图3）。该桥的FRP—钢组合吊杆，为在3根焊接成品字形的 32热轧粗钢筋外围湿法成型纵横向GF连续纤维构成的复合吊杆。FRP防护外壳，兼有承力和防护双重功能，保护吊杆使用至今既未锈蚀破坏也未变形超标，还借助其自带色彩成型的光洁外观效果，使该桥吊杆使用至今也未进行过表面涂装养护。此后，又于1999年、2001年、2007年分别完成重庆李家沱长江大桥主桥斜拉桥拉索、重庆鹅公岩长江大桥主桥悬索桥吊索和重庆菜园坝长江大桥主桥系杆拱桥吊索低端部位的FRP增强防护的设计和施工。这三座桥的索杆结构的FRP防护外壳，是在桥梁使用状态下直接在索杆结构的PE护壳表面现场湿法缠绕成型FRP防护外壳结构层和模具加压干法粘接成型FRP防护外壳饰面层构成。这不仅提高了索杆结构的密闭防渗和抗撞击划割破坏的能力，而且增加了索杆结构的外观美学效果（见图3—图6）。为检验FRP防护外壳的防护效果，使用中对鹅公岩大桥吊索和菜园坝大桥吊索的FRP防护外壳进行了解剖检测，均未发现索端锚箱内积水和锚头锈蚀现象（见图7和图8），证明FRP防护外壳对桥梁索杆结构的钢丝、钢筋防锈保护和提高索杆结构的耐久性大有帮助。
FRP防护外壳提高桥梁索杆结构耐久性的结构机理，一是FRP材料吸振、消能、抗断裂、耐疲劳的结构性能优于高强钢丝、钢筋和PE，二是FRP自防腐、易成型并与钢材连接具有分子间的吸引力，故比PE护壳更能与钢丝、钢筋连接牢固、共同工作和协调变形，长期振动状态下也不会先自身疲劳、断裂失效，从而不会产生PE那种高应力状态和振动疲劳下的界面剥离和表面龟裂破坏，故使索杆结构因增加了FRP防护外壳的长效防锈保护而增大了结构耐久性。
FRP防护外壳对索杆结构的附加结构贡献，一是FRP防护外壳中的纵向连续纤维能分担高强钢丝束或钢筋束的受力，二是FRP防护外壳中的横向缠绕纤维能约束钢丝或钢筋束的径向位移而增大其结构整体性，从而增大索杆结构的安全储备，这也从结构安全性方面提高了索杆结构的耐久性。
桥梁索杆结构FRP防护外壳的合理结构形式，为外壳结构层与外壳饰面层组合构成的组合壳体结构。外壳结构层，保证FRP防护外壳不先于索杆结构破坏而使防护失效；外壳饰面层，为FRP防护外壳提供光洁亮丽色彩且保色性好的外观效果。二者之间及其与索杆结构既连接牢固，又不会对索杆结构构成附加位移约束。
桥梁索杆结构FRP防护外壳的设计、施工关键技术，一是FRP外壳基于索、壳结构分析理论的设计原理；二是FRP外壳合理厚度的简化计算方法；三是FRP外壳结构层和饰面层既能连成结构整体又具有长久光洁外观效果的施工技术。
3.3 桥墩FRP防撞结构研究与实践成果
自定位、弱接触、高消能的FRP桥墩防撞浮箱，是重庆交通大学于2008年研发出的一种结构形式、连接方式和消能模式全新的桥墩防撞结构。该结构设计方案，在2010年3月重庆菜园坝长江大桥和黄花园嘉陵江大桥桥墩防撞工程的全国性设计竞标中胜出，现正据此进行黄花园大桥桥墩防撞工程的施工图设计。
桥墩FRP防撞浮箱结构的合理结构形式，为围护在桥墩周围的FRP外围箱体结构与附着于外围箱体结构内表面上的一排FRP内衬八边形柱壳薄壁构件组合构成的FRP组合式防撞结构【13】。其中，FRP外围箱体结构，为浮箱的抗撞消能主体结构和浮力平衡结构；FRP内衬柱壳构件，为浮箱与桥墩的弱接触连接支承结构和撞击缓冲结构（见图9）
FRP防撞浮箱结构与桥墩的连接方式，“平时”通过浮箱外围箱体结构顶舱内斜面上的自平衡定位滚筒与桥墩表面时刻贴紧并可沿桥墩表面上下滚动的接触方式及内衬柱壳构件与桥墩不接触或虽接触但不压实的连接方式，实现浮箱“只传递滚筒自重而不传递其它荷载给桥墩”的弱接触连接和“既能随水位变化上下浮动又能保持与桥墩的相对平面位置不变”的自定位连接。“撞时”在保持自平衡定位滚筒与桥墩的弱接触连接方式继续有效的基础上，增加内衬柱壳构件对桥墩进行撞击缓冲和作用面积扩散的又一弱接触支承连接，使桥墩直接承受的船撞作用经外围箱体结构消能后再经内衬构件的弱化传力得以进一步降低。
桥墩FRP防撞浮箱结构的消能模式，一是通过浮箱外围箱体结构中舱内相互密贴的FRP八边形和四边形柱壳薄壁构件的特殊结构构造（见图10）及其“撞时相互挤压、相互运动”的特殊结构行为产生变形消能和摩擦消能；二是通过浮箱内衬柱壳构件与桥墩的撞击缓冲，产生变形消能和溃散消能；三是通过浮箱外围箱体结构底舱和内衬柱壳构件下段内充满的水流，产生阻止浮箱向桥墩运动的水阻消能，共同消耗船舶撞击动能的70%以上，并使经浮箱柔性抗撞和弹性反推反作用与船舶的撞击力小于船舶的破坏荷载，保护船舶不被撞坏或减小船舶及船上人员的撞击伤害，还使浮箱借助其高强度、低刚度、完全弹性的材料、结构优势，减小其自身撞击损伤，保证浮箱在船撞全程都不退出工作，从而获得“既不伤墩、又少伤船、还少结构自伤”的最优防撞保护效果，达到“船桥和谐防撞”、“浮箱长效防撞”的桥墩防撞设计的最高境界。
桥墩FRP防撞浮箱结构设计、施工的关键技术，一是反映浮箱外围箱结构内多边形柱壳构件挤压变形、运动摩擦、溃散破坏及浮箱－水流耦合作用的结构分析理论和可靠计算方法，二是浮箱结构既强又柔、“平时”与桥墩既不脱离、又不压实、“撞时”既不伤墩、又少伤船、还少结构自伤的结构构造设计，三是浮箱立面分顶、中、底舱和平面分前、中、后箱工厂预制、现场组装且便于后期拆装维修的施工技术。
4 高耐久性FRP桥面系结构、构件研究与实践成果
4.1 FRP桥梁人行道板研究与实践成果
桥梁人行道板，虽不是桥梁的主承力结构和重要结构，但因其通过技术改造和技术创新能为桥梁提供“结构减重”和“耐久性提高”的明显效果，故成为桥梁工程师和研究人员日益关注的研究课题【14，15】重庆交通大学本世纪初研发出一种全新结构形式的FRP桥梁人行道板，先后投入西藏拉萨大桥和成都龙泉区飞龙桥等3座桥梁应用（图11，图12），带来了人行道板结构自重减轻、结构承载力、结构耐久性、行走舒适性、外观美观性提高和后期维修养护减少的全新效果【16】。
FRP桥梁人行道板的合理结构形式，是FRP空心板上覆环氧砾石铺装层的FRP－环氧砾石组合式空心板结构。FRP空心板，为人行道板的主承力结构和跨越结构；环氧砾石铺装层，为人行道板的顶面抗压增强结构和抗滑耐磨功能结构。FRP空心板与环氧砾石铺装层的界面连接，为后者基体树脂渗透进前者结构层内的嵌入式粘接连接，界面连接剪切强度可达到20MPa以上。
FRP桥梁人行道板的结构特点，一是结构自重比混凝土人行道板轻70%左右；二是结构设计由刚度条件控制，刚度条件满足下强度富余较多；三是结构无塑性变形，短期超载后卸载无残余变形（结构试验证明：超载1.1倍后1小时内卸载，变形完全恢复；超载42%且稳载180天后卸载，残余变形72小时内未能恢复）【16】。
FRP桥梁人行道板设计的关键技术，一是人行道板结构合理结构形式下空心板与铺装层的最优材料组成及最佳厚度比例，二是基于复合材料结构“等代设计”理论且经有限元计算和试验验证的简化计算方法，三是推出便于工程应用的标准构件形式及其设计标准图（见图13和表2）。
FRP桥梁人行道板施工的关键技术，一是先工厂机械化挤拉成型单元板再拆分或组合构成大、小板形式的标准板的FRP空心板预制施工技术，二是与FRP空心板的标准板同时工厂分块摊铺预制成型或先现场安装好FRP空心板再在其上整体摊铺成型环氧砾石铺装层的施工技术，三是FRP人行道板与钢或混凝土路缘、边纵梁的界面连接及人行道板整体结构或大、小标准板间温变伸缩构造施工技术。
4.2 FRP桥梁人行道栏杆研究与实践成果
为改变钢、铁、混凝土桥梁人行道栏杆自重大、耐久性差、后期维修养护多的技术现状和提升栏杆的技术经济含量，重庆交通大学于本世纪初研发出结构、功能效果优于这些栏杆的FRP桥梁人行道栏杆，经10余座桥梁应用检验证明，新栏杆不仅易达到上述目标，而且耐久性提高效果显著。
FRP桥梁人行道栏杆的合理结构形式，是采用自重轻、刚度大的空心薄壁构件形式的立柱、横栏、小柱三种标准构件组装构成适用于各种桥面纵坡的组合式栏杆结构。其中，栏杆横栏与立柱通过胶粘连接构成节点固结的栏杆排架，栏杆排架通过插入栏杆立柱套孔并特殊胶粘连接实现横向限位纵向滑动的整体栏杆结构。在此基础上，推出了便于工程应用的栅栏型板条式栏杆（见图14）和栅栏型宝瓶式栏杆（见图15）标准栏杆形式。前者具有刚劲、稳重气势，适用于大跨、特大跨桥梁；后者具有轻巧、典雅气质，适用于中、小跨径桥梁和人行桥梁。
FRP桥梁人行道栏杆的结构特点，一是栏杆自重比钢、铁栏杆减重50%左右，比混凝土栏杆减重80%左右，二是栏杆的温变伸缩通过栏杆排架与立柱间的滑动连接构造自由实现且不露痕迹，三是栏杆结构自带色彩成型并具有光洁亮丽外表，使用期内（至少30年内）不须涂装养护。
FRP桥梁人行道栏杆设计的关键技术，一是保证栏杆设计基准期50年内既抗结构破坏又省后期维修养护的合理结构形式与最优材料组成设计技术，二是为栏杆结构设计提供经结构试验验证的有限元计算方法。
FRP桥梁人行道栏杆施工的关键技术，一是栏杆立柱、横栏、小柱标准构件模具成型和栏杆排架工装成型的工厂预制施工技术，二是栏杆排架节点固结和排架与立柱套孔滑动连接的内部连接施工技术，三是栏杆立柱与钢或混凝土边纵梁胶粘连接和机械连接（焊接连接或螺栓连接）相结合的外部连接施工技术。
4.3 FRP—环氧砾石—沥青混凝土钢桥面铺装结构研究与实践成果
为解决沥青混凝土钢桥面铺装结构“沥青混凝土与钢桥面板材料性能悬殊导致二者界面剪应力较大”、“钢桥面板的防水层及其与沥青混凝土的粘接层容易破坏”、“铺装结构耐久性较差”的三大世界性技术难题，重庆交通大学与重庆市城投公司联合，研发出FRP－环氧砾石－沥青混凝土钢桥面铺装新结构。经初步理论分析和结构模拟试验研究证明，新铺装结构比常规沥青混凝土铺装结构具有“结构形式更合理”和“结构功能更完美”的质的进步【17】。
FRP－环氧砾石－沥青混凝土钢桥面铺装结构的合理结构形式，为FRP层合板或空心板式铺装下层、环氧砾石实心板式铺装中层和沥青混凝土实心板式铺装上层复合构成的异质三层结构形式的铺装结构（见图16）。FRP铺装下层与钢桥面板的界面连接，为FRP材料的基体树脂ER与钢板材料具有分子间的吸引力和FRP材料的增强纤维GF、CF对界面层具有结构增强作用的粘接连接；FRP铺装下层与环氧砾石铺装中层的界面连接，为二者基体树脂材料相同的自粘连接和二者连接界面的糙面粘接连接；环氧砾石铺装中层与沥青混凝土铺装上层的界面连接，为沥青混凝土铺装上层的沥青混合料嵌入环氧砾石铺装中层的外露砾石间空隙并握裹砾石构成的咬合式界面连接。
FRP－环氧砾石－沥青混凝土钢桥面铺装结构的结构特点，是在材料性能悬殊、界面连接较弱的钢桥面板和沥青混凝土层之间，加入既可实现二者材料刚度过渡、又可界面连接增强的FRP层和环氧砾石层，使钢桥面铺装结构的强者钢桥面板因与FRP层连为结构整体而增大了刚度和结构安全储备，并使钢桥面铺装结构的弱者沥青混凝土层因与环氧砾石层的界面连接增强而增大了界面剪切强度和整体结构效果，表明新铺装结构比常规铺装结构的结构形式和材料配伍更合理。并且，FRP铺装下层兼有钢桥面板防水层的长效防水功能，环氧砾石铺装中层兼有施工高温缓冲层的高温损伤保护功能，可使钢桥面铺装结构借助其更完美的结构功能而大幅提高其结构耐久性。材料试验证明，FRP铺装层与钢桥面板的界面剪切强度均大于20Mpa，模拟江阴长江大桥钢桥面铺装结构的横桥向弯曲试验（见图17和图18）证明，12mm钢桥面板＋25mmFRP空心板铺装下层＋5mm环氧砾石铺装中层＋27mm浇筑式沥青混凝土铺装上层结构形式的新铺装结构与12mm钢桥面板＋57mm浇筑式沥青混凝土铺装层结构形式的常规铺装结构相比，可减轻铺装结构自重0.35kN/㎡，增大钢板的横桥向抗弯刚度约1倍，减小钢板的横桥向正应力约15%，减小沥青混凝土层界面的横桥向剪应力约30%【17】
FRP－环氧砾石－沥青混凝土钢桥面铺装结构设计的关键技术，一是新铺装结构各层厚度最佳比例及其材料配伍设计，二是新铺装结构的整体结构计算分析原理及简化计算方法。
FRP－环氧砾石－沥青混凝土钢桥面铺装结构施工的关键技术，一是FRP铺装下层，尤其是FRP空心板式铺装下层与钢桥面板密贴粘接、牢固连接和施工高温损伤预防技术，二是环氧砾石铺装中层的砾石底部嵌入FRP铺装下层中、顶部外露且留有间隙便于沥青混合料握裹与咬合的机械化施工技术。
5 结论
1）高耐久性FRP桥梁结构、构件的适用类型，一是取代钢、混凝土结构、构件使其结构性能明显改善的全FRP结构、构件，二是与钢、混凝土结构、构件组合使其结构组成优化且结构性性能优于单一材料结构的FRP－钢或FRP－混凝土或FRP－钢－混凝土组合结构、构件，其工程应用有效的适用类型，主要有桥梁主体结构的FRP防护结构、构件和FRP桥面系结构、构件两类。
2）桥梁主体结构的高耐久性FRP防护结构、构件，主要有钢箱梁桥和钢桁架桥的FRP防护外壳、桥梁索杆结构的FRP防护外壳、桥墩FRP防撞浮箱结构三类；高耐久性FRP桥面系结构、构件，主要有FRP桥梁人行道板、FRP桥梁人行道栏杆和FRP－环氧砾石－沥青混凝土钢桥面铺装结构三类。它们的共同结构特点，一是几乎不增加主体结构自重或能减轻原桥结构自重，二是结构耐久性提高的同时，结构安全性、使用舒适性、维修经济性和外观美观性增加。
3）高耐久性FRP桥梁结构、构件，与FRP桥梁主承力结构和桥跨结构设计研究同样重要，随着研究与实践的深入，将共同推动桥梁向“大跨径”和“工业化施工”方向发展作出其应有的贡献。
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高耐久性FRP桥梁结构、构件的研究与实践，始于上世纪八十年代【6，9】，它虽然起步较FRP新桥设计研究晚，且规模、影响和技术含量也不如FRP新桥设计和建造，但因其能较有效地解决桥梁工程实际问题，且有望解决一些世界性的桥梁技术难题，如像钢桥面铺装的耐久性技术难题、桥墩防撞结构的“和谐防撞、“长效防撞”等技术难题，故更受工程欢迎和更易推广应用。笔者从上世纪八十年未开始进行桥梁主体结构的高耐久性FRP防护结构、构件和高耐久性FRP桥面系结构、构件的研究与实践，经初步理论、试验研究和工程应用证明其结构耐久性提高显著。现总结推出这种新结构、构件的适用类型、合理结构形式和设计、施工关键技术，供高耐久性桥梁结构、构件设计参考。
1 工程背景
高耐久性FRP桥梁结构、构件的研究与实践，主要结合如下工程进行：
1) 重庆市高新区六店小区钢桁箱梁桥高耐久性FRP防护外壳工程；
2) 重庆李家沱长江大桥、鹅公岩长江大桥、菜园坝长江大桥等桥梁索杆结构高耐久性FRP防护外壳工程；
3) 重庆菜园坝长江大桥、黄花园嘉陵江大桥桥墩高耐久性防撞结构工程；
4) 西藏拉萨大桥、成都龙泉驿飞龙桥等三座桥梁和重庆东水门长江大桥、千厮门嘉陵江大桥高耐久性FRP桥梁人行道板工程；
5）重庆机场高速公路金渝立交桥、高新区市政道路A1线高架桥等10余座桥梁高耐久性FRP桥梁人行道栏杆工程；
6）江阴长江大桥、重庆鹅公岩长江大桥高耐久性FRP—环氧砾石—沥青混凝土钢桥面铺装试验工程。
2 高耐久性FRP桥梁结构、构件的适用类型
FRP种类较多，目前用于桥梁结构、构件的FRP主要有CFRP（碳纤维增强复合材料）、GFRP（玻璃纤维增强复合材料）和AFRP（芳纶纤维增强复合材料）三类。三者既有轻质高强、完全弹性、防撞抗裂、吸振消能、耐疲劳、耐腐蚀、易成型的共同优点，也有层间强度低、断裂伸长率小、强度的方向性差异大、工程造价高的共同缺点，还有CFRP较GFRP和AFRP弹性模量、断裂伸长率、材料价格相差较大、GFRP与AFRP结构性能相近但经济性能前者优于后者的个性差异（见表1）【11-12】。
FRP的材料性能特点，决定了FRP用于高耐久性桥梁结构、构件须选择既能发挥FRP材料性能之长，又能对桥梁的结构耐久性提高帮助最大的适用类型。基于合理结构形式考虑，高耐久性FRP桥梁结构、构件的适用类型，一是取代钢、混凝土结构、构件使其结构性能明显改善的全FRP结构、构件；二是与钢、混凝土结构、构件组合使其结构组成优化且结构性能优于单一材料结构的FRP—钢或FRP－混凝土或FRP—钢—混凝土组合结构、构件。基于技术、经济可行考虑，高耐久性FRP桥梁结构、构件的适用类型，主要有桥梁主体结构的FRP防护结构、构件和FRP桥面系结构、构件两类。
经工程实践证明技术、经济可行的这两类结构、构件，具有如下共同优点：
1） 结构耐久性提高的同时，结构安全性、使用舒适性、维修经济性及外观美观性增加；
2） 大部份可采用FRP中价格最低的GFRP制造，工程造价与钢、混凝土结构、构件接近；
3） 结构性能无明显褪化的老化寿命可达50年以上，可使这些桥梁结构、构件的使用寿命增加和使
用价值提升。
3 桥梁主体结构的高耐久性FRP防护结构、构件研究与实践成果
3.1 钢箱梁桥、钢桁架桥的FRP防护外壳研究与实践成果
采用FRP防护外壳将钢桁架桥桥面以下暴露的桁架结构围护起来，同时兼作桥梁检修通道的研究，最早始于英国。1987年，英国Maunseel Structural Plastics公司在Tees Viaduct的一座桥梁上试用成功，其后在英国的许多桥梁上推广应用，并编制了相应的技术规范。在此基础上，英国剑桥大桥于1997年研发出一种新型空间桁架桥梁结构体系（简称为SPACES）。新结构由钢管桁架外包覆FRP箱形外壳加上钢或混凝土桥道板组成，适用于跨径40m以上的梁式桥及大跨径索支承桥的加劲梁。与传统的钢桥如板梁桥、加劲箱梁桥和桁架桥相比，可节省钢材约50%，1/2缩尺模型的SPACES梁段结构试验还证明，FRP箱形防护外壳不仅可为钢桁架提供防锈保护，而且还使SPACES的抗扭刚度比桁架结构增大约50%【13】。
1989年，重庆交通大学对重庆观音桥人行立交桥挠曲变形较大的GFRP简支箱梁进行加固设计时，通过在原GFRP箱梁内增设钢桁架构成钢桁架—FRP箱梁组合桁箱梁结构，在增大原结构刚度的同时，节省了新结构的防锈保护，并使原桥结构外形保持不变。该桥加固使用10年后随桥下步行街修建对其进行撤除时，解剖GFRP箱梁检查钢桁架未发生锈蚀。2006年，重庆交通大学进行重庆高新区六店小区人行天桥设计时，为解决“桥位超深软基要求上部结构减重”的技术难题和满足业主“使用期至少30年内不涂装养护”的使用要求，将天桥桥道梁设计成图1所示横截面形式的钢桁箱梁—FRP箱形防护外壳组合桁箱梁结构。钢桁箱梁由3榀5号槽钢轻型纵向桁架外联10mm厚的箱形钢板构成；FRP防护外壳为在钢桁箱梁上整体湿法缠绕成型FRP外壳结构层再干法粘接外壳饰面层构成。天桥长18.8m，宽3.0m，上部结构梁高0.5m，自重约3.0kN/㎡，仅为设计荷载（人群荷载4.5kN/㎡）的2/3，FRP箱形外壳自带色彩和光洁外表，施工为工厂预制整体运输吊装就位，工程造价为26万元。天桥建成后的外观效果如图2所示。
钢箱梁、钢桁架桥的FRP防护外壳的结构机理，是借助二者材料的分子间吸引力与钢结构连接牢固而共同工作，并借助材料自身的高强低模、完全弹性不对钢结构构成附加约束和不先行破坏而使防护失效，从而能对钢结构提供长效防护而提高结构的耐久性。
钢桁架桥FRP防护外壳的附加结构贡献，是提高钢桁架结构的抗扭刚度和纵横向稳定性，减轻桁架结构的自重和节点应力集中，即在提高结构耐久性的同时，增大结构的安全性和经济性。
钢箱梁桥、钢桁架桥FRP防护外壳的合理结构形式，是既能与前者连成结构整体又不对前者构成附加约束、不仅可提高其结构耐久性而且可提高结构其它力学性能和美学效果的FRP箱形外壳的壳体结构形式及其与桁架节点的“应力平缓过渡”连接方式【9】。
钢箱梁桥、钢桁架桥FRP防护外壳的设计、施工关键技术，一是基于“刚度分配”和“变形传递”的组合结构设计原理，二是FRP防护外壳合理厚度的简化计算方法，三是FRP防护外壳分次成型外壳结构层和外壳饰面层的施工技术。
3.2 桥梁索杆结构的FRP防护外壳研究与实践成果
斜拉桥拉索、悬索桥吊索和中承式拱桥、系杆拱桥吊杆、吊索等桥梁索杆结构的FRP防护外壳，是在新桥索杆结构的高强钢筋束或高强钢丝束的外围工厂挤拉或缠绕成型FRP外壳，或在旧桥索杆结构的PE防护壳表面现场缠绕成型FRP外壳构成的一种结构受力更合理和结构耐久性更优秀的新型防护外壳。
上世纪九十年代末，重庆交通大学与重庆市城投公司联合，在国内率先进行桥梁索杆结构FRP防护外壳的研究与实践。1998年，设计建成首座采用FRP—钢组合吊杆的重庆北碚区文星湾中承式人行拱桥（见图3）。该桥的FRP—钢组合吊杆，为在3根焊接成品字形的 32热轧粗钢筋外围湿法成型纵横向GF连续纤维构成的复合吊杆。FRP防护外壳，兼有承力和防护双重功能，保护吊杆使用至今既未锈蚀破坏也未变形超标，还借助其自带色彩成型的光洁外观效果，使该桥吊杆使用至今也未进行过表面涂装养护。此后，又于1999年、2001年、2007年分别完成重庆李家沱长江大桥主桥斜拉桥拉索、重庆鹅公岩长江大桥主桥悬索桥吊索和重庆菜园坝长江大桥主桥系杆拱桥吊索低端部位的FRP增强防护的设计和施工。这三座桥的索杆结构的FRP防护外壳，是在桥梁使用状态下直接在索杆结构的PE护壳表面现场湿法缠绕成型FRP防护外壳结构层和模具加压干法粘接成型FRP防护外壳饰面层构成。这不仅提高了索杆结构的密闭防渗和抗撞击划割破坏的能力，而且增加了索杆结构的外观美学效果（见图3—图6）。为检验FRP防护外壳的防护效果，使用中对鹅公岩大桥吊索和菜园坝大桥吊索的FRP防护外壳进行了解剖检测，均未发现索端锚箱内积水和锚头锈蚀现象（见图7和图8），证明FRP防护外壳对桥梁索杆结构的钢丝、钢筋防锈保护和提高索杆结构的耐久性大有帮助。
FRP防护外壳提高桥梁索杆结构耐久性的结构机理，一是FRP材料吸振、消能、抗断裂、耐疲劳的结构性能优于高强钢丝、钢筋和PE，二是FRP自防腐、易成型并与钢材连接具有分子间的吸引力，故比PE护壳更能与钢丝、钢筋连接牢固、共同工作和协调变形，长期振动状态下也不会先自身疲劳、断裂失效，从而不会产生PE那种高应力状态和振动疲劳下的界面剥离和表面龟裂破坏，故使索杆结构因增加了FRP防护外壳的长效防锈保护而增大了结构耐久性。
FRP防护外壳对索杆结构的附加结构贡献，一是FRP防护外壳中的纵向连续纤维能分担高强钢丝束或钢筋束的受力，二是FRP防护外壳中的横向缠绕纤维能约束钢丝或钢筋束的径向位移而增大其结构整体性，从而增大索杆结构的安全储备，这也从结构安全性方面提高了索杆结构的耐久性。
桥梁索杆结构FRP防护外壳的合理结构形式，为外壳结构层与外壳饰面层组合构成的组合壳体结构。外壳结构层，保证FRP防护外壳不先于索杆结构破坏而使防护失效；外壳饰面层，为FRP防护外壳提供光洁亮丽色彩且保色性好的外观效果。二者之间及其与索杆结构既连接牢固，又不会对索杆结构构成附加位移约束。
桥梁索杆结构FRP防护外壳的设计、施工关键技术，一是FRP外壳基于索、壳结构分析理论的设计原理；二是FRP外壳合理厚度的简化计算方法；三是FRP外壳结构层和饰面层既能连成结构整体又具有长久光洁外观效果的施工技术。
3.3 桥墩FRP防撞结构研究与实践成果
自定位、弱接触、高消能的FRP桥墩防撞浮箱，是重庆交通大学于2008年研发出的一种结构形式、连接方式和消能模式全新的桥墩防撞结构。该结构设计方案，在2010年3月重庆菜园坝长江大桥和黄花园嘉陵江大桥桥墩防撞工程的全国性设计竞标中胜出，现正据此进行黄花园大桥桥墩防撞工程的施工图设计。
桥墩FRP防撞浮箱结构的合理结构形式，为围护在桥墩周围的FRP外围箱体结构与附着于外围箱体结构内表面上的一排FRP内衬八边形柱壳薄壁构件组合构成的FRP组合式防撞结构【13】。其中，FRP外围箱体结构，为浮箱的抗撞消能主体结构和浮力平衡结构；FRP内衬柱壳构件，为浮箱与桥墩的弱接触连接支承结构和撞击缓冲结构（见图9）
FRP防撞浮箱结构与桥墩的连接方式，“平时”通过浮箱外围箱体结构顶舱内斜面上的自平衡定位滚筒与桥墩表面时刻贴紧并可沿桥墩表面上下滚动的接触方式及内衬柱壳构件与桥墩不接触或虽接触但不压实的连接方式，实现浮箱“只传递滚筒自重而不传递其它荷载给桥墩”的弱接触连接和“既能随水位变化上下浮动又能保持与桥墩的相对平面位置不变”的自定位连接。“撞时”在保持自平衡定位滚筒与桥墩的弱接触连接方式继续有效的基础上，增加内衬柱壳构件对桥墩进行撞击缓冲和作用面积扩散的又一弱接触支承连接，使桥墩直接承受的船撞作用经外围箱体结构消能后再经内衬构件的弱化传力得以进一步降低。
桥墩FRP防撞浮箱结构的消能模式，一是通过浮箱外围箱体结构中舱内相互密贴的FRP八边形和四边形柱壳薄壁构件的特殊结构构造（见图10）及其“撞时相互挤压、相互运动”的特殊结构行为产生变形消能和摩擦消能；二是通过浮箱内衬柱壳构件与桥墩的撞击缓冲，产生变形消能和溃散消能；三是通过浮箱外围箱体结构底舱和内衬柱壳构件下段内充满的水流，产生阻止浮箱向桥墩运动的水阻消能，共同消耗船舶撞击动能的70%以上，并使经浮箱柔性抗撞和弹性反推反作用与船舶的撞击力小于船舶的破坏荷载，保护船舶不被撞坏或减小船舶及船上人员的撞击伤害，还使浮箱借助其高强度、低刚度、完全弹性的材料、结构优势，减小其自身撞击损伤，保证浮箱在船撞全程都不退出工作，从而获得“既不伤墩、又少伤船、还少结构自伤”的最优防撞保护效果，达到“船桥和谐防撞”、“浮箱长效防撞”的桥墩防撞设计的最高境界。
桥墩FRP防撞浮箱结构设计、施工的关键技术，一是反映浮箱外围箱结构内多边形柱壳构件挤压变形、运动摩擦、溃散破坏及浮箱－水流耦合作用的结构分析理论和可靠计算方法，二是浮箱结构既强又柔、“平时”与桥墩既不脱离、又不压实、“撞时”既不伤墩、又少伤船、还少结构自伤的结构构造设计，三是浮箱立面分顶、中、底舱和平面分前、中、后箱工厂预制、现场组装且便于后期拆装维修的施工技术。
4 高耐久性FRP桥面系结构、构件研究与实践成果
4.1 FRP桥梁人行道板研究与实践成果
桥梁人行道板，虽不是桥梁的主承力结构和重要结构，但因其通过技术改造和技术创新能为桥梁提供“结构减重”和“耐久性提高”的明显效果，故成为桥梁工程师和研究人员日益关注的研究课题【14，15】重庆交通大学本世纪初研发出一种全新结构形式的FRP桥梁人行道板，先后投入西藏拉萨大桥和成都龙泉区飞龙桥等3座桥梁应用（图11，图12），带来了人行道板结构自重减轻、结构承载力、结构耐久性、行走舒适性、外观美观性提高和后期维修养护减少的全新效果【16】。
FRP桥梁人行道板的合理结构形式，是FRP空心板上覆环氧砾石铺装层的FRP－环氧砾石组合式空心板结构。FRP空心板，为人行道板的主承力结构和跨越结构；环氧砾石铺装层，为人行道板的顶面抗压增强结构和抗滑耐磨功能结构。FRP空心板与环氧砾石铺装层的界面连接，为后者基体树脂渗透进前者结构层内的嵌入式粘接连接，界面连接剪切强度可达到20MPa以上。
FRP桥梁人行道板的结构特点，一是结构自重比混凝土人行道板轻70%左右；二是结构设计由刚度条件控制，刚度条件满足下强度富余较多；三是结构无塑性变形，短期超载后卸载无残余变形（结构试验证明：超载1.1倍后1小时内卸载，变形完全恢复；超载42%且稳载180天后卸载，残余变形72小时内未能恢复）【16】。
FRP桥梁人行道板设计的关键技术，一是人行道板结构合理结构形式下空心板与铺装层的最优材料组成及最佳厚度比例，二是基于复合材料结构“等代设计”理论且经有限元计算和试验验证的简化计算方法，三是推出便于工程应用的标准构件形式及其设计标准图（见图13和表2）。
FRP桥梁人行道板施工的关键技术，一是先工厂机械化挤拉成型单元板再拆分或组合构成大、小板形式的标准板的FRP空心板预制施工技术，二是与FRP空心板的标准板同时工厂分块摊铺预制成型或先现场安装好FRP空心板再在其上整体摊铺成型环氧砾石铺装层的施工技术，三是FRP人行道板与钢或混凝土路缘、边纵梁的界面连接及人行道板整体结构或大、小标准板间温变伸缩构造施工技术。
4.2 FRP桥梁人行道栏杆研究与实践成果
为改变钢、铁、混凝土桥梁人行道栏杆自重大、耐久性差、后期维修养护多的技术现状和提升栏杆的技术经济含量，重庆交通大学于本世纪初研发出结构、功能效果优于这些栏杆的FRP桥梁人行道栏杆，经10余座桥梁应用检验证明，新栏杆不仅易达到上述目标，而且耐久性提高效果显著。
FRP桥梁人行道栏杆的合理结构形式，是采用自重轻、刚度大的空心薄壁构件形式的立柱、横栏、小柱三种标准构件组装构成适用于各种桥面纵坡的组合式栏杆结构。其中，栏杆横栏与立柱通过胶粘连接构成节点固结的栏杆排架，栏杆排架通过插入栏杆立柱套孔并特殊胶粘连接实现横向限位纵向滑动的整体栏杆结构。在此基础上，推出了便于工程应用的栅栏型板条式栏杆（见图14）和栅栏型宝瓶式栏杆（见图15）标准栏杆形式。前者具有刚劲、稳重气势，适用于大跨、特大跨桥梁；后者具有轻巧、典雅气质，适用于中、小跨径桥梁和人行桥梁。
FRP桥梁人行道栏杆的结构特点，一是栏杆自重比钢、铁栏杆减重50%左右，比混凝土栏杆减重80%左右，二是栏杆的温变伸缩通过栏杆排架与立柱间的滑动连接构造自由实现且不露痕迹，三是栏杆结构自带色彩成型并具有光洁亮丽外表，使用期内（至少30年内）不须涂装养护。
FRP桥梁人行道栏杆设计的关键技术，一是保证栏杆设计基准期50年内既抗结构破坏又省后期维修养护的合理结构形式与最优材料组成设计技术，二是为栏杆结构设计提供经结构试验验证的有限元计算方法。
FRP桥梁人行道栏杆施工的关键技术，一是栏杆立柱、横栏、小柱标准构件模具成型和栏杆排架工装成型的工厂预制施工技术，二是栏杆排架节点固结和排架与立柱套孔滑动连接的内部连接施工技术，三是栏杆立柱与钢或混凝土边纵梁胶粘连接和机械连接（焊接连接或螺栓连接）相结合的外部连接施工技术。
4.3 FRP—环氧砾石—沥青混凝土钢桥面铺装结构研究与实践成果
为解决沥青混凝土钢桥面铺装结构“沥青混凝土与钢桥面板材料性能悬殊导致二者界面剪应力较大”、“钢桥面板的防水层及其与沥青混凝土的粘接层容易破坏”、“铺装结构耐久性较差”的三大世界性技术难题，重庆交通大学与重庆市城投公司联合，研发出FRP－环氧砾石－沥青混凝土钢桥面铺装新结构。经初步理论分析和结构模拟试验研究证明，新铺装结构比常规沥青混凝土铺装结构具有“结构形式更合理”和“结构功能更完美”的质的进步【17】。
FRP－环氧砾石－沥青混凝土钢桥面铺装结构的合理结构形式，为FRP层合板或空心板式铺装下层、环氧砾石实心板式铺装中层和沥青混凝土实心板式铺装上层复合构成的异质三层结构形式的铺装结构（见图16）。FRP铺装下层与钢桥面板的界面连接，为FRP材料的基体树脂ER与钢板材料具有分子间的吸引力和FRP材料的增强纤维GF、CF对界面层具有结构增强作用的粘接连接；FRP铺装下层与环氧砾石铺装中层的界面连接，为二者基体树脂材料相同的自粘连接和二者连接界面的糙面粘接连接；环氧砾石铺装中层与沥青混凝土铺装上层的界面连接，为沥青混凝土铺装上层的沥青混合料嵌入环氧砾石铺装中层的外露砾石间空隙并握裹砾石构成的咬合式界面连接。
FRP－环氧砾石－沥青混凝土钢桥面铺装结构的结构特点，是在材料性能悬殊、界面连接较弱的钢桥面板和沥青混凝土层之间，加入既可实现二者材料刚度过渡、又可界面连接增强的FRP层和环氧砾石层，使钢桥面铺装结构的强者钢桥面板因与FRP层连为结构整体而增大了刚度和结构安全储备，并使钢桥面铺装结构的弱者沥青混凝土层因与环氧砾石层的界面连接增强而增大了界面剪切强度和整体结构效果，表明新铺装结构比常规铺装结构的结构形式和材料配伍更合理。并且，FRP铺装下层兼有钢桥面板防水层的长效防水功能，环氧砾石铺装中层兼有施工高温缓冲层的高温损伤保护功能，可使钢桥面铺装结构借助其更完美的结构功能而大幅提高其结构耐久性。材料试验证明，FRP铺装层与钢桥面板的界面剪切强度均大于20Mpa，模拟江阴长江大桥钢桥面铺装结构的横桥向弯曲试验（见图17和图18）证明，12mm钢桥面板＋25mmFRP空心板铺装下层＋5mm环氧砾石铺装中层＋27mm浇筑式沥青混凝土铺装上层结构形式的新铺装结构与12mm钢桥面板＋57mm浇筑式沥青混凝土铺装层结构形式的常规铺装结构相比，可减轻铺装结构自重0.35kN/㎡，增大钢板的横桥向抗弯刚度约1倍，减小钢板的横桥向正应力约15%，减小沥青混凝土层界面的横桥向剪应力约30%【17】
FRP－环氧砾石－沥青混凝土钢桥面铺装结构设计的关键技术，一是新铺装结构各层厚度最佳比例及其材料配伍设计，二是新铺装结构的整体结构计算分析原理及简化计算方法。
FRP－环氧砾石－沥青混凝土钢桥面铺装结构施工的关键技术，一是FRP铺装下层，尤其是FRP空心板式铺装下层与钢桥面板密贴粘接、牢固连接和施工高温损伤预防技术，二是环氧砾石铺装中层的砾石底部嵌入FRP铺装下层中、顶部外露且留有间隙便于沥青混合料握裹与咬合的机械化施工技术。
5 结论
1）高耐久性FRP桥梁结构、构件的适用类型，一是取代钢、混凝土结构、构件使其结构性能明显改善的全FRP结构、构件，二是与钢、混凝土结构、构件组合使其结构组成优化且结构性性能优于单一材料结构的FRP－钢或FRP－混凝土或FRP－钢－混凝土组合结构、构件，其工程应用有效的适用类型，主要有桥梁主体结构的FRP防护结构、构件和FRP桥面系结构、构件两类。
2）桥梁主体结构的高耐久性FRP防护结构、构件，主要有钢箱梁桥和钢桁架桥的FRP防护外壳、桥梁索杆结构的FRP防护外壳、桥墩FRP防撞浮箱结构三类；高耐久性FRP桥面系结构、构件，主要有FRP桥梁人行道板、FRP桥梁人行道栏杆和FRP－环氧砾石－沥青混凝土钢桥面铺装结构三类。它们的共同结构特点，一是几乎不增加主体结构自重或能减轻原桥结构自重，二是结构耐久性提高的同时，结构安全性、使用舒适性、维修经济性和外观美观性增加。
3）高耐久性FRP桥梁结构、构件，与FRP桥梁主承力结构和桥跨结构设计研究同样重要，随着研究与实践的深入，将共同推动桥梁向“大跨径”和“工业化施工”方向发展作出其应有的贡献。
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