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1、 30 纖維強化塑膠應用於橋工程的案與課題 蘇藤成 、 張茉莉纖維強化塑膠應用於橋梁工程 的案例與課題 蘇藤成 張茉莉 中興工程科技研究發展基金會 概述 概述 土與木為過去土木工程所用的材，最早的橋使用過木與石 。18 世紀後半，產業革命以後，英國於1779在Severn河上建造一座世界最早的鐵橋。因鐵與混凝土已可價取得，乃用其耐久性及強上的優特性，取代木 、 石 ，成為建造橋的材 。 目前鋼鐵與混凝土仍為建造橋的主要材。但在的環境條件下，鋼鐵與混凝土均會面很大的問題 ， 如在沿海地區，鋼鐵容生鏽，鋼筋混凝土會因鋼筋受到鹽份鏽蝕而開。在 20 世紀後半建造的橋，其性能通常已化，需要補強、補修或
2、重建；此時除需增加財政上的負擔外，尚需面對環境方面的問題。為克服此種困難問題 ， 已促使各先進國家進新材的研發工作。 美國著重於以纖維強化塑膠（fiber reinforced plastic,簡稱 FRP）為主的複合材的研發。FRP 最大用戶的軍需產業，其技術隨著柏圍牆的倒塌與長期戰之結束，被迫轉移至民需工業。因此，美國對 FRP 橋的研究開始活躍，在人橋、公橋、公橋的橋面板等方面，均持續積許多實際使用 FRP 的案。雖然在公橋方面，大多屬於試驗性者；但在人橋方面，則已建造相當長跨距的橋。美國對 FRP 橋的研究潮傳至歐洲之後 ， 英國及麥等國亦開始進研究，並有少實際案。日本方面，則自 19
3、90 前半開始研究，而且已有很大的進展，並在 2000 完成第一座使用FRP 的沖繩人橋。 FRP 的特性 FRP 的特性 FRP 係以在常溫下可硬化的各種優越成形性樹脂為基本材 ， 並使用各種化學纖維強化的複合材 。 因具有輕質及耐蝕的特性，目前在塑膠系材之中，FRP為最被廣泛使用於結構材者 。 FRP 僅在強或彈性模等機械性質具有優越性，而且具有優越的成形性。此外，亦被證實其震動衰減性與撞擊時的能吸收性極佳，因而在實用方面漸被用。由於其具有優越的成形性 ， 因而成為開發新用途的促進原動。 茲將 FRP 的輕質性、耐蝕性及其他特性簡單介紹於下： 一、輕質性 樹脂的彈性模非常低，強亦低，計畫報
4、導 計畫報導 4-BG-472010 年 3 月 31 水土木科技資訊季刊-47 期 係一種比重約為 1.11.3 的輕質材。用於強化材的化學纖維比重，玻璃纖維（glass fiber）約為 2.5，碳纖維（carbon fiber）約為 1.61.8，芳香族聚醯胺纖維（aramid fiber）約為 1.45，亦均為輕質材。將這些原，以各種樹脂（飽和聚脂、環氧樹脂、乙烯酯樹脂、酚醛樹脂等）作為基本材 ， 再與具有優越機械性質的各種纖維強化材組合 ， 作成機械性質優的輕質結構材者即為 FRP。 各種結構材的輕質性指標 ， 常用比強及比彈性模的特徵值表示 。 玻璃纖維強化塑膠（GFRP）及碳纖維
5、強化塑膠（CFRP）的比強及比彈性模，與以往的代表性結構材比較，則與其FRP 的比彈性模大於屬系材者 ， 如 FRP 的比強比屬系材者大許多，可謂 FRP 係質輕且機械性質優的材。 二、耐蝕性 僅構成 FRP 強化材的各種化學纖維 ， 而且以飽和聚酯與環氧樹脂等作為基本材的各種樹脂 ， 均具有比屬系材優的耐蝕性 ， 而且對抗塩害與各種酸亦較強。 三、其他特性 FRP 除具有輕質性及耐蝕性之外 ， 尚可藉由使用基本材 ， 使其具有優的功能特性 。 選擇耐熱性或耐燃燒性高的樹脂作為基本材時，在高溫下亦可使用，具耐火災的 FRP 已達實用化。此外，將作為強化材的纖維原 ， 以碳纖維與玻璃纖維，碳纖維
6、與芳香族聚醯胺纖維組合，亦可開發出能同時提高機械性質及多功能化的混合材。 將 FRP 應用於橋梁的理由 將 FRP 應用於橋梁的理由 應用 FRP 的由，係以質輕及可減低維護管費用為主要原因 ， 此外亦包括對景觀的影響 、 能吸收性高及活用非磁性等特性的由在內。 用 FRP 的輕質性，僅可減小作用於下部結構的上部結構反 、 減輕運輸重、安裝機材與設備的輕型化、縮短工期及增加經濟性 ， 而且亦可提高對地質條件或地形條件的適應性。 在沿海地區塩害及腐蝕環境 ， 可用FRP 優越的耐蝕性，提高耐久性，從而可大為減低經常維修費。 此外，因 FRP 著色容，顏色可自由選擇，而且因具有優的成形性，可自由選
7、擇形 ， 所以比鋼材或混凝土接近自然環境，亦為應用 FRP 的由之一。 FRP 應用於人行橋、公路橋的橋面FRP 應用於人行橋、公路橋的橋面 板及公路橋的案例 板及公路橋的案例 一、應用於人橋的案 應用 FRP 於人橋的由，包括輕質性、低維護管費、低搬運費及景觀等。玆擇主要案簡單介紹於下： 1. Logspan Prestek 1990 代架設於美國舊山的國家公園內 。 因位於常受花侵襲的地點而以FRP 建造 ， 係中央跨徑 21.4 m ， 總重 5 tonf的吊橋式人橋 。 本橋的構件運輸及工地32 纖維強化塑膠應用於橋工程的案與課題 蘇藤成 、 張茉莉架設係使用直昇機進作業。 2. Ab
8、erfeldy Footbridge 1992架設於英國Scotland Aberfeldy高爾夫球場內的 Tay 河。以全 FRP 造人橋而言，係全世界最早及橋長最長 （共133 m）的斜張橋。應用 FRP 的由，係為使處於軟弱地盤的下部結構最小化 ， 使工地架設迅速，以及使業者節經費。 3. Antioch Pedestrian Bridge 架設於美國伊州 Antioch 高爾夫球場內，係橋長 13.5 m，寬 3.0 m，總重 5 tonf 的桁架式人橋。此橋係為監測於美國一般環境下的複合材結構之長期耐久性而興建 ， 故在其主要構件裝置應變計進定期測。 4. Kolding Bridg
9、e 1997 建於麥，係橋長 40 m 的斜張式人橋。總重 13 tonf，約為同規模鋼橋的一半，橋體的架設僅用 18 小時。 5. 沖繩 FRP 人橋 2000 建於日本沖繩縣伊計平川縣公公園（road park） ，用以接設在公側的瞭望塔，橋長 37 m，有效寬 3.5 m。因考四面環海，腐蝕環境，而採用全 FRP 造的人橋。橋體在工廠組裝完成後，用平台船運輸，再以吊整體架設。此橋為日本最早的 FRP 橋。 二、應用於公橋橋面板的案 應用 FRP 的案，以應用於公橋橋面板最多 （約有 30 餘案） ，且多集中於美國部各州。公橋的 FRP 橋面板大致可分為種。其一係僅以 FRP 構成的橋面板
10、；另一係外部份為 FRP，而在內部填充水砂漿或硬質發泡胺甲酸乙酯(urethane)的橋面板。後者多，而以前者之案居多 。 經常被使用的橋面板斷面結構 ， 係以黏著劑將拔成形材黏合成厚 20 cm 的蜂巢結構。 玆針對實際使用於公橋的 4 種FRP 橋面板的案，簡單介紹於下： 1. Superdeck 係根據美國軍 CPAR 計畫的設計與試驗所開發者。應用於實際橋方面，以1997 在美國 West Virginia 州 Taylor 郡所建造的Wick Wire Run Bridge及同在West Virginia 州 Lewis 郡所興建的 Laurel Lick Bridge 較為著名。引
11、進的目的，包括建議使用具有耐久性的 FRP 橋面板替代混凝土橋面板，及構築全部以 FRP 材構成的短跨徑橋系統。 Wick Wire Run Bridge - 係橋長9.14 m，寬 6.61 m 的單跨公橋。FRP使用於橋面板結構，主使用鋼製的 4主。施工時，因其重僅約為鋼筋混凝土面板的 1/51/6，故具有可縮短架設時間（可抑制對公交通的影響）的效果。 Laurel Lick Bridge - 本節三之 1.。 2. Dura Span 係 1992 由 Lockheed Martin 公司以橋面板的輕質化與提高施工速及耐久性為目的所開發者 。 應用於實際橋的情況 ， 包括 ： 11999
12、 在美國 Ohio 州 Darke郡施試驗施工時，在 Woodington Run所架設的橋；22001 在美國 Iowa 州的 Bettendorf 所建跨越 Crow Creek 的橋；32000 在美國 New York 州的2010 年 3 月 33 水土木科技資訊季刊-47 期 Warrensburg 所建跨越 Schroon 河的橋；及42001 在美國 Maryland 州的Harford 郡所建跨越 Deer Creek 的橋。 3. ASSET 研究計畫係以藉由使用 FRP ， 謀求高耐久性、輕質化及施工的合化為目的，而開發設置於新橋及拆換既有橋面板的最適宜橋面板。應用於實際
13、橋的案，有位於英國 Oxfordshire 州，在 2002 改建 為 使 用 FRP 橋 面 板 的 West Mill Bridge。新橋的跨徑 10 m，寬 7 m。 4. ACCS 係英國所開發的四方形單元續形的橋面板。應用於實際橋的案，有位於英國 Glouceter 市近郊的 Bonds Mill Lift Bridge。此橋係一座活動橋，橋長 8.2 m，寬 4.3 m。 三、應用於公橋的案 FRT 應用於公橋的案約有 10 餘，應用 FRP 的由，大致為輕質化及低維護管費 。 玆擇主要案簡單介紹於下： 1. Laurel Lick Bridge 1997 建於美國西維吉尼亞州，橋
14、長 6.1 m，寬 4.88 m。主、橋面板及橋台的基礎樁均使用 FRP，橋面板採用蜂巢結構，並在橋面板上鋪設薄層的聚合物混凝土 （polymer concrete） 面。 2. Toms Creek Bridge 1997 建於美國，以取代距維吉尼亞工科大學約 2.4 km 的鄉村道上之舊鋼橋。新橋長 6.0 m，寬 7.2 m，主使用高 20 cm 的箱形工 。 主的基本材為乙烯酯樹脂 ， 強化材使用碳纖維與玻璃纖維併用拔成形材。 3. TECH21 1997 架設於美國俄亥俄州郊外，橋長 10 m，寬 7.2 m，使用斷面較大的主。主使用手工積層 U 型。強化纖維使用 E 玻璃，基本材使
15、用飽和聚酯樹脂 。 橋面板採用以拔成型的梯型斷面管作為心材，再以 FRP 板夾緊的三明治式結構。 今後的課題 今後的課題 一、應用於人橋的課題 FRP 材因具有腐蝕的特性而可削減維護費用 ， 又因其重輕而可減輕下部結構的載重負擔 ， 係一種可使建設工程輕型化的材。但將 FRP 材應用於人橋時，尚有一些課題須予解決。 1. 接頭結構的問題 建設人橋時，因受運輸上的限制，其主通常均需分成節塊，因而需要節塊的接頭。為使能夠在架設現地於在短期間內接合，應開發出適合於 FRP 材的接頭結構，並施試驗，經充分檢討後，訂定某種程的設計基準。 2. 撓與振動的問題 按人橋基準 ， 將活載重撓抑制在跨徑的 1/600 以內施設計，則將構成應小於抗強非常多的斷面 ； 因此橋的高將大於使用鋼材者 ； 橋下有道通過，則建築界限將會成為問題。此外，依據人橋基準，須將人橋設計成34 纖維強化塑膠應用於橋工程的案與課題 蘇藤成 、 張茉莉與人的步調共振，並使頻在1.52.3 Hz 的範圍內；桁架橋的情形，即使垂直振動成為問題 ， 由
