橋梁封護(hù)系統(tǒng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料曲面夾芯板加工制作工藝

□文/段 江

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）是由纖維材料與基體材料（樹(shù)脂）等按一定比例混合并經(jīng)過(guò)一定工藝復(fù)合形成的高性能新型材料，主要有抗拉強(qiáng)度高，抗腐蝕、抗疲勞性能好，質(zhì)輕而硬，絕緣，隔熱和透電磁波等特點(diǎn)。近年來(lái)FRP開(kāi)始在土木工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，作為橋梁封護(hù)系統(tǒng)能提高橋梁耐久性和氣動(dòng)性能并且低碳環(huán)保。

北京通州北關(guān)大道跨北運(yùn)河橋采用FRP曲面夾芯板作為封護(hù)系統(tǒng)。夾芯板由于特殊的雙曲面構(gòu)造，廠內(nèi)加工制作難度非常大，特別是模具的制作，全橋無(wú)一重復(fù)，不僅制作工藝復(fù)雜，而且造價(jià)高，因此如何選擇一種既經(jīng)濟(jì)又合理的加工方式是本文研究的重點(diǎn)。

1 工程概況

北京通州北關(guān)大道跨北運(yùn)河橋封護(hù)系統(tǒng)為雙曲面FRP夾心板，由腹部封護(hù)、步道護(hù)板、流水平臺(tái)3部分組成，覆蓋區(qū)域總面積為8 874 m2，單塊最大面積為13.3 m2，總共分為870塊，單塊厚度最大12 cm，全橋所有夾芯板均為雙曲面構(gòu)造并且外形無(wú)一重復(fù)，見(jiàn)圖1。FRP夾芯板由外保護(hù)層、外面層、泡沫夾芯層和FRP內(nèi)面層組成，其中外保護(hù)層由氟碳涂料、防火涂料或膠衣層組成。

2 FRP曲面夾芯板技術(shù)指標(biāo)

單片主體結(jié)構(gòu)為復(fù)合材料聚氨酯泡沫夾芯結(jié)構(gòu)，附帶鋼結(jié)構(gòu)預(yù)埋件，復(fù)合材料主要采用ECT玻纖、E玻纖、阻燃性乙烯基脂樹(shù)脂、乙烯基脂樹(shù)脂、膠衣等。

材料使用壽命為30 a，拉伸強(qiáng)度＞210 MPa，拉伸模量＞13 GPa，彎曲強(qiáng)度＞225MPa，彎曲模量＞8.3 GPa，層間剪切強(qiáng)度＞25 MPa。

圖1 北運(yùn)河橋外觀

3 FRP曲面夾芯板廠內(nèi)加工制作工藝

3.1 深化設(shè)計(jì)圖紙

根據(jù)設(shè)計(jì)提供的FRP產(chǎn)品三維圖用Rhino設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，將FRP產(chǎn)品曲線進(jìn)行數(shù)字建模，根據(jù)生產(chǎn)需要將建好的數(shù)字模型進(jìn)行拆分分塊，將分塊好的模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)控中心專(zhuān)用軟件進(jìn)行刀軌編程并模擬驗(yàn)證。見(jiàn)圖2。

圖2 Rhino軟件深化的單塊模型

3.2 模具制作

由于全橋FRP夾芯板數(shù)量大并且無(wú)一重復(fù)，多為雙曲面構(gòu)造，因此模具制作非常復(fù)雜，而且不能夠重復(fù)利用，工程量非常大，如制作工藝選擇漿木合成材料通過(guò)三維CNC整塊銑刨，對(duì)于反向彎曲和大于90°的面板必須分段銑刨再進(jìn)行拼接，其曲率較大處豎向銑刨精度不夠，同時(shí)效率低，成本大。

經(jīng)過(guò)研究，最終選擇“以折代曲”的方法。首先制作塊體面板拼接單元，根據(jù)面板曲率的不同確定拼接單元的寬度，曲率越小的面板拼接單元寬度越大，反之則越小。根據(jù)每塊曲面情況，分為豎向拼接、橫向拼接、組合拼接方式，然后豎向支撐采用二維C數(shù)控切割制作，根據(jù)縱向曲率的不同確定支撐間距。此種工藝施工效率高、可批量生產(chǎn)、材料利用率高、能保障翻邊尺寸。

3.2.1 肋板制作

支撐肋板的加工是保證FRP夾芯板外形結(jié)構(gòu)尺寸的關(guān)鍵，所以選擇切割精度較高的二維CNC數(shù)控切割器加工制作。肋板間距控制在0.3～0.8 m之間，縱向曲率越大肋板間距越小。根據(jù)塊體犀牛三維模型，剖切出各截面二維線型然后在進(jìn)行切割制作。見(jiàn)圖3和圖4。

圖3 肋板二維模型

圖4 肋板數(shù)控切割

3.2.2 肋板整體拼接

肋板制作完成后進(jìn)行拼接，拼接前在平面上設(shè)置限位塊，在板條縱向拼接部分設(shè)置縱向加勁肋板，其余部分板間設(shè)置木方連接。肋板外側(cè)設(shè)置鋼架，以保障支撐系統(tǒng)的穩(wěn)固和整體尺寸。見(jiàn)圖5和圖6。

圖5 肋板組合三維模型

圖6 肋板拼接

3.2.3 面板“以折代曲”拼接

面板的拼接在已經(jīng)加工好的肋板上進(jìn)行，根據(jù)塊體橫向及縱向的曲率情況，共分為三種拼接方案。以其中一塊為例，兩端橫向曲率較大、中部縱向曲率相對(duì)較大，所以采用橫-縱-橫的拼接方案。板條選擇柔性材料，根據(jù)曲率情況拼接面板板條寬度1～15 cm不等。面板拼接完成后涂一層粘結(jié)油，以保障面板與膩?zhàn)咏Y(jié)合牢固。見(jiàn)圖7和圖8。

圖7 面板橫縱向拼接分布

圖8 面板板條拼接

3.2.4 外表面人工打磨處理

面板外表面能直接影響FRP夾芯板塊體的順滑度，本工程面板采用板條拼接而成，順滑度不符合要求，所以采用膩?zhàn)诱移饺缓蟠蚰ヌ幚?。曲率較小的地方使用打磨器打磨，曲率較大的地方采用人工砂紙打磨。

3.3 FRP面板制作

3.3.1 噴涂膠衣

膠衣層制作質(zhì)量的好壞，直接影響制品的外在質(zhì)量以及耐候性、耐水性和耐化學(xué)介質(zhì)腐蝕性等，故膠衣層的涂刷要嚴(yán)格控制。

1）配置膠衣樹(shù)脂時(shí)，加入固化劑要充分混合攪拌均勻，避免因固化不均而產(chǎn)生的表面褶皺、裂紋等瑕疵。

2）膠衣可以用毛刷或?qū)Ｓ脟姌寔?lái)噴涂，若膠衣粘度太高，可添加適量苯乙烯調(diào)節(jié)粘度以及填補(bǔ)操作過(guò)程中揮發(fā)損失的苯乙烯，但要根據(jù)工藝要求控制苯乙烯的加入量。

3）膠衣層的厚度控制在0.3～0.5 mm之間，不宜過(guò)厚或過(guò)薄，通常以單位面積所用膠衣量來(lái)控制。

4）膠衣要噴涂均勻，盡量避免膠衣局部積聚。

5）膠衣層固化程度要控制好，準(zhǔn)確判定增強(qiáng)層的糊制時(shí)間。

3.3.2 面板糊制

本工程面板制作采用手糊工藝。

1）糊制時(shí)，先在膠衣層用毛刷均勻涂刷一層配置好的樹(shù)脂，然后鋪上一層裁切好的增強(qiáng)材料或夾心材料，用成型工具將其刷平、壓緊，使之緊密結(jié)合并注意排除氣泡，使玻璃布充分浸漬，不得將兩層或多層增強(qiáng)材料同時(shí)鋪放，如此重復(fù)上述操作，直到達(dá)到設(shè)計(jì)厚度或工藝要求為止。

2）若產(chǎn)品幾何尺寸比較復(fù)雜，某些地方增強(qiáng)材料鋪放不平整，氣泡不易排出，可用剪刀剪開(kāi)豁口，使之貼平，應(yīng)當(dāng)注意每層剪開(kāi)的部位錯(cuò)開(kāi)，以免造成強(qiáng)度損失。

3）織物纖維方向不同，其強(qiáng)度也不同，所用增強(qiáng)材料鋪層方向以及鋪層方式應(yīng)該按照工藝要求進(jìn)行。

4）厚壁產(chǎn)品糊制時(shí)，一般采用多次成型，避免因散熱不良導(dǎo)致制品發(fā)焦、變色，甚至影響制品的物理性能。

5）糊制面板時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)要求達(dá)到一定厚度要放入預(yù)埋件，外側(cè)面板糊制完成后，放置夾心泡沫，在預(yù)埋區(qū)域要加強(qiáng)。

6）外側(cè)面板固化后糊制內(nèi)側(cè)面板，其加工工藝與外側(cè)面板施工相同。

3.4 內(nèi)側(cè)板面固化后脫模修整

FRP制品采用常溫常壓固化樹(shù)脂系統(tǒng)，固化分為凝膠、固化及熟化三個(gè)階段。

1）凝膠：樹(shù)脂從加入固化劑到失去流動(dòng)性所用時(shí)間，糊制操作必須在凝膠前完成。

2）固化：從糊制完成到產(chǎn)品脫模所經(jīng)歷的過(guò)程。

3）熟化（后固化）：產(chǎn)品脫模后經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)一段時(shí)間達(dá)到其最佳性能所經(jīng)歷的過(guò)程。

當(dāng)產(chǎn)品固化至脫模強(qiáng)度時(shí)方可脫模，一般為15～25 min，脫模是手糊FRP制品工藝中關(guān)鍵工序，脫模的好壞直接影響產(chǎn)品質(zhì)量和模具的有效利用。脫模時(shí)可以使用車(chē)間配置的脫模工具，但禁止用鐵錘等敲打模具。脫模后將制品放于指定位置，以等待完成后續(xù)處理。

3.5 后期處理

手糊FRP制品脫模后需要進(jìn)行諸如切割、修整、加工、開(kāi)孔、試裝配、檢驗(yàn)、包裝等一系列處理工作。

1）切邊：按照相關(guān)文件規(guī)定，將半成品切割至指定規(guī)則形狀，切割打孔由專(zhuān)人負(fù)責(zé)。

2）加工：FRP制品切割完成后的進(jìn)一步加工，即磨邊、去毛刺、切斷、開(kāi)孔等，使用專(zhuān)用工具對(duì)切割好的FRP制品表面、邊角進(jìn)行修整，達(dá)到客戶要求（檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)）。

3）檢驗(yàn)：由檢驗(yàn)員對(duì)修整好的產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，操作人員負(fù)責(zé)對(duì)不良品進(jìn)行修補(bǔ)工作，修補(bǔ)完成（修補(bǔ)并打磨完成）后再送檢，直至檢驗(yàn)合格，對(duì)最終未能達(dá)到檢驗(yàn)要求的產(chǎn)品作報(bào)廢處理。

4 結(jié)語(yǔ)

采用此種工藝加工出的FRP塊體，不僅成本節(jié)約，工期縮短，而且產(chǎn)品尺寸精度高，后續(xù)經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，面板及預(yù)埋系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)受力上完全滿足設(shè)計(jì)要求，達(dá)到理想效果。