淺議碳纖維等FRP在土木工程施工中的應(yīng)用

1、it will not be the pressure from the outside that will crush us, but only ourselves.勤學(xué)樂(lè)施積極進(jìn)?。?yè)眉可刪）淺議碳纖維等f(wàn)rp在土木工程施工中的應(yīng)用 摘要：纖維增強(qiáng)材料(frp)從20世紀(jì)40年代問(wèn)世以來(lái)，在航空、航天、船舶、汽車、化工、醫(yī)學(xué)和機(jī)械等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。從70年代開(kāi)始，frp材料開(kāi)始在土木結(jié)構(gòu)工程中得到應(yīng)用，如英國(guó)、美國(guó)和以色列等國(guó)最早將玻璃纖維增強(qiáng)材料(gfrp)作為建筑物或橋梁中的結(jié)梅材料。70年代后期，我國(guó)也開(kāi)始對(duì)gfrp進(jìn)行研究。從80年代開(kāi)始，為了克服粘鋼加固中的一些缺點(diǎn)，基于粘

2、鋼加固土木工程結(jié)構(gòu)的思想，出現(xiàn)了以frp替代鋼板作為土木工程結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固的新思路。特別是自日本阪神大地震以后，為了修復(fù)地震作用下遭受破壞的建筑物和構(gòu)筑物、加固現(xiàn)役老化結(jié)構(gòu)設(shè)施以提高其性能或延長(zhǎng)其壽命，frp加固作為一種有效的解決方法受到了世界各國(guó)尤其是發(fā)達(dá)國(guó)家的廣泛重視。關(guān)鍵字：碳纖維,frp,土木工程一、frp材料特點(diǎn)(1)有很高的比強(qiáng)度，即通常所說(shuō)的輕質(zhì)高強(qiáng)，因此采用frp材料可減輕結(jié)構(gòu)自重。在橋梁工程中，使用frp結(jié)構(gòu)或frp組合結(jié)構(gòu)作為上部結(jié)構(gòu)可使橋梁的極限跨度大大增加。理論上，用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料橋梁的極限跨度在5000m以內(nèi)，而上部結(jié)構(gòu)使用frp結(jié)構(gòu)可達(dá)8000m以上7，有學(xué)者已經(jīng)對(duì)主跨

3、長(zhǎng)達(dá)5000m的frp懸索橋進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)分析8。在建筑工程中，采用frp材料的大跨空間結(jié)構(gòu)體系的理論極限跨度要比傳統(tǒng)材料結(jié)構(gòu)大23倍，因此，frp結(jié)構(gòu)和frp組合結(jié)構(gòu)是獲得超大跨度的重要途徑。本書(shū)作者提出的“frp編織網(wǎng)大跨結(jié)構(gòu)體系”就是一種利用其輕質(zhì)高強(qiáng)性能的新型結(jié)構(gòu)形式9。在抗震結(jié)構(gòu)中，frp材料的應(yīng)用可以減輕結(jié)構(gòu)自重，減小地震作用。另外，frp材料的應(yīng)用也能使結(jié)構(gòu)的耐疲勞性能顯著提高。(2)有良好耐腐蝕性，frp可以在酸、堿、氯鹽和潮濕的環(huán)境中長(zhǎng)期使用，這是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料難以比擬的。在美國(guó)每年因鋼材腐蝕造成的工程結(jié)構(gòu)損失高達(dá)700億美元，近1/6的橋梁因鋼筋銹蝕而嚴(yán)重?fù)p壞;加拿大用

4、于修復(fù)因老化損壞的工程結(jié)構(gòu)的費(fèi)用達(dá)490億加元;我國(guó)目前因鋼材銹蝕而造成的損失也在逐年增加。而在化工建筑、鹽漬地區(qū)的地下工程、海洋工程和水下工程中，frp材料耐腐蝕的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)得到實(shí)際工程的證明。一些發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)開(kāi)始在寒冷地區(qū)和近海地區(qū)的橋梁、建筑中較大規(guī)模地采用frp結(jié)構(gòu)或frp配筋混凝土結(jié)構(gòu)以抵抗除冰鹽和空氣中鹽分的腐蝕，極大地降低了結(jié)構(gòu)的維護(hù)費(fèi)用，延長(zhǎng)了結(jié)構(gòu)的使用壽命。(3)具有很好的可設(shè)計(jì)性。frp屬于人工材料，可以通過(guò)使用不同的纖維材料、纖維含量和鋪陳方向設(shè)計(jì)出各種強(qiáng)度指標(biāo)、彈性模量以及特殊性能要求的frp產(chǎn)品。而且frp產(chǎn)品成型方便，形狀可靈活設(shè)計(jì)。(4)具有很好的彈性性能，應(yīng)力應(yīng)變

5、曲線接近線彈性，在發(fā)生較大變形后還能恢復(fù)原狀，塑性變形小，有利于結(jié)構(gòu)偶然超載后的變形恢復(fù)。(5)frp產(chǎn)品適合于在工廠生產(chǎn)、運(yùn)送到工地、現(xiàn)場(chǎng)安裝的工業(yè)化施工過(guò)程，有利于保證工程質(zhì)量、提高勞動(dòng)效率和建筑工業(yè)化。(6)其他優(yōu)勢(shì)，包括透電磁波、絕緣、隔熱、熱脹系數(shù)小等，使得frp在一些特殊場(chǎng)合能夠發(fā)揮難以取代的作用，如雷達(dá)設(shè)施、地磁觀測(cè)站、醫(yī)療核磁共振設(shè)備結(jié)構(gòu)。2、frp在土木工程施工中的應(yīng)用2.1 frp在工程結(jié)構(gòu)加固補(bǔ)強(qiáng)中的應(yīng)用將frp片材粘貼在構(gòu)件表面受拉，可以增強(qiáng)構(gòu)件的受力性能。早在20世紀(jì)80年代，這項(xiàng)技術(shù)在我國(guó)的工程實(shí)踐中就曾嘗試過(guò)：云南海孟公路巍山河橋的加固中采用了外貼gfrp內(nèi)夾高強(qiáng)

6、鋼絲的方法，此后湖南溆浦大江口橋、上海寶山飛云橋、廣東官汕線郭屋樓橋、韶關(guān)地區(qū)風(fēng)村橋以及南京長(zhǎng)江大橋引橋等，都采用環(huán)氧樹(shù)脂粘貼玻璃布進(jìn)行了加固，近年我國(guó)還開(kāi)展了frp片材加固砌體結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用，但仍以加固混凝土結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用最多。關(guān)于frp片材加固混凝土結(jié)構(gòu)，應(yīng)用中應(yīng)注意的關(guān)鍵問(wèn)題： (1)frp布纏繞加固混凝土柱，通過(guò)約束混凝土提高混凝土強(qiáng)度和變形能力，并可提高柱的抗剪能力。這是frp布加固混凝土最有效的加固形式，其加固效果已得到國(guó)內(nèi)外大量試驗(yàn)的驗(yàn)證，而且各種frp片材均有效。但研究表明，frp對(duì)混凝土柱的約束效果與截面形狀有很大關(guān)系，對(duì)于矩形截面柱一般只能提高變形能力和抗剪能力

7、，而對(duì)受壓承載力的提高有限，正常加固量下一般不超過(guò)25 o2 5。但如果將截面形狀適當(dāng)處理成有一定弧度，則可顯著提高受壓承載力。在我國(guó)的工程應(yīng)用中，往往十分關(guān)心加固后柱的軸壓比限值能否提高，這與約束混凝土柱的受壓承載力和變形能力的提高有很大關(guān)系，從目前的.研究來(lái)看，frp包裹纏繞圓形混凝土可以大大改善其延性，可適當(dāng)放松軸壓比限制2 6|。另一個(gè)值得注意的是，雖然cfrp布的強(qiáng)度是各種frp中最高的，但其延伸率較小，其約束混凝土最終表現(xiàn)為突然的脆性破壞。近年來(lái)已有采用混合frp約束混凝土的研究2 7|，還有一些高延伸率纖維材料的應(yīng)用，可使脆性破壞得到改善;且能改善約束效果。(2)在梁、板受拉面粘

8、貼frp片材，能提高構(gòu)件受彎承載力，并可使裂縫得到有效控制。這種加固形式在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多，但從加固效果來(lái)看存在以下一些問(wèn)題：frp片材的受拉作用只是在受拉鋼筋屈服以后才能得到有效發(fā)揮，而此時(shí)梁和板的撓度變形一般已很大，因此frp片材用于受彎加固通常只能作為一種安全儲(chǔ)備;加固后受彎承載力提高程度與加固前梁板的原有配筋量有很大關(guān)系，且frp的強(qiáng)度一般不能得到充分利用比副;frp片材用于受彎加固時(shí)易產(chǎn)生剝離破壞，應(yīng)充分注意采取抗剝離的構(gòu)造措施。為了提高受彎加固效果，采用預(yù)應(yīng)力方法可以獲得較好的效果，我國(guó)已成功開(kāi)發(fā)出預(yù)應(yīng)力cfrp布張拉設(shè)備和加固技術(shù)2 9|。frp加固可有效控制裂縫的開(kāi)展，尤其在梁的側(cè)

9、面粘貼frp條帶，可控制梁腹配筋不足導(dǎo)致裂縫過(guò)大的情況。相對(duì)于受彎承載力加固，這應(yīng)該成為frp在梁板加固中的主要應(yīng)用方式，但目前關(guān)于加固后的裂縫計(jì)算問(wèn)題尚未有深入研究。(3)對(duì)梁、柱構(gòu)件采用frp片材包裹或u形箍包裹，以提高其受剪承載力。這種加固形式也較為有效，不過(guò)同樣需注意其提高程度與原構(gòu)件配箍率有關(guān)，且frp片材強(qiáng)度的發(fā)揮一般只有20%40%。此外，對(duì)于u形或側(cè)面粘貼加固，剝離破壞仍是主要破壞形式，因此，frp與混凝土界面間的剝離是非常值得深入研究的問(wèn)題3 0|。除以上三種主要加固形式外，frp布也可用于受扭和剪力墻的加固。對(duì)于柱的受彎加固梁柱節(jié)點(diǎn)因frp的錨固問(wèn)題難以解決，而很難得到實(shí)際

10、應(yīng)用。2.2 frp筋和預(yù)應(yīng)力frp筋混凝土結(jié)構(gòu)frp筋中纖維體積含量可達(dá)到60%，具有輕質(zhì)高強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，重量約為普通鋼筋的1/5，強(qiáng)度為普通鋼筋的6倍，且具有抗腐蝕、低松弛、非磁性、抗疲勞等優(yōu)點(diǎn)。目前用frp筋代替鋼筋可利用其良好的耐腐蝕性，避免銹蝕對(duì)結(jié)構(gòu)所帶來(lái)的損害，減少結(jié)構(gòu)維護(hù)費(fèi)用;還較多地應(yīng)用于有無(wú)鐵磁性要求的特殊工程中;在橋梁工程中，frp索還可用作懸索橋的吊索及斜拉橋的斜拉索，以及預(yù)應(yīng)力混凝土橋中的預(yù)應(yīng)力筋。作為混凝土構(gòu)件中配筋的frp筋要通過(guò)表面砂化、壓痕、滾花或編織等工藝以增強(qiáng)其與混凝土間的粘結(jié)力;用作預(yù)應(yīng)力frp索一般較柔軟，具有一定的韌性。frp筋及預(yù)應(yīng)力frp筋的另外一個(gè)應(yīng)

11、用對(duì)象是巖土工程，它已用于加筋土中。gfrp因其具有價(jià)格低廉、方便安裝和耐久性強(qiáng)等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于潮汐變化干濕交替的擋土墻、地基錨桿及噴射混凝土筋等工程。frp筋直到拉斷均表現(xiàn)為線彈性，沒(méi)有普通鋼筋那樣的屈服平臺(tái)，構(gòu)件的破壞帶有一定的脆性，因此frp筋不能簡(jiǎn)單地當(dāng)成鋼筋進(jìn)行計(jì)算，必須針對(duì)其性能采用合理的設(shè)計(jì)方法。此外，frp筋無(wú)法現(xiàn)場(chǎng)成形，因此像箍筋等形狀較為復(fù)雜的配筋，需事先設(shè)計(jì)好后由工廠加工。 2.3 frp結(jié)構(gòu)及frp組合結(jié)構(gòu)frp結(jié)構(gòu)是指用frp制成各種基本受力構(gòu)件所形成的結(jié)構(gòu);frp組合結(jié)構(gòu)則是指將frp與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料，主要是混凝土和鋼材，通過(guò)受力形式上的組合，共同工作來(lái)承受荷載

12、的結(jié)構(gòu)形式。frp與混凝土通過(guò)合理的組合方式使frp型材與混凝土一同受力，發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，達(dá)到提高受力性能、降低造價(jià)、增強(qiáng)耐久性、便于施工的目的。frp與鋼材組合，可發(fā)揮出鋼材的高彈性模量和frp耐腐蝕、耐疲勞性能好的優(yōu)勢(shì)，達(dá)到互補(bǔ)的效果?？稍诶瓟Dfrp型材時(shí)，直接將鋼筋和鋼絲嵌人型材中成型;也可在鋼結(jié)構(gòu)外部采用frp型材封閉，一方面防止鋼結(jié)構(gòu)銹蝕，另一方面可與鋼結(jié)構(gòu)共同受力。還可用鋼結(jié)構(gòu)骨架與frp織物蒙皮結(jié)合組成蒙皮結(jié)構(gòu)frp拉擠型材結(jié)，frp拉擠型材單向受力性能好，可以做成工形、槽形、箱形等型材，組成frp框架或桁架結(jié)構(gòu)。但frp構(gòu)件之間主要采用螺栓連接和粘接，有時(shí)配合榫接。另外，還可以

13、直接將拉擠frp空心板或帶肋板作為樓板使用。研究表明，frp空心板能夠承受較大的荷載，并且自重僅為混凝土樓板的10%20%，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。2.4 橋梁工程中的frp結(jié)構(gòu)與frp組合結(jié)構(gòu)因?yàn)閒rp的比強(qiáng)度和比模量高，所以橋梁工程師們認(rèn)為frp是獲得超大跨度橋梁的結(jié)構(gòu)材料。從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，就在橋梁工程中嘗試應(yīng)用frp材料，并相繼建成了一批frp橋梁，主要以人行橋?yàn)橹?，目的是?yàn)證frp材料用于橋梁結(jié)構(gòu)的可能性和有效性。用frp型材構(gòu)成封閉的外殼，將橋面以下原本暴露的結(jié)構(gòu)圍護(hù)起來(lái)，同時(shí)作為維護(hù)檢查的通道，還可以起到以下三個(gè)方面的效果：(1)改變橋梁斷面的形狀，減少風(fēng)荷載改善橋梁的氣動(dòng)j生能;

14、(2)frp外殼耐腐蝕且封護(hù)系統(tǒng)的密封性好，阻止了外界環(huán)境對(duì)大橋主體結(jié)構(gòu)的腐蝕;(3)frp外殼把結(jié)構(gòu)包護(hù)在內(nèi)部，橋體下部拱腹平滑流暢，并且有多種顏色可選，使整座橋外觀簡(jiǎn)潔、美觀。目前雖然frp片材加固混凝土結(jié)構(gòu)已得到廣泛應(yīng)用，但仍有許多問(wèn)題值得深入研究，主要有：界面粘結(jié)性能和剝離、疲勞性能、二次受力、防火問(wèn)題、耐久性以及環(huán)境影響等。對(duì)于隧道、涵洞、煙囪、殼體結(jié)構(gòu)等特種結(jié)構(gòu)的加固，粘貼frp片材有很大優(yōu)勢(shì)，研究工作在我國(guó)已有開(kāi)展，但還較少。摘要：纖維增強(qiáng)材料(frp)從20世紀(jì)40年代問(wèn)世以來(lái)，在航空、航天、船舶、汽車、化工、醫(yī)學(xué)和機(jī)械等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。從70年代開(kāi)始，frp材料開(kāi)始在土

15、木結(jié)構(gòu)工程中得到應(yīng)用，如英國(guó)、美國(guó)和以色列等國(guó)最早將玻璃纖維增強(qiáng)材料(gfrp)作為建筑物或橋梁中的結(jié)梅材料。70年代后期，我國(guó)也開(kāi)始對(duì)gfrp進(jìn)行研究。從80年代開(kāi)始，為了克服粘鋼加固中的一些缺點(diǎn)，基于粘鋼加固土木工程結(jié)構(gòu)的思想，出現(xiàn)了以frp替代鋼板作為土木工程結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固的新思路。特別是自日本阪神大地震以后，為了修復(fù)地震作用下遭受破壞的建筑物和構(gòu)筑物、加固現(xiàn)役老化結(jié)構(gòu)設(shè)施以提高其性能或延長(zhǎng)其壽命，frp加固作為一種有效的解決方法受到了世界各國(guó)尤其是發(fā)達(dá)國(guó)家的廣泛重視。關(guān)鍵字：碳纖維,frp,土木工程一、frp材料特點(diǎn)(1)有很高的比強(qiáng)度，即通常所說(shuō)的輕質(zhì)高強(qiáng)，因此采用frp材料可減輕結(jié)構(gòu)

16、自重。在橋梁工程中，使用frp結(jié)構(gòu)或frp組合結(jié)構(gòu)作為上部結(jié)構(gòu)可使橋梁的極限跨度大大增加。理論上，用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料橋梁的極限跨度在5000m以內(nèi)，而上部結(jié)構(gòu)使用frp結(jié)構(gòu)可達(dá)8000m以上7，有學(xué)者已經(jīng)對(duì)主跨長(zhǎng)達(dá)5000m的frp懸索橋進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)分析8。在建筑工程中，采用frp材料的大跨空間結(jié)構(gòu)體系的理論極限跨度要比傳統(tǒng)材料結(jié)構(gòu)大23倍，因此，frp結(jié)構(gòu)和frp組合結(jié)構(gòu)是獲得超大跨度的重要途徑。本書(shū)作者提出的“frp編織網(wǎng)大跨結(jié)構(gòu)體系”就是一種利用其輕質(zhì)高強(qiáng)性能的新型結(jié)構(gòu)形式9。在抗震結(jié)構(gòu)中，frp材料的應(yīng)用可以減輕結(jié)構(gòu)自重，減小地震作用。另外，frp材料的應(yīng)用也能使結(jié)構(gòu)的耐疲勞性能顯

17、著提高。(2)有良好耐腐蝕性，frp可以在酸、堿、氯鹽和潮濕的環(huán)境中長(zhǎng)期使用，這是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料難以比擬的。在美國(guó)每年因鋼材腐蝕造成的工程結(jié)構(gòu)損失高達(dá)700億美元，近1/6的橋梁因鋼筋銹蝕而嚴(yán)重?fù)p壞;加拿大用于修復(fù)因老化損壞的工程結(jié)構(gòu)的費(fèi)用達(dá)490億加元;我國(guó)目前因鋼材銹蝕而造成的損失也在逐年增加。而在化工建筑、鹽漬地區(qū)的地下工程、海洋工程和水下工程中，frp材料耐腐蝕的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)得到實(shí)際工程的證明。一些發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)開(kāi)始在寒冷地區(qū)和近海地區(qū)的橋梁、建筑中較大規(guī)模地采用frp結(jié)構(gòu)或frp配筋混凝土結(jié)構(gòu)以抵抗除冰鹽和空氣中鹽分的腐蝕，極大地降低了結(jié)構(gòu)的維護(hù)費(fèi)用，延長(zhǎng)了結(jié)構(gòu)的使用壽命。(3)具有很好的可設(shè)計(jì)性。frp屬于人工材料，可以通過(guò)使用不同的纖維材料、纖維含量和鋪陳方向設(shè)計(jì)出各種強(qiáng)度指標(biāo)、彈性模量以及特殊性能要求的frp產(chǎn)品。而且frp產(chǎn)品成型方便，形狀可靈活設(shè)計(jì)。(4)具有很好的彈性性能，應(yīng)力應(yīng)變曲線接近線彈性，在發(fā)生較大變形后還能恢復(fù)原狀，塑性變形小，有利于結(jié)構(gòu)偶然超載后的變形恢復(fù)。(5)frp產(chǎn)品適合于在工廠生產(chǎn)、運(yùn)送到工地、現(xiàn)場(chǎng)安裝的工業(yè)化施工過(guò)程，有利于保證工程質(zhì)量、提高勞動(dòng)效率和建筑工業(yè)化。(6)其他優(yōu)勢(shì)，包括透電磁波、絕緣、隔熱、熱脹系數(shù)小等，使得frp在一些特殊場(chǎng)合能夠發(fā)揮難以取代的作用，如雷達(dá)設(shè)施、地磁觀測(cè)站