CFRP應用于土木工程

1、CFRP應用于土木工程 1引言隨著CFRP材料向土木工程領域的逐漸滲透，它的應用范圍越來越廣，CFRP材料在土木工程中的應用經歷了纖維片材、纖維棒材和纖維型材等幾種材料形式。CFRP材料在土木工程領域應用的不斷擴大，其優(yōu)越性也逐步發(fā)揮出來，受到越來越多的關注，因此開展關于CFRP在土木工程中應用的課題十分有必要。土木工程中應用的CFRP產品形式主要有短纖維、片材(纖維布材和板材)、棒材和索材、拉擠型材、纏繞型材、格柵及手糊制品。根據CFRP材料制成的產品形式的不同主要有以下幾個方面的應用:C-亂向短纖維，參加混凝土中，可大大提高混凝土結構的抗裂性、延性和承載力等多種性能;CFRP片材，用于既有

2、結構加固修補，有大量的工程應用，其技術已根本成熟;將碳纖維長絲制成棒材，在混凝土中代替鋼筋用于新建結構，主要用于海洋工程結構及需電磁波透過的工程結構，國外已有較多研究，并開始應用，也可制成桿件，建造各種空間結構，如網架、網殼以及拱、殼和穹頂?shù)?，形成大跨空間建筑結構體系;將碳纖維加工成束狀或繩狀形成索材，用于大型土木工程的拉索或懸索結構，該方面應用在錨具連接上尚未能很好地解決，但仍有一定的應用;CFRP拉擠型材，可做成工字形、槽形、管形、箱形等根本型材，形成輕質樓板、橋板;CFRP格柵，可用于補強飛機場跑道、橋面和公路，早在1996年，美國通往加拿大的401#高速公路的數(shù)座橋面上采用碳纖維補強。

3、本文主要從以下幾個方面綜述CFRP材料在土木工程中的應用:CFRP片材在加固混凝土結構和鋼結構中的應用研究;CFRP棒材在空間結構中的應用研究;CFRP索材在橋梁結構中的應用研究;CFRP錨固系統(tǒng)的應用研究。2CFRP片材的應用研究CFRP片材主要應用在建筑結構加固中，20世紀80年代末至90年代初起源于歐美和日本等興旺國家，方法為利用樹脂類粘結劑將碳纖維粘貼到結構或構件的外表，形成復合材料，通過碳纖維與構件的協(xié)同工作來提高結構和構件的承載力和延性。此技術在90年代得到廣泛應用，經過1995年日本阪神地震檢驗，并在1999年中國臺灣省地震后的修補和重建中發(fā)揮了重要作用，使人們對這一新技術有了進

4、一步的認識，在國內已經引起重視，并著手研究和開發(fā)。21CFRP加固補強混凝土結構對混凝土工程進行加固，是目前CFRP在土木工程中應用最成熟的技術，關于這方面的研究主要集中在對加固后構件的抗彎、抗剪、抗壓抗疲勞等?？箯澕庸?圖1)就是將碳纖維片材用膠結劑外貼于構件的受拉面與混凝土共同承受荷載，以提高構件的受彎承載力，到達抗彎加固的目的。目前國內外主要是運用試驗和有限元分析的方法分析影響加固性能的因素，并用試驗數(shù)據和分析數(shù)據提出承載力公式，進而改良加固的方法。2000年以來，東南大學、清華大學、哈爾濱工業(yè)大學、天津大學等都對CFRP加固的鋼筋混凝土和預應力鋼筋混凝土構件進行了彎曲試驗，得到影響加固

5、效果的主要因素有碳纖維布的層數(shù)(加固量)、混凝土強度、配筋率、碳纖維布端錨固情況等1;另外，岳清瑞、趙國藩和鄭國棟等2，3還研究了二次應力狀態(tài)以及既有荷載的存在對加固效果的影響，提出了提高梁底碳纖維布的抗剝離能力的方法4?？辜艏庸?圖2)主要是將碳纖維片材粘貼于構件的剪跨區(qū)，利用碳纖維布對混凝土的約束來抑制剪切裂縫的開裂和開展，到達抗剪加固的目的。與抗彎加固類似，抗剪加固的主要研究也主要集中在用試驗研究和有限元分析的方法對加固后構件的抗剪承載力提高程度、破壞形式以及影響加固的因素進行研究和分析5，6，并針對破壞形式提出了一些解決方案?？箟杭庸?圖3)的研究主要是實驗研究，將CFRP片材外貼在鋼

6、筋混凝土柱上進行受壓試驗研究，能提高柱子的承載力和延性7。在這些靜力性能研究的根底上，很多學者提出了疲勞性能的問題，并針對加固后的鋼筋混凝土構件進行了疲勞試驗的研究，結果說明，加固后的混凝土構件疲勞壽命提高、疲勞變形減小、抗裂性能提高8。近兩年，東南大學的袁鑫等9對高溫環(huán)境下的粘貼CFRP板前后的RC箱梁做了疲勞試驗研究，得出高溫環(huán)境下使用的箱梁橋頂板經過CFRP加固后承載力、剛度和疲勞強度都提高了;同濟大學的商興艷10通過試驗研究了L形外貼纖維片材加固震損的鋼筋混凝土框架節(jié)點的抗震性能;顧威、李宏男等11對加固的受損軸壓鋼管混凝土進行了試驗研究。國外在CFRP加固混凝土結構方面也進行了深入研

7、究，近幾年Badawi和Wahab提出一種內嵌式的加固方法，即在混凝土構件外表挖槽，在槽內涂環(huán)氧膠，然后粘貼CFRP材料(圖4)，并對這種加固的構件進行了抗彎、抗剪和抗疲勞試驗研究12-14，加固效果比外貼方式好。圖4內嵌式加固方法Fig4StrengthwithNSMCFRPproduct22加固鋼結構在土木工程中，鋼結構的損傷具有局部性和多發(fā)性等特點，且不可能立即退役。采用傳統(tǒng)的焊接和用螺栓、鉚釘連接加鋼板的加固方法存在焊接剩余應力、削弱截面等很多弊端。采用碳纖維布進行加固補強，可手工完成，具有良好的耐腐蝕性，不會出現(xiàn)鋼板加固后的銹蝕現(xiàn)象。CFRP加固修護鋼結構就應運而生，但是它起步晚，其

8、研究和應用均處于初始階段，主要是進行數(shù)值模擬和數(shù)值分析，試驗研究很少。在梁的受拉面粘貼CFRP片材，提高其抗彎承載力和抗彎剛度;在梁的腹板粘貼CFRP片材，提高其抗剪承載力;對疲勞損傷鋼結構進行加固，提高剩余疲勞壽命;CFRP布環(huán)向纏繞鋼管柱，防止鋼管的局部失穩(wěn)，提高柱的抗壓承載能力;對鋼結構節(jié)點的加固以及結構耐久性加固等。由于疲勞是鋼結構損壞的主要原因之一，清華大學的鄭云、葉列平15對CFRP加固的含中央疲勞損傷裂紋的鋼板進行了理論分析，計算得出其剩余疲勞壽命得到顯著提高。張寧等16通過試驗研究分析得出拉應力狀態(tài)下碳纖維布加固鋼結構K形焊縫，可改善鋼構件的疲勞性能，延長鋼結構疲勞構件的使用壽

9、命。對預應力CFRP板加固鋼板的受拉疲勞試驗研究17，分析了應力比、CFRP板剛度、預應力及粘結膠性能等因素對疲勞裂紋擴展的影響，試驗結果說明:加固后結構的疲勞壽命提高16倍以上。CFRP加固鋼結構的破壞形式仍然是以粘結層的剝離破壞為主，是影響CFRP加固鋼結構性能的重要因素，碳纖維布與鋼結構之間的粘結性能直接影響加固效果。根據試驗結果，在粘結端部，界面剪應力最大，隨粘貼長度的增大，界面?zhèn)鬟f的剪應力減小，碳纖維復合材料受到的正應力增大，承載力也逐漸提高，但當粘結長度增大到一定值時，只是膠層彈性長度增大，承載力不再提高。岳清瑞、彭福明等通過靜力拉伸試驗(粘結材料選用雙組份環(huán)氧類粘結劑)對碳纖維布

10、與鋼結構之間的粘結應力進行了分析，最后得到了碳纖維布加固鋼結構時的有效粘結長度為80mm100mm。碳纖維與鋼構件之間的粘接性能是碳纖維加固修復鋼結構研究領域的一個重要課題，但是加固鋼結構膠粘劑材料的研究較少，成為制約這項技術應用的主要問題，應加強這方面的研究;碳纖維布端部存在嚴重的應力集中，錨固顯得異常重要，尤其是在碳纖維布的端部，這個問題也應該深入研究。3CFRP管材及其組合構件的應用研究結構的自重限制空間結構向超大跨度開展，輕質高強的纖維復合材料的出現(xiàn)為解決這一問題提供了有效的途徑，CFRP材料在加固現(xiàn)有結構中的良好表現(xiàn)，使人們認可了其高強、輕質、耐腐蝕的性能，研究能否將CFRP制成桿件

11、用于空間結構中，以跨越更大的跨度，具有重要的意義。2021年清華大學的錢鵬等19以日本Toray-TT00SC碳纖紗作為原材料，用鋁合金制作連接件，采用卷帶成型法制成了CFRP圓管。對CFRP桿件軸向進行了受力試驗，采用ANSYS軟件對桿件的進行了分析計算，得出CFRP管的破壞形式。CFRP材料的各向異性使純CFRP桿件以節(jié)點連接破壞為主，不能充分發(fā)揮材料的優(yōu)點，且破壞具有脆性特征。2021年蔣燕等又提出了CFRP-鋁合金組合桿件16(由鋁合金管外包CFRP布制作而成)，對其進行了拉伸試驗研究、軸心受壓穩(wěn)定試驗研究和彎曲試驗研究，試驗說明:組合管的破壞模式與鋁合金管的破壞模式較為接近;組合構件

12、的彈性階段抗彎剛度和極限承載力比純鋁構件大大提高。根據試驗研究和理論分析得到了軸心受壓承載力計算公式和組合管局部屈曲承載力計算公式，并提出了組合構件抗彎剛度的計算方法，建議了組合長管軸壓穩(wěn)定承載力的計算方法?；谶@些桿件性能的根本研究，錢鵬等將CFRP-鋁合金組合桿件用于Keiwitt網殼和網架中21，運用有限元的方法建立了網架和網殼的模型進行了分析，得出組合管網殼的承載力和剛度比鋁合金網殼高，對幾何缺陷和非對稱荷載的敏感性都比擬小，且自重比擬小。國內外很多學者都認為CFRP-鋁合金組合管開展?jié)摿薮?。從經濟上看，CFRP-鋁合金組合管比鋁合金管要貴，但是長期經濟效果要優(yōu)于鋁合金管，因此經濟效

13、益較好。鋁合金的無磁性和不與CFRP材料發(fā)生電化學反響的性質也讓其代替鋼材成為這一組合管的首選材料。2021年哈爾濱工業(yè)大學的張亮泉等22以T700SC-12K碳纖維(日本東麗公司)和環(huán)氧樹脂為材料和基體，采用纖維纏繞成型工藝，正交對稱鋪設CFRP鋪層，設計了不同尺寸的CFRP圓管，并進行了壓縮和拉伸試驗，采用有限元軟件ABAQUS考慮單層纖維受拉斷裂、受壓屈曲和扭折、在橫向拉力和剪力作用下基體開裂以及在橫向壓力和剪力作用下基體破碎，對CFRP圓管的破壞進行數(shù)值模擬分析，結果與試驗所得數(shù)據總體吻合較好。得出受壓破壞以纖維受壓后扭折致使纖維折斷和基體開裂為主要破壞模式，受拉破壞以纖維拉斷為主要破

14、壞模式。這種CFRP管的性能如表1所示。張亮泉和歐進萍23提出用上述方法制成的CFRP圓管建立平板網架結構，并對它們進行了有限元分析(分析中均假設節(jié)點具有足夠的強度和剛度不發(fā)生破壞，網架結構的破壞發(fā)生于桿件上)，得到隨著跨度的增加，CFRP網架的豎向位移明顯小于鋼網架，跨度越大越明顯，CFRP網架的跨越能力可提高30%;CFRP網架抗震性能優(yōu)于鋼網架。用Pushover分析方法分析CFRP網架失效模式得出，要充分發(fā)揮CFRP網架材料的高強度優(yōu)勢，關鍵因素是提高支座的變形能力。上述所有的分析都是建立在節(jié)點具有足夠的強度和剛度不發(fā)生破壞的假設條件上，但是CFRP桿件之間的連接一直是制約其開展的關鍵

15、因素。2021年張亮泉24提出了一種由CFRP管材為受力主體，鋼板為端部支撐的新型組合構件(圖5)。在構成空間結構時，構件之間仍然可以采用焊接節(jié)點和螺栓球節(jié)點，很好地解決了桿件之間的連接問題。采用數(shù)值分析的方法研究其受壓性能，其抗壓承載力有很大的離散型，需要后期具體的模型試驗才能確定其準確的抗壓性能。4CFRP索材的應用研究碳纖維增強聚合物(CFRP)筋材具有輕質、高強、耐腐蝕、抗疲勞性能好等優(yōu)點，已在橋梁工程中得到應用，成為大跨度橋梁拉索的理想材料。因為CFRP索只受拉力且為純CFRP材料成型，因此可以最大程度的發(fā)揮CFRP材料的力學性能。目前CFRP索主要應用在橋梁結構中，國內外有很多已經

16、建成的CFRP拉索斜拉橋，如表2所示。東南大學RcPc結構教育部重點實驗室聯(lián)合相關單位完成了國內第1座CFRP拉索斜拉橋(江蘇大學人行橋)的設計與建造，該橋全部拉索均采用CFRP材料。長安大學的梅葵花、東南大學的呂志濤25采用解析法分析了CFRP斜拉索的靜力特性，發(fā)現(xiàn)CFRP拉索的垂度只有鋼索的1/5，使得拉索傾角和允許應力相等時CFRP拉索的極限長度是鋼索的5倍有余，拉索長度相同時CFRP索的承載效率比鋼索高得多;隨著跨度的增大，鋼拉索承受外荷載的能力急劇下降，而CFRP拉索承受外荷載的比重仍非常高。梅葵花推導了斜拉索設計時待求參數(shù)的精確計算公式，并從精確解析式中直接得出忽略拉索彈性伸長的近

17、似解;建立了CFRP拉索的非線性參數(shù)振動模型，采用數(shù)值分析的方法，分析了各種因素對拉索在參數(shù)振動特性的影響，得出拉索振動的拍頻、幅值與拉索靜拉力、鼓勵幅值以及阻尼等有關，且在參數(shù)振動發(fā)生機率、參數(shù)振動響應以及抑制參數(shù)振動難易程度上，CFRP拉索優(yōu)于鋼拉索。鑒于上述CFRP拉索相對于鋼拉索的優(yōu)勢，其在橋梁結構中的應用研究越來越多，目前主要集中在CFRP斜拉橋和CFRP纜索懸索橋的研究。東南大學土木系通過具體的算例分析了1000m級斜拉橋的幾何非線性影響量，并計算了其在溫度荷載下的靜力反響;采用有限元法比照分析了CFRP索斜拉橋和鋼索斜拉橋的主要動力特性，提出了假設干優(yōu)化CFRP斜拉橋的理論依據。

18、東南大學的呂志濤主持了國內首座CFRP索橋(江蘇大學人行橋)的設計和應用研究27，研制了黏結型CFRP拉索錨具，并對其進行了有限元分析和試驗研究;研究了CFRP拉索的制作和安裝工藝并提出了拉索的張拉方案。江蘇大學的周士金等28對以蘇通長江公路大橋為參考對象，建立斜拉橋的有限元動力模型，并采用等軸向剛度準那么將鋼索替換為CFRP索，與鋼索斜拉橋在同一地震波作用下的地震響應差異和抗震性能，得到CFRP索斜拉橋的位移和內力地震響應值較小，在抗震性能方面具備一定的優(yōu)勢;對首座CFRP索斜拉橋進行了有限元分析和荷載試驗、動態(tài)試驗，為CFRP索橋梁的動態(tài)建模、動態(tài)特性分析、抗震抗風設計及CFRP新型纜索材

19、料在橋梁工程中的進一步推廣應用提供一定的參考依據。2021年鄭宏宇等29提出將CFRP索用在懸索橋中，并分析了CFRP拉索體系懸索橋的優(yōu)勢、可行性以及推廣和應用所面臨的問題。2021年東南大學的馬文剛等30采用有限元建模的方法對鋼纜鎖懸索橋和CFRP纜索懸索橋分別進行了恒載、活載、溫度作用的比照分析計算，得出CFRP纜索懸索橋在恒載作用下的內力和溫度作用下變形比鋼纜鎖小，但是由于剛度較小，在活荷載作用下豎向變形比鋼纜索橋大7%;2021年同濟大學的李揚31基于分段懸鏈線法和通用有限元程序也對鋼纜鎖懸索橋和CFRP纜索懸索橋的靜力性能進行了比照研究，得到了同樣的結論，且進一步對CFRP纜索懸索橋

20、的剛度進行了參數(shù)分析，考慮的設計參數(shù)包括橋跨布置方式、矢跨比、邊中跨比、主梁抗彎慣矩、橋塔抗彎慣矩和中央扣，提出了改善結構剛度設計的建議。CFRP索比重小、剛度小，其抗風性能尤為重要，同濟大學的李揚和肖汝成32用非線性有限元計算方法，對主跨2000m5000m的鋼纜索和CFRP纜索懸索橋的抗風性能進行了比照分析，得到其抗風性能確實比擬差，必須采取相應的改善措施。針對錨固困難、CFRP索造價高，用在斜拉橋中整體剛度低等問題，同濟大學的熊文和肖汝誠33提出CFRP與鋼組合截面斜拉索和CFRP與鋼組合結構斜拉索兩種方案，前者是將CFRP與鋼形成組合截面斜拉索(圖6)，后者是將CFRP斜拉索與鋼斜拉索

21、分別應用于同一橋梁不同跨度區(qū)域，在保證兩種斜拉索良好力學性能的同時優(yōu)化了經濟性能。綜上所述，CFRP材料作為超長跨度斜拉橋的拉索材料與傳統(tǒng)的鋼拉索相比有很多優(yōu)勢:強度大;相同條件下，CFRP拉索的承載效率比鋼拉索高得多;CFRP拉索的比重小，減輕根底施工的難度。但作為一種新型材料，在使用上也存在一些問題，CFRP的抗剪性能較差，導致CFRP索有折點時脆斷，且CFRP拉索的錨固非常困難，需要設計一種專門的錨具來解決這個問題。5CFRP錨固系統(tǒng)的應用研究由于CFRP筋的橫向抗剪強度較低，常常發(fā)生橫向剪切破壞，導致無論是用作受壓構件的CFRP棒材還是用作受拉構件的CFRP索材都難以采用傳統(tǒng)的連接方式

22、和錨固方式對其進行連接和錨固，CFRP筋錨固體系的研發(fā)成為能否將CFRP材料應用于實際工程的關鍵。因此，近幾年關于CFRP筋錨具的研究和開發(fā)方面有不少研究。目前，國內外研究的適用于CFRP筋(索)的主要錨具形式有粘結型、夾片型和復合型(夾片-粘結型)3種，粘結性錨具是其中性能比擬穩(wěn)定，性能比擬好也是已經應用到工程中的錨固形式。51粘結型錨具粘結型錨具由套筒、螺母、端堵和封蓋組成，其中端堵和封蓋上設有相對應的定位孔，以使筋材相互間隔一定的距離并保持平行，典型的失效形式有兩種:CFRP筋破壞和CFRP筋從錨具中被拔出。后一種破壞應該通過增強錨具的粘結性能防止，影響錨具粘結性能的主要因素有錨具形式、

23、粘結長度、填充材料等。國內首座CFRP索斜拉橋采用的就是粘結型錨具，針對此錨具東南大學的呂志濤、梅葵花和江蘇大學的劉榮桂等都進行了試驗研究34，對采用樹脂封裝和微膨脹水泥封裝的直筒式和直筒加內錐式錨具進行了靜載試驗，對CFRP筋在不同的粘結長度、不同錨具形式以及不同的填充材料等情況下的拔出荷載進行試驗比照，得到了這些錨具的荷載-滑移曲線。梅葵花提出了一種直筒式粘結型錨具的粘結應力的分布模型，采用解析法分析了其極限承載力，采用有限元法分析了內錐式和直筒+內錐式錨具在其使用荷載下的受力性能。2021年同濟大學的薛偉辰和王曉輝35，通過48個拉拔試件對CFRP絞線筋與不同環(huán)境介質之間的粘結性能進行了

24、較為系統(tǒng)的試驗研究，并與鋼絞線進行了比擬。湖南大學的方志、蔣田勇和同濟大學的梁棟36，通過靜載試驗研究了不同外表形狀和錨固長度的CFRP筋在超高性能混凝土RPC、環(huán)氧鐵砂、環(huán)氧石英砂和普通混凝土等四種不同粘結介質中的受力錨固特征，得出CFRP筋的外表形狀顯著影響其錨固性能，在其他條件相同時RPC對CFRP筋的錨固性能最好，并進一步對其在RPC中的錨固性能進行了詳細的試驗研究，開發(fā)了一種以活性粉末(RPC)作為粘結介質的粘結式錨具，并對其進行了靜載試驗和疲勞試驗，得出CFRP筋的外表形狀對以RPC作為粘結介質的粘結式錨具的錨固性能有著決定性影響，建立了平均粘結強度、平均粘結強度對應的滑移量、臨界

25、錨固長度以及粘結滑移本構模型等計算式，試驗說明該錨具具有良好的抗疲勞性能。西安交通大學的侯蘇偉等37在大量試驗研究和前人研究成果的根底上，改良傳統(tǒng)的內錐型錨具，提出了一種以環(huán)氧樹脂為粘結介質的新型內錐式錨具，并對其進行了靜載試驗和疲勞試驗，證明新形粘結型錨具具有100%的錨固效率系數(shù)，且能平安通過疲勞試驗。52夾片型錨具夾片型錨具由傳統(tǒng)鋼絞線錨具開展而來，主要由錨環(huán)、夾片、軟金屬管、CFRP筋等局部組成，由于CFRP筋的抗剪性能差，傳統(tǒng)夾片型錨具"切口效應"明顯，在受荷端易發(fā)生夾斷破壞，應做如下改良:夾片與筋材間增設軟金屬管，夾片與錨環(huán)間設置角度差，減小夾片傾角。夾片型錨具

26、結構相對簡單、組裝方便，便于工程現(xiàn)場安裝。但滑移量較大，易產生應力集中，錨固效率較低。東南大學的丁漢山等38設計了一種單孔夾片式錨具，用來錨固單股CFRP筋并進行了試驗研究，試驗中典型的錨具失效模式有兩種，一種為碳筋在有效張拉長度范圍內拉斷，另一種是碳筋在錨固區(qū)域被夾片剪斷，是應防止的破壞模式。得出了錨固長度、夾片與錨環(huán)之間的交角等對錨具錨固性能的影響。湖南大學的蔣田勇和方志也對傳統(tǒng)的夾片式錨具進行了改良，改良后的夾片式錨具由凹齒曲面的夾片、錨杯、塑料薄膜以及薄壁鋁套管等組成，對不同錨杯傾角、預緊力、塑料薄膜、凹齒間距和深度以及鋁片厚度的錨具進行了靜力試驗研究39，試驗過程中試驗試件的破壞形式

27、有滑移破壞、夾斷破壞和拉斷破壞;對不同錨杯長度和錨杯內壁傾角的夾片式錨具進行了疲勞性能試驗研究，得出該類錨具具有良好的動力抗疲勞性能，錨杯內壁傾角一定時，錨杯長度越大，錨具組裝件的疲勞性能越好。西南交通大學的諸葛萍、侯蘇偉、強士中研制了CFRP筋夾片式錨具，它由錨杯、4片夾片和金屬套管組成，對不同齒距的夾片、不同材質和壁厚的套管以及不同的預緊力進行了正交試驗40，以考察不同參數(shù)對CFRP筋夾片式錨具綜合錨固性能的影響，提出的CFRP筋夾片式錨具理論計算，錨具性能穩(wěn)定，錨固效率系數(shù)高，抗滑移平安系數(shù)高，CFRP筋滑移量小，適用于錨固高強的CFRP筋。由于影響夾片式錨具的參數(shù)很多，而且相互之間是相互制約、相互影響