纖維增強復合材料FRP在工程結構加固中的應用樣本

資料內容僅供您學習參考，如有不當或者侵權，請聯(lián)系改正或者刪除。纖維增強復合材料(FRP)在工程結構加固中的應用肖萍(福建信息職業(yè)技術學院福州,350019)摘要:介紹FRP這種新型高性能復合材料的種類、性能特點及對鋼筋混凝土構件的加固方式,并介紹了FRP復合材料在土木工程不同領域的應用發(fā)展,展望了FRP復合材料在今后土木工程領域的廣闊發(fā)展前景。關鍵詞:FRP復合材料;材料性能;鋼筋混凝土構;修復加固隨著社會科學技術的進步,土木工程結構學科的發(fā)展,在很大程度上得益于性質優(yōu)異的新材料、新技術的應用和發(fā)展,而纖維增強復合材料(fiberreinforcedpolymer簡稱FRP)以其優(yōu)異的力學性能及適應現(xiàn)代工程結構向大跨、高聳、重載、輕質發(fā)展的需求,正被越來越廣泛地應用于橋梁工程、各類民用建筑、海洋工程、地下工程中,受到結構工程界廣泛關注。1FRP復合材料的種類FRP復合材料是由纖維材料與基體材料按一定地比例混合,經(jīng)過特別的模具擠壓、拉拔而形成的高性能型材料。當前工程結構中常見的FRP主材主要有碳纖維(CGRP)、玻璃纖維(GFRP)、及芳綸纖維(AFRP),這些材料性能如表1所示,其材料形式主要有片材(纖維布和板)、棒材(筋材和索材)及型材(格柵型、工字型、蜂窩型等)。1.1在FRP片材中,纖維布是當前應用最為廣泛的形式,它由連續(xù)的長纖維編織而成,一般是單向纖維布,使用前布浸潤樹脂,在采用FRP布加固時布的形狀能夠根據(jù)被加固結構的外形隨意調整,加上它本身沒有剛度,運輸方便,較適用于梁與柱的抗剪、抗彎加固,柱與節(jié)點的抗震加固。但由于FRP布的厚度較薄,需多層粘貼才能滿足要求,因此施工工藝較繁雜,操作較為困難。而FRP板則能夠承受纖維方向上的拉和壓,因此FRP板較適用于梁板柱的抗彎加固和抗剪加固。1.2在FRP棒材中,FRP筋是采用單向成型工藝,將單向長纖維與樹脂混合為棒材;而FRP索是將連續(xù)的長纖維單向編織,再用少量樹脂浸潤固化或不用樹脂固化而制成的索狀FRP制品。FRP筋和FRP索能夠在鋼筋混凝土代替鋼筋和預應力筋,特別是FRP筋用作預應力筋時,它的高強度、低彈性模量和抗腐蝕性對結構都十分有力。同時它們還可用于大跨度支撐結構、張拉結構和懸挑結構,且一般可節(jié)約勞動力和大量后期的維護費用。但工程造價一般高于采用鋼筋的方案。1.3在FRP型材中,FRP格柵型材可代替鋼筋網(wǎng)或鋼筋籠,直接用作結構中作為樓面或夾心板等構件,同時FRP其它型材也可用于管道、樁基等尺寸較大或形狀復雜的結構構件中。2FRP復合材料的基本力學性能和特點:2.1抗拉強度高,FRP的抗拉強度均明顯高于鋼筋,與高強鋼絲抗拉強度差不多,一般是鋼筋的兩倍甚至達十倍。但FRP材料在達到抗拉強度前,幾乎沒有塑性變形產生,受拉時應力－應變呈線彈性上升直至脆斷,因此FRP復合材料在與混凝土結構共同作用的過程中,往往不是由于FRP材料被拉斷破壞,而是由于FRP－混凝土界面強度不足導致混凝土結構界面被剝離破壞,因此,FRP－混凝土界面粘結性能問題成為今后工程應用的一個重點和難點。2.2FRP復合材料熱膨脹系數(shù)與混凝土相近,這樣當環(huán)境溫度發(fā)生變化時,FRP與混凝土協(xié)調工作,兩者間不會產生大的溫度應力。2.3與鋼材相比,大部分FRP產品彈性模量小。約為普通鋼筋的25％～75％。因此,FRP結構的設計一般由變形控制。2.4FRP的抗剪強度低,其強度僅為抗拉強度的5％～20％,這使得FRP構件在連接過程中需要研制專門的錨具、夾具。也使得FRP構件的適度成為研究突出的問題。2.5FRP材料抗腐蝕、抗疲勞性能好,能夠在酸、堿、氯鹽和潮濕的環(huán)境中長期使用,因而可提高結構的使用壽命,這是結構材料難以比擬的。但同時,與一般混凝土相比較,FRP復合材料的防火性能偏差,這也制約了該類結構產品的推廣應用,成為今后要解決的問題之一。自重小、施工方便,其重量一般為鋼材的20％,沒有濕作業(yè),不需大型施工機具,無需現(xiàn)場固定設施,施工占用場地少,可降低勞動力費用。

材料種類密度Kg/m3彈性模量Mpa抗拉強度Mpa極限應變%普通鋼筋78502.1x10540010.0高強鋼絲78502.0x10518004.0GFRP≈≈5.1x104≈1670≈3.3CFRP≈1500≈1.5x105≈1700≈1.1AFRP≈1300≈6.4x104≈1610≈2.5表1FRP復合材料力學性能比較3FRP復合材料在鋼筋混凝土結構構件中的加固方式3.1梁的受彎、受剪加固FRP對混凝土簡支梁進行受彎加固時,首先應現(xiàn)將梁底粘貼FRP的區(qū)域進行處理,去除表面的薄弱層,露出表面的混凝土層并打磨平整,以保證混凝土與FRP之間的可靠粘結,如圖一所示。同時在普通混凝土梁的受剪加固中,FRP對于不同截面形狀及角部的廣泛適用性,也是其突出的優(yōu)勢。3.2FRP可用于板的受彎加固采用FRP材料對板進行加固是將FRP粘貼于板的受拉面。一般加固單向板時,一般將FRP沿短跨方向粘貼于板底,而雙向板,則需要沿兩個方向粘貼FRP材料。如圖二所示:FRP可用于軸壓和偏壓柱的加固采用FRP材料加固混凝土柱作為一種新型的加固方法,已經(jīng)得到越來越廣泛的應用,其中FRP加固柱最為常見的形式為外包纖維布和條帶。FRP加固柱最常見的方法為現(xiàn)場粘貼纖維布裹柱,采用單向或雙向纖維布由樹脂浸潤粘貼包裹于柱表面,使柱纖維方向沿柱環(huán)向。柱可由單層或多層纖維布完全包裹,也可用纖維布條帶形成連續(xù)的螺旋箍或間隔的環(huán)箍進行部分包裹。如圖三所示:圖三FRP可用于柱的抗震加固在地震作用下采用FRP對橋梁和建筑物的柱進行抗震加固,使柱子在發(fā)生破壞前能夠由足夠的非彈性變形。最常見的FRP抗震加固方法是外包纖維為橫向布置的FRP套箍,FRP套箍相當于提供了附加橫向配箍而提高了柱的抗剪能力,也可改進柱抵抗地震作用的延性。同時FRP對柱的約束可抑制混凝土的剝落和縱筋的屈曲,使柱具有很大的非彈性彎曲變形能力。4根據(jù)FRP復合材料自身的性能特點,FRP材料可應用如下領域:4.1在道路橋梁工程中,FRP材料以其優(yōu)良的特性在大跨度的結構中顯示了廣闊的發(fā)展前景,如美國R apid City大橋,日本的Birdie橋,德國的Lunensche-Gasse橋,均為采用FRP筋替代現(xiàn)有的鋼筋混凝土橋梁,這樣也從根本上解決了鋼筋的腐蝕問題。同時在路橋工程的震害加固中,FRP復合材料也起到了顯著的效果,如在1995年日本阪神大地震發(fā)生后,她們使用了FRP－布對震后的橋墩柱進行了加固,比普通的修復加固方式節(jié)省了大量的時間,使當?shù)氐慕煌ㄟ\輸?shù)牡胶芸斓幕謴?因此也受到了工程界的廣泛關注。4.2在地鐵、隧道的補強加固中,由于地震荷載和不均勻土壓力作用,造成地鐵或隧道的拱頂或側壁的裂縫一般是多項且不規(guī)則的,這就要求修補材料必須具備良好的抗剪性能,而且是不導電材料,因此采用FRP中的芳綸布是一種很好的選擇,而在隧道內壁粘貼FRP－布可增加其抗彎性能,有效預防已有裂縫的進一步擴展,延長地鐵隧道的使用壽命。4.3在修復舊有的民用建筑中,由于FRP材料本身具有良好的耐疲勞性能,且材質輕,施工方便,因此可采用FRP對混凝土柱進行抗彎、抗壓、抗震加固;對梁板結構抗彎、抗剪加固;對樓板、墻板的開洞加固;還可對混凝土屋架進行加固等等,都起到了很好的效果。如北京民族文化宮屋蓋加固,南京新街口百貨商店的改造工程等都采用了FRP材料．4.4中國悠久的歷史文化為我們留下了大量的木結構建筑,它們都具有極高的文物、歷史、藝術價值,但經(jīng)歷了歲月風雨的侵蝕,這些木結構都亟待養(yǎng)護和維修,而FRP－布由于本身具有幾何可塑性大、輕薄、易剪裁成型等優(yōu)點,非常適用于非規(guī)則斷面的傳統(tǒng)木構件表面的粘貼,且使木結構經(jīng)油漆后不影響外觀,也沒有附加的重量,是木結構加固的理想材料。4.5對于象煙囪、水塔這樣高聳的結構,極易受到環(huán)境中的酸、堿、鹽及大氣的腐蝕作用,若采用傳統(tǒng)的加固維修,施工困難,費時費力,而用FRP材料其輕質高強、耐腐蝕、耐久性能好等特點,使這些難題迎刃而解。當前,國外許多發(fā)達國家如歐美、日本的工程界對FRP復合材料進行了大量的研究開發(fā)和應用,使之成為一段十分活躍的領域。隨著中國經(jīng)濟建設的飛速發(fā)展,在今后一個時期,各類道路、橋梁、民用建筑結構的養(yǎng)護、檢測和維修將成為中國土木領域關心和研究的重點,而FRP作為一種高性能材料以其輕質高強,耐腐蝕,耐久性能好、施工便捷等性能特點,必