纖維增強(qiáng)復(fù)合材料FRP在工程結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用樣本

資料內(nèi)容僅供您學(xué)習(xí)參考，如有不當(dāng)或者侵權(quán)，請(qǐng)聯(lián)系改正或者刪除。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)在工程結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用肖萍(福建信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院福州,350019)摘要:介紹FRP這種新型高性能復(fù)合材料的種類(lèi)、性能特點(diǎn)及對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件的加固方式,并介紹了FRP復(fù)合材料在土木工程不同領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展,展望了FRP復(fù)合材料在今后土木工程領(lǐng)域的廣闊發(fā)展前景。關(guān)鍵詞:FRP復(fù)合材料;材料性能;鋼筋混凝土構(gòu);修復(fù)加固隨著社會(huì)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,土木工程結(jié)構(gòu)學(xué)科的發(fā)展,在很大程度上得益于性質(zhì)優(yōu)異的新材料、新技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展,而纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(fiberreinforcedpolymer簡(jiǎn)稱(chēng)FRP)以其優(yōu)異的力學(xué)性能及適應(yīng)現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)向大跨、高聳、重載、輕質(zhì)發(fā)展的需求,正被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于橋梁工程、各類(lèi)民用建筑、海洋工程、地下工程中,受到結(jié)構(gòu)工程界廣泛關(guān)注。1FRP復(fù)合材料的種類(lèi)FRP復(fù)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(guò)特別的模具擠壓、拉拔而形成的高性能型材料。當(dāng)前工程結(jié)構(gòu)中常見(jiàn)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(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的形式,它由連續(xù)的長(zhǎng)纖維編織而成,一般是單向纖維布,使用前布浸潤(rùn)樹(shù)脂,在采用FRP布加固時(shí)布的形狀能夠根據(jù)被加固結(jié)構(gòu)的外形隨意調(diào)整,加上它本身沒(méi)有剛度,運(yùn)輸方便,較適用于梁與柱的抗剪、抗彎加固,柱與節(jié)點(diǎn)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(zhǎng)纖維與樹(shù)脂混合為棒材;而FRP索是將連續(xù)的長(zhǎng)纖維單向編織,再用少量樹(shù)脂浸潤(rùn)固化或不用樹(shù)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(yù)應(yīng)力筋,特別是FRP筋用作預(yù)應(yīng)力筋時(shí),它的高強(qiáng)度、低彈性模量和抗腐蝕性對(duì)結(jié)構(gòu)都十分有力。同時(shí)它們還可用于大跨度支撐結(jié)構(gòu)、張拉結(jié)構(gòu)和懸挑結(jié)構(gòu),且一般可節(jié)約勞動(dòng)力和大量后期的維護(hù)費(fèi)用。但工程造價(jià)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(jié)構(gòu)中作為樓面或夾心板等構(gòu)件,同時(shí)FRP其它型材也可用于管道、樁基等尺寸較大或形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)構(gòu)件中。2FRP復(fù)合材料的基本力學(xué)性能和特點(diǎn):2.1抗拉強(qiáng)度高,FRP的抗拉強(qiáng)度均明顯高于鋼筋,與高強(qiáng)鋼絲抗拉強(qiáng)度差不多,一般是鋼筋的兩倍甚至達(dá)十倍。但FRP材料在達(dá)到抗拉強(qiáng)度前,幾乎沒(méi)有塑性變形產(chǎn)生,受拉時(shí)應(yīng)力－應(yīng)變呈線彈性上升直至脆斷,因此FRP復(fù)合材料在與混凝土結(jié)構(gòu)共同作用的過(guò)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(qiáng)度不足導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)界面被剝離破壞,因此,FRP－混凝土界面粘結(jié)性能問(wèn)題成為今后工程應(yīng)用的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)。2.2FRP復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)與混凝土相近,這樣當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí),FRP與混凝土協(xié)調(diào)工作,兩者間不會(huì)產(chǎn)生大的溫度應(yīng)力。2.3與鋼材相比,大部分FRP產(chǎn)品彈性模量小。約為普通鋼筋的25％～75％。因此,FRP結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)一般由變形控制。2.4FRP的抗剪強(qiáng)度低,其強(qiáng)度僅為抗拉強(qiáng)度的5％～20％,這使得FRP構(gòu)件在連接過(guò)程中需要研制專(zhuān)門(mén)的錨具、夾具。也使得FRP構(gòu)件的適度成為研究突出的問(wèn)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(zhǎng)期使用,因而可提高結(jié)構(gòu)的使用壽命,這是結(jié)構(gòu)材料難以比擬的。但同時(shí),與一般混凝土相比較,FRP復(fù)合材料的防火性能偏差,這也制約了該類(lèi)結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的推廣應(yīng)用,成為今后要解決的問(wèn)題之一。自重小、施工方便,其重量一般為鋼材的20％,沒(méi)有濕作業(yè),不需大型施工機(jī)具,無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)固定設(shè)施,施工占用場(chǎng)地少,可降低勞動(dòng)力費(fèi)用。

材料種類(lèi)密度Kg/m3彈性模量Mpa抗拉強(qiáng)度Mpa極限應(yīng)變%普通鋼筋78502.1x10540010.0高強(qiáng)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(fù)合材料力學(xué)性能比較3FRP復(fù)合材料在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件中的加固方式3.1梁的受彎、受剪加固FRP對(duì)混凝土簡(jiǎn)支梁進(jìn)行受彎加固時(shí),首先應(yīng)現(xiàn)將梁底粘貼FRP的區(qū)域進(jìn)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(jié),如圖一所示。同時(shí)在普通混凝土梁的受剪加固中,FRP對(duì)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(shì)。3.2FRP可用于板的受彎加固采用FRP材料對(duì)板進(jìn)行加固是將FRP粘貼于板的受拉面。一般加固單向板時(shí),一般將FRP沿短跨方向粘貼于板底,而雙向板,則需要沿兩個(gè)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(lái)越廣泛的應(yīng)用,其中FRP加固柱最為常見(jiàn)的形式為外包纖維布和條帶。FRP加固柱最常見(jiàn)的方法為現(xiàn)場(chǎng)粘貼纖維布裹柱,采用單向或雙向纖維布由樹(shù)脂浸潤(rùn)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(jìn)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(duì)橋梁和建筑物的柱進(jìn)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(jiàn)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(dāng)于提供了附加橫向配箍而提高了柱的抗剪能力,也可改進(jìn)柱抵抗地震作用的延性。同時(shí)FRP對(duì)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(fù)合材料自身的性能特點(diǎn),FRP材料可應(yīng)用如下領(lǐng)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(jié)構(gòu)中顯示了廣闊的發(fā)展前景,如美國(guó)R apid City大橋,日本的Birdie橋,德國(guó)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(wèn)題。同時(shí)在路橋工程的震害加固中,FRP復(fù)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(duì)震后的橋墩柱進(jìn)行了加固,比普通的修復(fù)加固方式節(jié)省了大量的時(shí)間,使當(dāng)?shù)氐慕煌ㄟ\(yùn)輸?shù)牡胶芸斓幕謴?fù),因此也受到了工程界的廣泛關(guān)注。4.2在地鐵、隧道的補(bǔ)強(qiáng)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(cè)壁的裂縫一般是多項(xiàng)且不規(guī)則的,這就要求修補(bǔ)材料必須具備良好的抗剪性能,而且是不導(dǎo)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(nèi)壁粘貼FRP－布可增加其抗彎性能,有效預(yù)防已有裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)展,延長(zhǎng)地鐵隧道的使用壽命。4.3在修復(fù)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(zhì)輕,施工方便,因此可采用FRP對(duì)混凝土柱進(jìn)行抗彎、抗壓、抗震加固;對(duì)梁板結(jié)構(gòu)抗彎、抗剪加固;對(duì)樓板、墻板的開(kāi)洞加固;還可對(duì)混凝土屋架進(jìn)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(guó)悠久的歷史文化為我們留下了大量的木結(jié)構(gòu)建筑,它們都具有極高的文物、歷史、藝術(shù)價(jià)值,但經(jīng)歷了歲月風(fēng)雨的侵蝕,這些木結(jié)構(gòu)都亟待養(yǎng)護(hù)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(diǎn),非常適用于非規(guī)則斷面的傳統(tǒng)木構(gòu)件表面的粘貼,且使木結(jié)構(gòu)經(jīng)油漆后不影響外觀,也沒(méi)有附加的重量,是木結(jié)構(gòu)加固的理想材料。4.5對(duì)于象煙囪、水塔這樣高聳的結(jié)構(gòu),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(fèi)時(shí)費(fèi)力,而用FRP材料其輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕、耐久性能好等特點(diǎn),使這些難題迎刃而解。當(dāng)前,國(guó)外許多發(fā)達(dá)國(guó)家如歐美、日本的工程界對(duì)FRP復(fù)合材料進(jìn)行了大量的研究開(kāi)發(fā)和應(yīng)用,使之成為一段十分活躍的領(lǐng)域。隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展,在今后一個(gè)時(shí)期,各類(lèi)道路、橋梁、民用建筑結(jié)構(gòu)的養(yǎng)護(hù)、檢測(cè)和維修將成為中國(guó)土木領(lǐng)域關(guān)心和研究的重點(diǎn),而FRP作為一種高性能材料以其輕質(zhì)高強(qiáng),耐腐蝕,耐久性能好、施工便捷等性能特點(diǎn),必