复合材料在土木工程中的发展与应用.pdf

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 2014年第9期       玻璃钢/复合材料 99   复合材料在土木工程中的发展与应用   冯鹏    (清华大学土木工程系,北京100084)    摘要:纤维增强复合材料(FiberReinforcedPolymer,FRP)作为土木工程中一类新型结构材料,以其优异的力学及物理、  化学特性,逐渐成为土木工程中传统材料的重要补充。本文介绍了土木工程中FRP加固结构、FRP筋索和预应力FRP筋混凝    土结构、FRP组合结构以及全FRP结构的应用与发展,并介绍了我国土木工程应用FRP的标准规范体系的建立情况,以期促  进FRP复合材料在土木工程中快速、有序的深入发展。         关键词:纤维增强复合材料;结构加固;组合结构;全FRP结构;标准规范     中图分类号:TB332文献标识码:A文章编号:1003-0999(2014)09-0099-06     1引言      纤维增强复合材料(FiberReinforcedPolymer,   FRP)是近20年来在土木工程中发展起来的一类新     型结构材料,由碳纤维、玻璃纤维、芳纶、玄武岩纤维   等高性能纤维与树脂基体混合,经过一定的加工工 艺复合而成,并由此形成了一系列的新型结构技术。 FRP具有轻质、高强、施工成型方便、耐腐蚀等优点, 使其逐渐在土木工程中成为混凝土、钢材等传统结    构材料的重要补充,合理地将FRP应用于各类结构 物中已经成为土木工程发展的一个重要方向¨  J。    上世纪五、六十年代FRP就被尝试用于民用建      筑中。1961年,英国Smethwick的一座教堂的尖顶 采用了GFRP¨     5;1970年,英国Liverpool建成了一座      GFRP连续梁的人行天桥,跨径10m,宽1.5m6J。它    们分别为文献记载中较早将FRP应用于建筑和桥    梁结构中的实例,这些结构都是手糊工艺制成。我   国1958年就开始探索在混凝土构件中用玻璃纤维  束代替钢筋[6j,到七、八十年代FRP在结构工程中    的应用与研究逐渐增多:1972年在云南建造了一个     直径为44m的球形GFRP雷达天线罩;1982年在   北京密云建成一座跨径20.7m的GFRP蜂窝箱梁公       路桥,设计荷载等级为汽.15、挂.8O,该桥为世界上    第一座FRP公路桥J。FRP大规模应用与土木工            程中始于结构加固:1991年,瑞士联邦实验室的  Meier教授对FRP板加固混凝土结构技术进行了系      统研究,并在Ibach桥上进行了应用;这项技术在     美国北岭地震和日本阪神地震后的加固修复中显示出突出的优势¨  J,从而被工程界认可,开始广泛应用    于各类土木与建筑结构工程中。到本世纪初,世界 各国都编制了FRP土木工程应用的技术规范 ,  从而使其成为一类新的土木工程材料。据估算,近    年我国土木工程用复合材料的纤维用量超过2000     吨/年,其中碳纤维约为1500吨/年,玻璃纤维约为   800吨/年,这一数字还在不断增长中。 本文将介绍当前我国的复合材料在土木工程中  发展与应用情况,并对未来的发展趋势进行展望。  2应用与研究现状    目前FRP在土木工程中的应用,按照形式可分    为四大类:应用FRP进行工程结构加固补强、应用   FRP筋和索替代钢筋和钢索、应用FRP与传统材料  组合和直接应用全FRP结构建造工程结构。    2.1工程结构加固补强  将FRP通过各种方式附着在构件表面受力,可      以增强原有构件的受力性能。在2O世纪80年代,            我国的工程实践中就曾尝试过混凝土结构外贴     GFRP内夹高强钢丝加固方法,但主要是用于防腐 并使钢丝与混凝土共同工作,并没有得到广泛推广。    而Meier等人对CFRP板代替钢板加固混凝土结构    的技术进行了系统的研究,并在1991年用CFRP板       成功地加固了瑞士的Ibach桥J。此后,FRP加固 结构修复技术的研究在欧洲、日本、美国和加拿大等  — 收稿日期:201409.02                              基金项目:973计划资助项目(2012CB026200);清华大学基础研究基金资助项目(2011Z02141);863计划资助项目  (2012AA03A204);国家自然科学基金资助项目(50238030,50978149)  作者简介:冯鹏(1977.),博士,教授,主要从事土木工程新型结构及新材料结构技术与理论研究。  注:本文特为中国玻璃钢/复合材料学术发展回顾与展望活动交流撰写,部分内容曾在《土木工程学报》上发表。“   :  t÷u  l / o.9i 0 : 100     复合材料在土木工程中的发展与应用       国得到迅猛发展,并在工程得到较多的实际应用。    特别是在美国北岭地震和日本阪神地震后,FRP加 固技术的优越性在被损坏工程结构的修复加固中得   到了很好的验证。我国大陆于1998年完成第一项 CFRP加固工程,随后开展了一系列的研究,使这一  技术得到推广,在一些重大工程如人民大会堂、民族           文化宫等的加固改造,都应用了FRP加固技术。   2000年完成了我国首部碳纤维片材加固设计与施     工技术规程。经过十多年的发展,FRP加固技术             已经成为工程结构领域一项较为成熟的技术手    段引。具不完全统计,2008年土木工程结构加固补    强应用FRP总超过500吨,直接产值25亿元人民币    以上。汶川地震后,FRP加固技术获得了更加广泛    的应用,为震损结构的加固修复和重建建筑的快速 建设提供了有力的保障,为抗震救灾、恢复生产生活 做出了重大贡献。  从世界领域上看,FRP已经成功应用于各种类    型结构加固,包括:混凝土结构、钢结构、砌体结构、   木结构等,甚至是土石结构的历史建筑中;应用的领  域包括建筑结构、桥梁、隧道、地下结构、水工结构、  港工码头、管道等。   FRP粘贴加固混凝土结构是最主要的形式,从    1991年至今有很多相关研究开展,主要集中在以下  方面。    (1)FRP布缠绕加固混凝土柱,通过约束混凝   土提高混凝土强度和变形能力,提高抗震能力,并可   提高柱的抗剪能力。这是FRP布加固混凝土最有    效的加固形式之一,其加固效果已得到国内外许多       试验验证,而且各种FRP布均十分有效。研究表   明,FRP布对混凝土柱的约束效果与截面形状有很   大关系,对于矩形截面柱一般只能提高变形能力和    抗剪能力,而对受压承载力的提高十分有限。但如 果将截面形状适当处理成有一定弧度,则可显著提  高受压承载力;    (2)在梁、板受拉面粘贴FRP片材,提高其抗弯   承载力,并可使裂缝得到有效控制。这种加固形式     在国内应用较多,但从加固效果来看存在以下一些 ①  问题:FRP片材的受拉作用只是在受拉钢筋屈服    以后才能得到有效发挥,而此时梁和板的挠度变形一    般已很大,因此FRP片材用于受弯加固只能作为一      种安全储备。为了提高受弯加固效果,近年来已② 有研究采用预应力方法;受弯加固提高程度与原  配筋梁有很大关系,且FRP的强度一般不能得到充      FRP/CM2014.P.9 ③ 分利用;FRP片材用于受弯加固时易产生剥离破   坏,应充分注意采取抗剥离的构造措施;    (3)对梁、柱构件采用FRP片材包裹或U形箍   包裹,提高其抗剪承载力。这种加固形式也较为有 效,不过同样需注意其提高程度与构件原配箍率有    关,且FRP片材强度的发挥一般只有20%-40%。  除了以上三种主要加固形式外,FRP布也可用    于受扭和剪力墙的加固,以及与其他材料组合进行。 FRP片材加固混凝土结构中,FRP.混凝土界面   面内剪切一滑移本构关系和FRP约束混凝土受压本    构关系是建立粘贴FRP受弯加固、FRP受剪加固和     缠绕FRP约束加固设计理论的关键科学问题,也是 国际上研究最多的热点问题。在此基础上近年来也   出现一些新的或改进的加固混凝土结构的形式,如:      FRP机械锚固连接加固;FRP嵌入式加固;预应力  FRP粘贴加固;不同种类纤维混合加固。   除用于混凝土结构加固外,FRP加固砌体结构、      木结构和钢结构都得到了较多的研究。其中FRP   加固砌体结构和木结构在实际工程中得到了较多的   应用,FRP加固钢结构正在逐渐成为研究的热点。     2.2FRP筋索和预应力FRP筋混凝土结构  FRP筋中纤维含量在60%~65%。FRP筋轻质    高强,重量一般为普通钢筋的1/5,强度为普通钢筋     的6倍,且具有抗腐蚀、低松弛、非磁性、抗疲劳等优      点J。用FRP代替钢筋主要利用FRP材料良好的   耐腐蚀性,避免钢筋锈蚀所带来的结构损害,减少结   构长期维护费用。此外,可用于一些要求无铁磁性 的特殊工程。在桥梁工程中,FRP索可以用作悬索     桥及斜拉桥的缆索,预应力混凝土桥中的预应力筋。    为加强与混凝土的粘结,根据不同的加工方法,        FRP筋主要分为以下几类:表面进行砂化处理的     GFRP筋;与钢绞线相似并在多股之间用环氧粘结            的CFRP预应力筋;表面进行压痕或滚花处理的     FRP筋;利用FRP材料的柔韧性,把纤维交错编织   的FRP筋。     美国在20世纪60年代初,最早对混凝土梁中               用FRP配筋进行应用与研究,其研究重点是用  GFRP解决近海和寒冷地区的钢筋混凝土结构遭受      盐蚀危害问题。日本现已开发出FRP筋、FRP绞线      及配套锚夹具。2O世纪80年代,美国的Comell大     学成功进行了预应力FRP筋束小比例梁的试验,并  开发出GFRP筋束以及相应的连接锚固技术。到目    前为止,美国设计施工了多项供研究和示范用的工  2014年第9期       玻璃钢/复合材料 101  程,包括预应力桥面工程和房屋修缮等,如联邦公路   管理局的预应力大梁试验和密歇根州的桥梁工程。      1993年,加拿大在Beddington公路桥中使用CFRP       棒材作为预应力筋,经静载和动载试验,效果比较 理想。   FRP筋及预应力FRP筋的另外一个应用对象              是岩土工程,它已用于加筋土中。在发达国家, GFRP因其具有价格低廉、方便安装和耐久性强等   特点,已被广泛应用于许多工程,包括潮汐变化的干   湿交替的挡土墙、地基锚杆及喷射混凝土筋等工程。     我国较早在此方面开展了研究,国家自然科学 “ 基金委1999年最早资助了纤维聚合物筋混凝土梁”   力学性能项目,开展相关研究。目前我国已有能力   生产多种FRP筋、索产品,以及配套的锚夹具。     在FRP筋混凝土方面,近年来主要的研究问题  集中两个方面:            (1)FRP筋与混凝土之间的界面粘结性能。    FRP筋与混凝土粘结性能相对较差,多种形式的表 面处理和筋材形式对粘结性能有较大的影响;            (2)FRP筋混凝土构件具有特殊力学性能。  FRP筋为弹脆性材料,这就使FRP筋混凝土构件的  受力性能与传统的钢筋混凝土构件不同,非延性、裂    缝集中等特点及其带来的设计计算中的新问题都是   研究中的主要议题。 FRP索替代传统钢索的应用和研究也有一些开     展,由于CFRP索具有较高的强度密度比和模量密    度比,并具有很好耐腐蚀性,因此在大跨度桥梁、空   间结构等方面具较好的应用前景,并围绕此议题有   较多研究开展。在FRP索的应用中锚具是较难解     决的关键技术问题,FRP的弹脆性和各向异性特性     使FRP索对局部应力集中较为敏感,相关的技术研    究开展的较多。2006年在江苏大学建成了国内首    座采用CFRP拉索的斜拉桥,总长为55m,是一座钢   筋混凝土独塔双索面斜拉桥。桥梁全宽6.8m,其中    人行道宽5m,索塔两侧各布置4对共16根碳纤维     材料拉索。在这项实际应用中,CFRP索的锚固和   张拉得到了较好的解决。      2.3FRP组合结构      FRP组合结构是将应用不同种类不同形式的    FRP制品与钢材或混凝土组合应用,实现优势互补,  形成新的结构形式甚至是结构体系。FRP作为一种   高性能的新型结构材料,具有很强的可设计性,使得         结构的构成形式更加丰富,出现了多种不同类型  FRP组合结构,典型的有以下几种。 (1)FRP管混凝土     缠绕成型的FRP管中填充混凝土,形成FRP管     混凝土组合构件是最为合理的一种FRP一混凝土组    合结构构件,且FRP管不仅对混凝土有很好的约束     作用,还可以充当模板,提高施工速度,并具有很好    的耐久性,可作为桩、柱甚至作为梁。世界各国学者   对于FRP管混凝土的研究较多,对于FRP管约束混      凝土的基本受力性能(包括压、弯、剪、抗震及其组    合)、施工过程中FRP管的受力性能、长期工作状态     下的FRP管混凝土的受力性能及其FRP管中纤维种类和缠绕角度都有深入地研究¨   j。还有学者      对FRP管混凝土构件进行了改进。在FRP管内设          置FRP肋(包括横肋、纵梁和斜肋),从而在加强        FRP管局部稳定性的同时起到钢筋的作用,增强     FRP管混凝土的受力性能。还有在FRP管中心放   置泡沫塑料圆柱,浇注混凝土后形成环形空心截面,   减小自重,提高构件抗弯性能。 (2)FRP一钢管.混凝土组合构件    构件中部设置空心钢管,外包FRP,FRP与钢管   之间填充混凝土,在施工中钢管作为承力骨架,FRP    作为模板,使用中钢管受到了保护可避免锈蚀,混凝    土部分受到一定的约束,变形性能和承载力提高,同  时构件的自重减轻。 (3)FRP一混凝土组合梁   FRP一混凝土组合梁,通过组合作用使上部的混      凝土受压,下部FRP受拉,其关键问题是保证FRP   与混凝土协同工作的剪力连接件。经过组合使FRP   材料的利用更加充分,而且可以将轻质的FRP构件       作为永久性模板,方便施工。关于FRP组合梁和  FRP组合板的研究在各国都有开展。 (4)CFRP.铝合金组合构件   CFRP一铝合金组合构件是将FRP按照设计的需   要包覆在铝合金管的外表面,充分发挥两种材料共         有的轻质、高强、无磁、耐腐蚀的优点,同时避免了             FRP脆性、不易连接和铝合金弹模较低的不足。        CFRP.铝合金组合构件适合在大跨度空间结构中  应用。 (5)FRP.木组合构件   FRP与木材有类似的纤维构造形式,都具有各   向异性的受力特点,都有抗火性能较差的不足,但两    者进行合理组合后,FRP充当构件中的增强部分,木       材充当填充部分,从而实现更为优越的力学性能。 /C n 。9 1O2 复合材料在土木工程中的发展与应用  2014年9月    FRP.木组合构件在加工中也非常方便,采用成熟的  技术就能够实现。  FRP组合结构相对传统结构在耐腐蚀、轻量化    等方面具有显著的优势,同时相对全FRP结构在受 力方面可避免脆性破坏,且降低了造价,因此具有显  著的优势。目前世界各国的研究者都在不断的应用    FRP与各种结构材料进行组合以实现新型结构构  件,乃至结构体系。    2.4全FRP结构   FRP在力学上具有高的比强度、比模量,同时又   具有众多传统结构材料不具备的功能特性,如耐腐        蚀、GFRP绝缘性、CFRP的导电性、较好的隔热性   能,还具有传统结构材料不具备的加工性和可设计    性,因此当工程结构在实现承载要求的同时还需要    实现一些功能特性时,全FRP结构具有不可替代的   优势。在民用工程中全FRP主要应用在桥梁工程  中,而在工业建筑和装备中FRP结构应用的非常广   泛。目前土木工程及相关领域中应用较多的全FRP  结构有以下几种。 (1)FRP桥面体系    直接采用FRP型材作为桥梁的面板,可以减轻   支撑结构和下部结构内力、能直接抵御环境侵蚀和  荷载作用、降低维护费用。FRP桥面板是传统桥面     板的1/3~1/4,如果用FRP桥板替换原有的混凝土      桥板,使桥面结构自重减轻,动载等级提高,使用寿    命延长。这项技术从1996年在美国开始应用至今,     已在100多座桥梁中获得了成功应用。它既适合于     在新建桥梁中应用,也可以在老旧桥梁翻新中替换    原有的混凝土桥面板,提高桥梁的承载能力,还可以    在大跨桥梁中组合成封闭的FRP外壳,将原本暴露    的主梁围护起来,减少风阻、抵抗侵蚀、美观外表。 (2)FRP轻质桥梁    轻质FRP桥梁的应用以人行天桥为主,其中主    要构件或全部构件采用FRP,从而使得上部结构的   重量大大减轻,其景观效果也会成为吸引使用者的  关键因素之一。国内外已建成了几十座不同形式的        FRP轻质桥梁。从基本构件的形式上看,主要是   GFRP拉挤型材、CFRP索以及真空导人制成的  GFRP产品。FRP轻质桥梁与传统桥梁具有不同的  受力特点。首先,FRP轻质桥梁的承载力高,但刚度   较小,设计通常为变形控制。其次,FRP构件的受力   特性通常表现为线弹性,承载力随着变形增大而增     大,最终发生破坏前,变形已非常明显,破坏时比较    FRP/CM2014 ̄NO9  突然。同时,在人行桥中,为满足舒适度的振动特性   也是一个重要设计指标。目前,FRP轻质桥梁的设   计研究并没有得到太多的开展,在设计指标、连接构  造等方面还缺少相应研究。  (3)快速架设应急FRP桥    应急快速架设桥梁主要是应对人为和自然灾      害,如地震、爆炸、火灾、水灾和飓风。面对这些紧急       情况,对桥梁的机动性、适应性和标准化的要求更      高,需要快速运送和架设,这对于FRP轻量化、预制 化、耐腐蚀的特点尤为适合。世界各国都已开始研      究快速架设应急FRP桥梁,主要用于军用,美国已    经研发出针对空运的第三代全FRP应急桥梁。应  急FRP桥梁首要解决的问题是结构体系与构成。  目前大量应用的应急桥梁主要是金属结构,其结构  体系是针对金属结构特点设计的,而FRP的性能与    金属差别较大,因此沿用原有的结构体系、架设方法    和检验标准并不恰当,相关的研究还有待进一步开     展。应急FRP桥梁中必须采用快速方便的现场连  接,且连接的性能对结构承载能力和安全性起决定      性的作用。目前,我国针对快速架设应急FRP桥的  研究也较为缺乏。 (4)FRP编织网结构    FRP编织网结构是将FRP板条按一定规律进 行编织、然后经过整体张拉后形成的一种柔性结构     体系。这种新型结构充分发挥了FRP材料轻质高   强的力学特点,适合建造超大跨度的屋盖结构,同时   可实现较好的建筑效果,可在体育场等大跨度公共  建筑、大型厂房和城市小品中应用。 (5)FRP杆件空间结构  FRP用在空间结构体系中,可实现FRP网架结   构。FRP网架的杆件由CFRP片材以不同的角度层     叠粘贴而成,杆端有铝合金的锥头与球节点连接。   FRP网架结构重量轻,仅为钢网架的1/5~1/4,施工     强度小,周期短,耐腐蚀性好,可避免凝露,维护费用   低,线胀系数小,大跨度温度效应小。因此它非常适 合在超大跨度的空间结构和环境比较恶劣的大跨结 构中应用,如:体育馆、游泳馆、大型温室、展览馆 等等。  (6)形态多样化的FRP曲面结构物 用传统的材料和结构形式实现非规则的建筑需     要很高的成本,而应用FRP能高效、低成本的实现 曲面造型,这为多样化建筑形态的实现提供了便利 的技术途径。同时,FRP本身具有很强的可设计性,   2014年第9期       玻璃钢/复合材料 103 非常适合于进行结构优化。FRP结构能实现传统材    料和结构难以实现的几何外形,更能通过设计优化 使其结构受力趋于合理,因此,FRP是建造复杂建筑    形态、尤其是非线性建筑的最理想材料。很多建筑     师已开始采用FRP建造复杂的结构物,如Zaha的  香奈儿展馆、Nio的公共车站等。  (7)耐腐蚀FRP结构       随着我国环境保护和节能减排要求的13益提   高,脱硫、脱硝、污水处理等工业结构物越来越多,耐   强腐蚀成为结构所必须的功能,各种耐腐蚀FRP结  构因此出现,如电厂的脱硫平台、污水处理厂的作业   平台、有色金属提炼车间的平台等。另一方面,随着   我国海洋战略的发展,耐氯盐侵蚀的结构物也成为     FRP应用的重要方向。但目前对强腐蚀环境中FRP  结构受力性能的研究还非常少。  3标准规范  经过众多科研人员和工程技术人员近十年的努   力,当前我国初步建立了较为完整的土木工程应用 FRP的标准规范体系,为工程应用提供了重要的指     导。体系包括3个方面:复合材料通用的试验方法   标准,土木工程专用的复合材料产品标准和土木工  程中的复合材料工程应用技术规范,具体如表1所      示。这些标准规范从材料、测试、设计、施工验收等  各个环节对FRP土木工程应用进行了规定和指导。       表1我国土木工程应用FRP标准规范体系             Table1ChinesecodesandstandardsforFRPapplicationsincivilengineering 标准规范体系 具体标准规范名称   复合材料通用试验方法标准  土木工程专用复合材料产品标准  土木工程中复合材料工程应用技术规范 — 1.GB/T14462005纤维增强塑料性能试验方法总则   2.GB/T1447.2005纤维增强塑料拉伸性能试验方法  超过5O个标准规范 — 1.GB/T214902008结构加固修复用碳纤维片材 — 2.GB/T214912008结构加固修复用芳纶布    3.GB/T26743.2011结构工程用纤维增强复合材料筋 —    4.GB/T267442011结构加固修复用玻璃纤维片材 —      5.GB/T267452011结构加固修复用玄武岩纤维复合材料 —   6.GB/T295522013纤维增强复合材料桥板  7.GB/T结构用纤维增强复合材料拉挤型材(报批中)      1.CECS146:2003碳纤维片材加固混凝土结构技术规程(2007版) — 2.GB503672013混凝土结构加固设计规范   3.GB50608.2010纤维增强复合材料建设工程应用技术规范   4.JGJ/T纤维增强复合材料加固钢结构技术规程(报批中) 4结 语   土木工程与FRP的其他应用领域不同,应用对    象的尺度更大、时间更长,所面临的应用条件更为复  杂多样。现代混凝土和钢材在土木工程中的大规模     应用也不到150年,FRP在土木工程中相对更为年   轻,应用形式会越来越多,前景会越来越广阔。 参考文献 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Keywords:fiberreinforcedpolymer;structuralreinforcement;compositestructure;pure-FRPstructure;  standardspecification    FRP/CM2014I、i0曩9
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