復(fù)合材料力學(xué)論文

1、.纖維增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能研究現(xiàn)狀文獻(xiàn)綜述崔鵬中北大學(xué) 理學(xué)院 工程力學(xué)學(xué)科部 030051太原中國(guó)摘要：纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Fiber Reinforced Plastic,簡(jiǎn)稱(chēng)FRP)是由增強(qiáng)纖維材料,如玻璃纖維,碳纖維,芳綸纖維等,與基體材料經(jīng)過(guò)纏繞,模壓或拉擠等成型工藝而形成的復(fù)合材料。根據(jù)增強(qiáng)材料的不同,常見(jiàn)的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料分為玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(GFRP),碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)以及芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(AFRP)。由于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的材料特性，因此它越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于各種民用建筑、橋梁、公路、海洋、水工結(jié)構(gòu)以及地下結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域中。本文將綜述近年來(lái)國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)它的力學(xué)性

2、能的研究現(xiàn)狀。關(guān)鍵詞：纖維增強(qiáng) ；復(fù)合材料；力學(xué)性能；材料特性；應(yīng)用Composite Research Status literature review of fiber reinforced mechanical properties of materialsCUI PengCollege of Engineering Department of Mechanical Discipline North University of China Taiyuan, China 030051Abstract: Fiber-reinforced composite material (Fiber R

3、einforced Plastic, referred FRP) is a reinforcing fiber material, such as glass fiber, carbon fiber, aramid fiber, and composite matrix material after winding, pultrusion molded or formed by molding process. Depending on the reinforcing material, a common fiber-reinforced composite material into gla

4、ss fiber reinforced Plastic (GFRP), carbon fiber reinforced Plastic (CFRP) and aramid fiber reinforced Plastic (AFRP). Since the material properties of the fiber-reinforced composite materials, so it is increasingly widely used in various areas of civil construction, bridges, highways, marine, hydra

5、ulic structures and underground structures like. This paper will present research scholars at home and abroad in recent years, its mechanical properties.Keywords: Fiber reinforced； Composites； Mechanical Properties；Material properties； application1.引言復(fù)合材料是將兩種或兩種以上不同品質(zhì)的材料通過(guò)專(zhuān)門(mén)的成型工藝和制造方法復(fù)合而成的一種高性能新材料，按

6、使用要求可分為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和功能復(fù)合材料到目前為止，主要的發(fā)展方向是結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，但現(xiàn)在也正在發(fā)展集結(jié)構(gòu)和功能一體化的復(fù)合材料。通常將組成復(fù)合材料的材料或原材料稱(chēng)之為組分材料（constituent materials），它們可以是金屬、陶瓷或高聚物材料。對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料而言，組分材料包括基體和增強(qiáng)體，基體是復(fù)合材料中的連續(xù)相，其作用是將增強(qiáng)體固結(jié)在一起并在增強(qiáng)體之間傳遞載荷；增強(qiáng)體是復(fù)合材料中承載的主體，包括纖維、顆粒、晶須或片狀物等的增強(qiáng)體，其中纖維可分為連續(xù)纖維、長(zhǎng)纖維和短切纖維，按纖維材料又可分為金屬纖維、陶瓷纖維和聚合物纖維，而目前用得最多的和最重要的是碳纖維。范圍在68m內(nèi)，是近幾十

7、年發(fā)展起來(lái)的一種新型材料。目前用在復(fù)合材料中的碳纖維主要有兩大類(lèi)：聚丙烯腈基碳纖維和瀝青基碳纖維，分別用聚丙烯腈原絲（稱(chēng)之為前驅(qū)體）、瀝青原絲通過(guò)專(zhuān)門(mén)而又復(fù)雜的碳化工藝制備而得。通過(guò)碳化工藝，使纖維中的氫、氧等元素得以排出，成為一種接近純碳的材料，含碳量一般都在90%以上，而本身質(zhì)量卻大為減輕；由于碳化過(guò)程中對(duì)纖維進(jìn)行了沿軸向的預(yù)拉伸處理，使得分子沿軸向進(jìn)行取向排列，因而碳纖維軸向拉伸強(qiáng)度大大提高，成為一種輕質(zhì)、高強(qiáng)度、高模量、化學(xué)性能穩(wěn)定的高性能纖維材料。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有如下特點(diǎn):(1)比強(qiáng)度高,比模量大;(2)材料性能具有可設(shè)計(jì)性:(3)抗腐蝕性和耐久性能好;(4)熱膨脹系數(shù)與混凝土的

8、相近。這些特點(diǎn)使得FRP材料能滿(mǎn)足現(xiàn)代結(jié)構(gòu)向大跨、高聳、重載、輕質(zhì)高強(qiáng)以及在惡劣條件下工作發(fā)展的需要,同時(shí)也能滿(mǎn)足現(xiàn)代建筑施工工業(yè)化發(fā)展的要求，應(yīng)用廣泛。2.理論基礎(chǔ)與依據(jù) 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Fiber Reinforced Plastic,簡(jiǎn)稱(chēng)FRP)是由增強(qiáng)纖維材料,如玻璃纖維,碳纖維,芳綸纖維等,與基體材料經(jīng)過(guò)纏繞,模壓或拉擠等成型工藝而形成的復(fù)合材料。2.1 FRP材料的優(yōu)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。2.有良好耐腐蝕性，F(xiàn)RP 可以在酸、堿、氯鹽和潮

9、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。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。2.2 關(guān)于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能研究現(xiàn)狀2.2.1李巖，羅業(yè)1研究了天然纖維的化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)以及力學(xué)性能;綜述了

10、天然纖維的表面處理方式, 分析了其作用機(jī)理, 并討論了表面處理對(duì)其復(fù)合材料力學(xué)性能的影響;從增強(qiáng)體形式出發(fā), 介紹了短纖維、纖維氈、纖維織物以及單向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料, 并研究了成型工藝、纖維含量和表面處理等對(duì)其拉伸、彎曲、界面性能和沖擊強(qiáng)度以及斷裂韌性的影響。 然后總結(jié)了天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在汽車(chē)，建筑等土木領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，隨著生態(tài)環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng), 各行各業(yè)越來(lái)越青睞“綠色” , 特別是與人們生活緊密相關(guān)的汽車(chē)工業(yè)和建筑土木行業(yè).天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料得到了廣泛的應(yīng)用, 有著良好的應(yīng)用前景。 2.2.2關(guān)蘇軍，萬(wàn)春風(fēng)等2則研究了用短切玄武巖纖維(BF)增強(qiáng)木塑(WPC)復(fù)合材料(BF /WPC)

11、體系中, BF 的含量與BF /WPC 力學(xué)性能之間的關(guān)系, 定性探討了纖維增強(qiáng)機(jī)制。結(jié)果表明, 與WPC 相比, 除斷裂伸長(zhǎng)率有所下降之外, BF /WPC的拉伸強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度均有明顯提高, 且這些性能取得最大值時(shí)BF 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為15% 30%、15% 25%、20 % 30 %, 提高的幅度約為30 %。提出了“ 弱端面” 的定性假說(shuō), 由此解釋了BF /WPC 各項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)與增強(qiáng)纖維含量之間存在著最大值現(xiàn)象的原因。2.2.3張敏，吳剛等4研究了連續(xù)玄武巖纖維(CBF) 由于其優(yōu)異的力學(xué)性能、物理性能和較低的價(jià)格，在土木工程中應(yīng)用前景廣泛。CBF可以與樹(shù)脂復(fù)合制作片狀、板狀

12、、筋狀等各種各樣的復(fù)合材料（CBFRP），在實(shí)際工程中科學(xué)合理應(yīng)用CBFRP，必須對(duì)其力學(xué)性能作深入了解。對(duì)CBFRP片材和棒材的力學(xué)性能進(jìn)行研究，重點(diǎn)討論了影響CBFRP力學(xué)性能的各種參數(shù)，研究結(jié)果可為CBF及其CBF片材生產(chǎn)廠家提供參考，并為CBF的深入研究和工程應(yīng)用打下基礎(chǔ)。2.2.4劉建華等3采用中性鹽霧條件模擬海洋大氣環(huán)境進(jìn)行加速老化試驗(yàn), 評(píng)價(jià)玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧改性酚醛樹(shù)脂基復(fù)合材料(GFRP)在海洋氣候中的耐久性。通過(guò)該復(fù)合材料經(jīng)鹽霧老化后的質(zhì)量變化和縱向拉伸強(qiáng)度、橫向拉伸強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、層間剪切強(qiáng)度的變化, 結(jié)合濕熱老化機(jī)理, 研究其老化規(guī)律。結(jié)果表明, 隨著老化時(shí)間的增加, 復(fù)

13、合材料的吸濕量增加, 力學(xué)強(qiáng)度下降, 壓縮和層間剪切曲線表現(xiàn)出塑性特征。吸濕最初階段對(duì)力學(xué)性能影響最大, 縱向拉伸強(qiáng)度、橫向拉伸強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、層間剪切強(qiáng)度分別下降到56.1%、54.7%、54 .0 %、61 .0 %。其中拉伸強(qiáng)度變化趨勢(shì)最穩(wěn)定, 更適用于評(píng)價(jià)該復(fù)合材料的老化程度。2.2.5張楊，馬巖5為了研究碳纖維增強(qiáng)木基復(fù)合材料的力學(xué)性能，選擇直徑為 的碳纖維制備試樣。分別對(duì)碳纖維增強(qiáng)木基復(fù)合材料與木纖維板進(jìn)行了三點(diǎn)彎曲力學(xué)性能測(cè)試，運(yùn)用掃描電鏡（）其微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。結(jié)果表明：通過(guò)力學(xué)曲線對(duì)比及斷裂機(jī)理分析，可以明顯的發(fā)現(xiàn)碳纖維增強(qiáng)木基復(fù)合材料的力學(xué)性能要優(yōu)于木纖維板，這種“三明治”

14、結(jié)構(gòu)的材料設(shè)計(jì)充分發(fā)揮出碳纖維獨(dú)特的緩沖能力，試件在較高外加載荷作用下并不是產(chǎn)生突然的斷裂破壞，而是具有一定的承載能力。 分析表明，聚醋酸乙烯膠粘劑工作強(qiáng)度高，在受力時(shí)能夠很好的傳遞載荷，碳纖維網(wǎng)與木纖維板結(jié)合良好。2.2.6焦瓏，康衛(wèi)民等6也研究了碳納米管修飾碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料力學(xué)性能，碳納米管以其穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的力學(xué)性能，成為復(fù)合材料的理想增強(qiáng)相。詳細(xì)介紹了碳納米管碳纖維功能增強(qiáng)體的制備方法及其在增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料力學(xué)性能方面的研究進(jìn)展，并評(píng)述了碳納米管碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料存在的相應(yīng)問(wèn)題，為提高碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料力學(xué)性能的研究提供了參考。碳纖維復(fù)合材料由于其優(yōu)異的性能得到了無(wú)

15、限的青睞。它已經(jīng)變成了一種多學(xué)科、跨行業(yè)的特殊精細(xì)化產(chǎn)品，國(guó)外已實(shí)現(xiàn)了其商業(yè)化的生產(chǎn)。然而我國(guó)碳纖維及其復(fù)合材料的研制與生產(chǎn)較世界先進(jìn)水平仍有較大的差距，加之我國(guó)對(duì)碳纖維材料的需求正逐年增加，為了擺脫對(duì)國(guó)外進(jìn)口產(chǎn)品的依賴(lài)，發(fā)展我國(guó)自主的碳纖維高性能復(fù)合材料已經(jīng)迫在眉睫?；谔技{米管優(yōu)異的性能，將其與碳纖維有效結(jié)合，制備出高性能的碳納米管碳纖維功能增強(qiáng)體，無(wú)疑對(duì)提高碳纖維及其復(fù)合材料的性能帶來(lái)了一片生機(jī)。2.2.7劉鵬，李方義等7為了解決生物質(zhì)復(fù)合材料中淀粉基質(zhì)與植物纖維分子間的表面結(jié)合問(wèn)題，探究淀粉/纖維預(yù)處理對(duì)二者分子間氫鍵形成的影響，提高生物質(zhì)復(fù)合材料的力學(xué)性能，在多年研究的基礎(chǔ)上，優(yōu)化成

16、分配伍，分別制備了劍麻纖維、紙漿纖維、稻草纖維和木質(zhì)纖維增強(qiáng)的生物質(zhì)復(fù)合材料。通過(guò)紅外光譜實(shí)驗(yàn)，研究了熱塑性淀粉的化學(xué)鍵變化和復(fù)合材料制品化學(xué)鍵的變化機(jī)理，對(duì)比了4 種復(fù)合材料中淀粉和纖維分子間氫鍵的強(qiáng)弱。拉伸強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，劍麻纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度最高可達(dá)3 75 MPa，壓縮強(qiáng)度最高可達(dá)1 26 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于紙漿纖維、稻草纖維和木質(zhì)素纖維復(fù)合材料。SEM 圖像顯示了熱塑性淀粉和生物質(zhì)復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)。生物質(zhì)復(fù)合材料制備流程圖The preparation process of biomass composites2.2.8對(duì)于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的制備，姜飛正等8

17、采用模壓成型法制備紡織結(jié)構(gòu)碳纖維增強(qiáng)聚苯硫醚基（carbonfiberfabricpolyphenylenesulfide，CFFPPS）復(fù)合材料層壓板，通過(guò)纖維改性處理和模壓工藝優(yōu)化，得到力學(xué)性能優(yōu)異的CFFPPS復(fù)合材料。采用DSC、TGA、流變行為測(cè)試等手段對(duì)PPS基體性能進(jìn)行了表征。基于分析結(jié)果，考察了模壓成型溫度、壓力、時(shí)間和加載方式等工藝參數(shù)對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，并初步探討了這些因素對(duì)材料結(jié)構(gòu)與性能的調(diào)控機(jī)制。在最佳工藝參數(shù)下制得的層壓板拉伸強(qiáng)度為762.31MPa，彎曲強(qiáng)度720.93MPa，層間剪切強(qiáng)度58.90MPa，沖擊強(qiáng)度46.18KJm2。借助SEM、金相顯微鏡等表

18、征手段觀察到，PPS基體完全滲透于紡織結(jié)構(gòu)碳纖維單絲之間，復(fù)合材料層壓板內(nèi)部沒(méi)有發(fā)現(xiàn)微觀孔隙。對(duì)于力學(xué)性能來(lái)說(shuō)，得到結(jié)論：）通過(guò)纖維熱處理和模壓工藝優(yōu)化，得到力學(xué)性能優(yōu)異的CFFPPS復(fù)合材料層壓板，因此薄膜疊層模壓法制備CFFPPS復(fù)合材料路線是可行的。確定了合適的熱壓參數(shù)：熱壓溫度330，熱壓時(shí)間為25min，加壓方式為0.52.1MPa三段式加壓。）樹(shù)脂基體PPS對(duì)溫度的敏感性較高，隨著溫度的升高，熔體粘度逐漸下降；但是溫度過(guò)高易使PPS發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)。但不同程度的交聯(lián)對(duì)材料的拉伸、彎曲、層間剪切、沖擊的影響是不一樣的。）采用三段式加壓及合理的溫度與時(shí)間解決了熱塑性樹(shù)脂基體對(duì)纖維絲束的浸潤(rùn)

19、性，有效地降低了材料的孔隙率。2.2.9杜鳳，王偉宏9研究了碳纖維增強(qiáng)木粉/聚乙烯復(fù)合材料的制備及其力學(xué)性能, 將短切碳纖維(SCF)與木粉(WF)、高密度聚乙烯(HDPE)塑料和其他添加劑共混、熔融復(fù)合后，用模壓成型方法制備了短切碳纖維增強(qiáng)木塑( SCF/WF/HDPE) 復(fù)合材料;將碳布放置于木塑板上下表面，經(jīng)模壓成型制備碳纖維布增強(qiáng)木塑(CFC/WF/HDPE)復(fù)合材料。研究了碳纖維用量對(duì)碳纖維增強(qiáng)WF/HDPE 復(fù)合材力學(xué)性能的影響，并利用掃描電鏡(SEM)和紅外光譜(FTI)對(duì)碳纖維進(jìn)行表征。結(jié)果表明:與純WF/HDPE 復(fù)合材相比，碳纖維加入量為10% 時(shí)，復(fù)合材料的力學(xué)強(qiáng)度提高幅

20、度最大，拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度分別提高了8. 4% 和10. 6%;當(dāng)碳纖維加入量為6%時(shí)，復(fù)合材料的韌性提高幅度最大，斷裂伸長(zhǎng)率提高了25. 9%，沖擊強(qiáng)度提高了24. 4%。使用丙酮清洗掉碳纖維表面的上漿劑后，其增強(qiáng)效果比未經(jīng)過(guò)處理的碳纖維略有下降。與短切碳纖維相比，碳布的增強(qiáng)效果更好，與短切碳纖維增強(qiáng)木塑(SCF/WF/HDPE) 復(fù)合材料相比，碳布平鋪在木塑板表面的結(jié)構(gòu)拉伸性能可提高62%，斷裂伸長(zhǎng)率提高148%，彎曲強(qiáng)度提高71%，沖擊強(qiáng)度高313%。2.2.10對(duì)于很多纖維增強(qiáng)復(fù)合材料,對(duì)于碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料則是研究比較多,對(duì)于這一材料,劉新宇,劉銳等10研究了連續(xù)碳纖維增強(qiáng)雜萘聯(lián)苯共

21、聚芳醚砜復(fù)合材料的制備及力學(xué)性能。熱塑性復(fù)合材料較傳統(tǒng)的熱固性復(fù)合材料具有更高的韌性和抗損傷容限，成型周期短，可重復(fù)加工等特點(diǎn)，熱塑性復(fù)合材料的研究和應(yīng)用越來(lái)越被人們所重視11,12。以PPBES 為樹(shù)脂基體，連續(xù)碳纖維為增強(qiáng)材料，采用溶液浸漬和熱壓成型的工藝制備出連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，重點(diǎn)考察了纖維體積分?jǐn)?shù)、模壓成型溫度、成型壓力及保壓時(shí)間對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。并在確定了最佳成型工藝條件后，考察了復(fù)合材料的耐濕熱性能。以含二氮雜萘酮聯(lián)苯共聚芳醚砜( PPBES) 為樹(shù)脂基體，連續(xù)碳纖維T700-12K 為增強(qiáng)材料，采用溶液浸漬和模壓成型的方法制備出單向復(fù)合材料。通過(guò)對(duì)復(fù)合材料樣條進(jìn)行三點(diǎn)

22、彎曲以及短梁剪切力學(xué)性能測(cè)試，考察了復(fù)合材料纖維體積分?jǐn)?shù)、模壓成型溫度、成型壓力及保壓時(shí)間對(duì)復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度、模量及層間剪切強(qiáng)度的影響。分別測(cè)試了復(fù)合材料在干態(tài)及濕態(tài)下的高溫力學(xué)性能的變化規(guī)律。結(jié)果表明，當(dāng)復(fù)合材料纖維體積分?jǐn)?shù)為63%，模壓成型溫度為350 ，成型壓力為4 MPa，保壓時(shí)間為20 min 時(shí)，復(fù)合材料的力學(xué)性能最佳。動(dòng)態(tài)熱機(jī)械性能測(cè)試結(jié)果表明復(fù)合材料在230 之前，儲(chǔ)能模量保持穩(wěn)定。而水煮48 h 后復(fù)合材料的吸水率為0 3%。3.應(yīng)用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在工程中應(yīng)用廣泛,學(xué)者經(jīng)過(guò)很多年的研究,已經(jīng)通過(guò)FRP的特性,發(fā)現(xiàn)了FRP的實(shí)用性.下面通過(guò)一些材料了解一下FRP在工程結(jié)構(gòu)中的

23、應(yīng)用.3.1FRP 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、滾花或編織等工藝增強(qiáng)其與混凝土間的粘接力;用作預(yù)應(yīng)力FRP筋的索一般較柔軟,具有一定的韌性。在北美、北歐等西方國(guó)家,由

24、于冬季的除冰鹽對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)中鋼筋腐蝕所帶來(lái)的嚴(yán)重危害已成為困擾基礎(chǔ)設(shè)施工程的主要問(wèn)題,FRP 配筋和FRP預(yù)應(yīng)力筋混凝土結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用發(fā)展較早且較快。20 世紀(jì)70 年代末FRP 筋開(kāi)發(fā)成功,并應(yīng)用于工程中;80 年代末,德國(guó)、日本相繼建成FRP 預(yù)應(yīng)力混凝土橋。目前已有多種FRP筋、索和網(wǎng)格材產(chǎn)品以及配套的錨具,并編制了相關(guān)的規(guī)范和規(guī)程。3.2 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)承受荷載的結(jié)構(gòu)形式。FRP 與混凝土通過(guò)合理的組合方式使FRP

25、 型材與混凝土共同受力,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|生能好的優(yōu)勢(shì),達(dá)到互補(bǔ)的效果。可在拉擠FRP 型材時(shí),直接將鋼筋和鋼絲嵌入型材中成型,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)合的組成蒙皮結(jié)構(gòu)。3.3 FRP 加固砌體結(jié)構(gòu)近年來(lái)提出的采用FRP 加固砌體結(jié)構(gòu)的新型技術(shù),可以避免傳統(tǒng)砌體結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)方法的缺點(diǎn)。國(guó)外對(duì)FRP 加固砌體結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用比較多,主要是針對(duì)FRP 加固砌體結(jié)構(gòu)的平面外彎曲性能研

26、究、抗剪性能研究和抗震性能研究等。試驗(yàn)結(jié)果表明,FRP 加固能有效提高砌體的受剪承載力和抗震性能。在應(yīng)用上,歐洲的許多古建筑采用了FRP 進(jìn)行修復(fù)加固,取得了良好的效果。目前,國(guó)內(nèi)在FRP 加固砌體結(jié)構(gòu)的研究應(yīng)用還比較少,理論還不夠成熟,也沒(méi)有關(guān)于FRP 加固砌體結(jié)構(gòu)的有關(guān)規(guī)范。3.4 FRP 加固鋼結(jié)構(gòu)在役鋼結(jié)構(gòu),如橋梁、建筑物等在設(shè)計(jì)、制造、施工過(guò)程中可能產(chǎn)生各種缺陷,在使用階段因超載、銹蝕、疲勞等原因會(huì)引起損傷累積,從而影響結(jié)構(gòu)的安全。傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)加固方法主要有鋼板焊接、螺栓連接、鉚接或者粘接,這些方法存在許多缺點(diǎn),如產(chǎn)生新的損傷和焊接殘余應(yīng)力等。近年來(lái)的研究表明,FRP 加固鋼結(jié)構(gòu)顯示

27、出很好的效果。FRP 加固修復(fù)損傷鋼結(jié)構(gòu)能有效恢復(fù)其剛度、承載能力并改善其疲勞性能,還能對(duì)鋼結(jié)構(gòu)形成保護(hù),起到加固和防腐的雙重效果。國(guó)外關(guān)于FRP 加固鋼結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)研究大部分集中在受彎加固和疲勞加固方面,分為無(wú)損傷缺陷鋼梁的加固和損傷鋼梁的加固。FRP 加固無(wú)初始損傷缺陷鋼梁的試驗(yàn)結(jié)果顯示,鋼梁加固后的承載能力有一定提高,但剛度大部分沒(méi)有明顯變化。已有的試驗(yàn)結(jié)果表明,加固效果的離散性比較大,隨著粘貼的纖維量、纖維的彈性模量、鋼材的彈性模量、鋼材的屈服強(qiáng)度的不同,加固效果也不同。存在損傷缺陷鋼梁用高模量的CFRP板加固后,剛度基本能恢復(fù)到未損傷情況下鋼梁剛度的90%以上,極限承載能力的提高隨著加

28、固量和損傷大小而不同。3.5FRP 鋁合金組合結(jié)構(gòu)新型結(jié)構(gòu)形式，它兼有兩種材料輕質(zhì)的特點(diǎn)，同時(shí)FRP 又極大地增強(qiáng)了鋁合金構(gòu)件的剛度和承載力。這種組合結(jié)構(gòu)已在航空航天工程中得到廣泛應(yīng)用，我國(guó)也已開(kāi)始在土木與建筑工程結(jié)構(gòu)中的研究。4.FRP材料發(fā)展前景FRP 材料用于加固行業(yè)促進(jìn)了加固行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，備受?chē)?guó)內(nèi)外加固行業(yè)、研究者、設(shè)計(jì)部門(mén)等的青睞。目前，國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者，已相繼展開(kāi)了內(nèi)嵌FRP 片材加固方法有關(guān)的試驗(yàn)研究、理論分析和工程應(yīng)用。盡管嵌入FRP 材料與外貼FRP 片材相比有許多優(yōu)點(diǎn)，但在構(gòu)件不卸載、卸載不充分或構(gòu)造措施不當(dāng)時(shí)，嵌入混凝土內(nèi)的FRP 材料強(qiáng)度仍難以充分發(fā)揮作用，而增加FRP 材料的斷面又受到保護(hù)層厚度及構(gòu)件橫向尺寸的限制，已有的FRP內(nèi)嵌抗彎加固試驗(yàn)研究結(jié)果(包括作者的試驗(yàn)研究)均表明了這一問(wèn)題。且在試驗(yàn)中，大部分試件發(fā)生粘結(jié)失效破壞(這里所指的粘結(jié)破壞，與外貼FRP 片材的剝離破壞相比，破壞的突然性和脆性有所降低)。有研究者還采用了高模量的CFRP 方形筋，承載能力提高幅度更大，但延性降低，也因粘結(jié)失效而破壞。而目前對(duì)于內(nèi)嵌加固的粘結(jié)失效強(qiáng)度模型的研究還較少，所提出的模型一般都是在原有片材模型上的改進(jìn)，而這些模型都具有各自的