纖維增強(qiáng)材料在工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

1、 纖維增強(qiáng)材料在工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用 概述 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是由高性能纖維與基體復(fù)合而成的高性能新型材料。 .桌面纖維加固RIMG0070.JPG 根據(jù)復(fù)合材料中的增強(qiáng)材料的形狀，分為：顆粒、層狀、纖維。 常見的纖維種類有：玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、陶瓷纖維、金屬纖維等。 土木工程中常用的有主要是樹脂基體的碳 纖維CFRP）、玻璃纖維（GFRP）及芳綸纖維 （AFRP）。1942年，美國(guó)軍方用GFRP制成雷達(dá)天線罩。60年代末，F(xiàn)RP用于民用領(lǐng)域68年，英國(guó)用GFRP墻板做圍護(hù)結(jié)構(gòu)以抵抗海水的氯鹽腐蝕。開始用于建筑結(jié)構(gòu)。70年英國(guó)用于建筑跨徑為10米的連續(xù)梁人行天橋。58年我國(guó)試驗(yàn)用GF

2、RP筋代替鋼筋的研究。58年我國(guó)試驗(yàn)用GFRP筋代替鋼筋的研究。72年云南建造了一座直徑為44m的GFRP球形雷達(dá)天線罩。82年北京密云建成跨徑為20.7mGFRP簡(jiǎn)支蜂窩箱梁公路橋。并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)。為世界第一座GFRP公路橋。 FRP材料的特點(diǎn)：輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕、施工性能好。 本章介紹FRP材料在土木與建筑結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域的應(yīng)用與研究情況，探討FRP今后可能的發(fā)展趨勢(shì).FRP材料1.纖維FRP材料的形式以片材與索狀材為主，纖維是其主要受力成分。 與鋼材及混凝土相比，其比強(qiáng)度（強(qiáng)度/比重）為鋼材的20-50倍，CFRP的比模量（彈性模量/比重）為鋼材的5-10倍。輕質(zhì)高強(qiáng)性能十分突出。尤以碳

3、纖維突出。土木工程結(jié)構(gòu)中常用纖維的主要力學(xué)性能與鋼材對(duì)比纖維種類 比重 拉伸強(qiáng)度 彈性模量 熱脹系數(shù) 延伸率 比強(qiáng)度 比模量 /GPa /GPa 10-6 0 C /% /GPa /GPa鋼 HRB400 7.8 0.42 200 12 18 0.05 26材高強(qiáng)鋼絞線7.8 1.86 200 12 3.5 0.24 26 玻（高強(qiáng)） 2.49 4.6 84 2.9 5.7 1.97 34璃 (低導(dǎo)） 2.55 3.5 74 5 4.8 1.37 29纖（高模） 2.89 3.5 110 5.7 3.2 1.21 38維（抗堿） 2.68 3.2 75 7.5 4.8 1.31 28碳（普通）

4、 1.75 3.5 235 -0.41 1.3 2.00 131纖（高強(qiáng)） 1.81 5.6 300 -0.56 1.7 3.09 166維（高模） 1.88 4.0 485 -0.6 0.8 2.13 213 2.FRP產(chǎn)品形式 FRP產(chǎn)品形式有片材（布和板）、棒材、網(wǎng)格材及格柵拉擠型材、纏繞型材和模壓型材等. 其中纖維布應(yīng)用最廣泛.通常由單向連續(xù)長(zhǎng)纖維編織而成。 主要用于結(jié)構(gòu)工程的加固，施工時(shí)用樹脂膠浸潤(rùn)粘貼于結(jié)構(gòu)表面。只能承受單項(xiàng)拉伸。 .桌面纖維加固RIMG0068.JPG 近年來，F(xiàn)RP材料（主要是片材）加固補(bǔ)強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的技術(shù)在工程中得到很好應(yīng)用。 在航空航天、船舶、汽車化工和機(jī)械

5、領(lǐng)域廣泛得到應(yīng)用.桌面纖維加固RIMG0068.JPGFRP板也是用樹脂膠粘貼于結(jié)構(gòu)表面加固結(jié)構(gòu)的。其可以承受纖維方向的拉和壓。 兩者在垂直纖維方向上的強(qiáng)度與彈性模量均較低。.桌面纖維加固RIMG0068.JPG. .桌面纖維加固RIMG006.桌面纖維加固RIMG0069.JPG8.JPG桌面.桌面纖維加固RIMG0068.JPG纖維加固RIMG0068.JPGFRP筋與棒材可在混凝土中代替鋼筋或作預(yù)應(yīng)力筋；FRP索可用于大跨懸索結(jié)構(gòu)或張拉結(jié)構(gòu)中；FRP網(wǎng)格可直接代替鋼筋網(wǎng)片；FRP隔柵主要用于樓面結(jié)構(gòu)中或制作FRP受力板材；FRP拉擠型材可直接作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件，也可與其他材料結(jié)合使用；.桌面纖

6、維加固RIMG0101.JPG FRP纏繞管內(nèi)充填混凝土可作為柱、樁、梁等，其性能大大優(yōu)于鋼筋混凝土及鋼管混凝土，且具有防腐能力。 區(qū)別于以上幾種FRP材料，F(xiàn)RP模壓型材在平面內(nèi)表現(xiàn)為各項(xiàng)同性。 3.FRP材料的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：1.比強(qiáng)度高 減輕結(jié)構(gòu)自重，是獲得超大跨度結(jié)構(gòu)的重要途徑；可減小地震對(duì)結(jié)構(gòu)的作用；并可提高結(jié)構(gòu)的耐疲勞性。2.具有良好的耐腐蝕性 可在酸、堿、氯鹽和潮濕環(huán)境下長(zhǎng)期使用。3.具有很好的可設(shè)計(jì)性 FRP產(chǎn)品強(qiáng)度指標(biāo)、彈性模量及特殊性能范圍寬泛，可選擇性強(qiáng)，便于設(shè)計(jì)者選用。4.彈性性能好 應(yīng)力與應(yīng)變曲線接近直線。在發(fā)生較大變形后還能恢復(fù)原狀，塑性變性較小。5.可工廠化生產(chǎn)。 此外

7、，還有絕緣、可透電磁波、隔熱、熱脹系數(shù)小等?？捎糜诤舜殴舱瘛⒌卮庞^測(cè)站等結(jié)構(gòu)。 缺點(diǎn)：1.FRP材料為各項(xiàng)異性 沿纖維方向的強(qiáng)度及彈性模量與垂直于纖維方向的強(qiáng)度及彈性模量之比為525倍。沿纖維方向的抗拉強(qiáng)度比抗壓強(qiáng)度高30%.2.彈性模量約為鋼材的1/20-1/2.3.剪切強(qiáng)度、層間拉伸強(qiáng)度和層間剪切強(qiáng)度僅為其抗拉強(qiáng)度的3%-20%。不利于FRP構(gòu)件的連接。4.防火性能差 其軟化溫度約為700C，此時(shí)，力學(xué)性能大大降低?？稍贔RP材料中加入阻燃劑提高抗火性能。5.與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，F(xiàn)RP結(jié)構(gòu)的價(jià)格較貴，但考慮其耐腐蝕性及自重輕，其綜合經(jīng)濟(jì)效益是值得重視的。工程結(jié)構(gòu)加固補(bǔ)強(qiáng)1991年瑞士聯(lián)邦

8、實(shí)驗(yàn)室用FRP板代替鋼板，采用樹脂粘接加固Ebach橋?yàn)槭澜绲谝豁?xiàng)用FRP材料加固的工程結(jié)構(gòu)。美國(guó)洛杉磯地震和日本阪神地震后，F(xiàn)RP加固技術(shù)用于被損壞工程結(jié)構(gòu)修復(fù)和加固得到很好驗(yàn)證。我國(guó)于1998年完成第一項(xiàng)FRP加固工程，2000年我國(guó)首部碳纖維片材加固設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)程頒布。幾種FRP加固的形式及存在問題（1）FRP布纏繞加固混凝土柱壞形式。 約束混凝土柱提高混凝土強(qiáng)度、變形能力及抗剪能力。 用于矩形截面，可提高受壓承載力25%左右，而變形能力及抗剪能力可較大提高。 而用于弧形截面則可較大提高受壓承載力。 并可大大改善其延性。 對(duì)于柱的受彎加固因FRP的錨固問題難以解決，很難得到應(yīng)用。 而

9、此時(shí)梁和板的撓度變形已很大；另外，受彎加固提高程度與原配筋梁有很大關(guān)系。 FRP的強(qiáng)度一般不能得到充分利用，一般只能FRP材料的20-40%。且易產(chǎn)生剝離破壞，尤其對(duì)U形加固和側(cè)面粘貼，剝離破壞是主要破壞形式。應(yīng)注意采取抗剝離措施；需要研究的問題： 界面粘接性能和剝離、疲勞性能、二次受力、耐久性以及環(huán)境影響和防火問題。 對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，如隧道、涵洞、煙囪、殼體結(jié)構(gòu)等的加固，粘貼FRP片材有很大優(yōu)勢(shì)。 采用FRP網(wǎng)格材加固、FRP筋表面嵌入式加固技術(shù)、FRP索進(jìn)行體外預(yù)應(yīng)力加固在國(guó)外有較多研究。 FRP也可用于砌體結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)、和鋼結(jié)構(gòu)的加固。試驗(yàn)研究表明，在鋼結(jié)構(gòu)疲勞裂縫部位粘貼FRP布，可顯著

10、提高其抗疲勞強(qiáng)度。 區(qū)別于鋼材和混凝土材料的材性，F(xiàn)RP材料直到破壞基本表現(xiàn)為線彈性。 FRP筋的纖維含量在60-65%，重量為普通鋼筋的1/5，強(qiáng)度為普通鋼筋的6倍，且具有抗腐蝕、耐疲勞、非磁性等優(yōu)點(diǎn)。 FRP筋和預(yù)應(yīng)力FRP筋混凝土結(jié)構(gòu) 用FRP筋代替鋼筋，主要是利用其良好的耐腐蝕性，可避免鋼筋銹蝕帶來的結(jié)構(gòu)損害，減少結(jié)構(gòu)維護(hù)費(fèi)用。還可用于要求無鐵磁性特殊工程。 在橋梁工程中，F(xiàn)RP筋可作為懸索橋的吊索或斜拉橋的吊索，預(yù)應(yīng)力混凝土橋中的預(yù)應(yīng)力筋。 20世紀(jì)60年代初，美國(guó)最先利用GFRP筋替代鋼筋。 80年代，康奈爾大學(xué)進(jìn)行了小比例預(yù)應(yīng)力FRP筋束混凝土梁試驗(yàn)，聯(lián)邦公路管理局預(yù)應(yīng)力大梁試驗(yàn)

11、等。 93年，加拿大在公路橋中使用CFRP棒材作為預(yù)應(yīng)力筋，經(jīng)動(dòng)載與靜載試驗(yàn)，效果非常理想。FRP筋的分類： 表面進(jìn)行砂化處理的GFRP筋; 表面進(jìn)行壓痕與滾花處理的FRP筋； 利用FRP材料的柔韌性，把纖維交錯(cuò)編織的FRP筋； 與鋼絞線相似并在7股之間用環(huán)氧樹脂粘接的CFRP預(yù)應(yīng)力筋。 我國(guó)已研制出FRP筋產(chǎn)品，及預(yù)應(yīng)力FRP筋索錨夾具。 在FRP筋混凝土方面，主要針對(duì)FRP筋與混凝土間的粘結(jié)性能、裂縫寬度和抗彎承載力進(jìn)行了試驗(yàn)研究。在預(yù)應(yīng)力FRP筋混凝土方面，進(jìn)行了有粘結(jié)、無粘結(jié)及體外預(yù)應(yīng)力FRP筋混凝土梁的受彎性能試驗(yàn)研究，提出了張拉預(yù)應(yīng)力限值和FRP預(yù)應(yīng)力損失的計(jì)算方法，以及受彎承載力

12、的計(jì)算公式。 由于FRP筋與FRP索材具有彈脆性特點(diǎn)，F(xiàn)RP筋與預(yù)應(yīng)力FRP筋混凝土梁的受力性能與普通混凝土梁有很大差別，無鋼筋屈服后的延性階段，需重點(diǎn)研究。 在巖土工程中用于加筋土中，如GFRP筋用于擋土墻、地基錨桿及噴射混凝土等工程。存在問題FRP筋直到拉斷均表現(xiàn)為線彈性，無普通鋼筋的屈服平臺(tái)，構(gòu)件破壞有一定脆性，因此，不能當(dāng)成普通鋼筋進(jìn)行計(jì)算；使用FRP筋的構(gòu)件抗側(cè)力較差；FRP進(jìn)無法現(xiàn)場(chǎng)加工成型。FRP結(jié)構(gòu)及組合結(jié)構(gòu) 由不同種類及形式的FRP制品組合在一起可制成全FRP結(jié)構(gòu)，如由FRP桿件組成的框架結(jié)構(gòu)等。 FRP與鋼材組合，可發(fā)揮鋼材的高彈性模量和FRP的耐腐蝕、耐疲勞性能好的優(yōu)勢(shì)。

13、主要形式有直接將鋼筋和鋼絲嵌入型材中組合成型；在鋼結(jié)構(gòu)外部采用FRP型材封閉，起到防腐并與鋼結(jié)構(gòu)共同受力的作用；用鋼骨架與FRP織物做蒙皮的結(jié)構(gòu)。其中采用FRP型材作為外殼內(nèi)填混凝土形成的FRP-混凝土組合構(gòu)件應(yīng)用最多。 FRP管即可起到對(duì)混凝土的約束作用，還可充當(dāng)模板，提高施工速度且具有良好的耐久性。廣泛用于樁、柱及梁構(gòu)件。 對(duì)受彎FRP組合構(gòu)件，如梁、板等，其上部混凝土受壓而下部FRP受拉，關(guān)鍵是保證FRP與混凝土協(xié)同工作的剪力連接件性能。 美國(guó)人采用樹脂膠粘貼方法和采用FRP拉擠型材為混凝土模板，通過拉擠型材的T形肋做剪切構(gòu)件。日本人采用FRP工形截面型材與混凝土面層結(jié)合，利用銷釘作剪力

14、連接件.桌面纖維加固RIMG0093.JPG 我國(guó)學(xué)者采用3mm厚的GFRP方形空心管為混凝土外模，制作的混凝土梁承載能力及抗變形能力大大提高。 研究了基本受力性能（包括壓、彎、剪、抗震及其組合）、施工過程中FRP管的受力性能、長(zhǎng)期工作狀態(tài)下FRP管混凝土的受力性能及FRP管中纖維種類和纏繞角度等的影響。也有在FRP管中心放置泡沫塑料或鋼管澆筑混凝土后形成環(huán)形截面，減小結(jié)構(gòu)自重，提高構(gòu)件抗彎能力。FRP在橋梁中的應(yīng)用 FRP材料具有較高的比強(qiáng)度和比模量，是超大跨度橋梁的結(jié)構(gòu)材料。 1986年我國(guó)重慶建成第一座斜拉FRP箱型梁人行天橋，為單塔單索面非對(duì)稱斜拉體系。全長(zhǎng)為50m，主跨梁長(zhǎng)27.4m

15、，寬4.4m，設(shè)計(jì)荷載3.5kN/m2，自重8.9t，為鋼橋的30%，混凝土橋的13%，GFRP蜂窩夾芯板組合箱梁，斜纜為高強(qiáng)鋼絲束，其他為混凝土結(jié)構(gòu)。 1982年，我國(guó)在北京密云建成世界第一座跨徑為20.7m的用GFRP做前橋面上部結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)支蜂窩箱梁公路橋，可承受較大反復(fù)動(dòng)荷載。 此后FRP橋板結(jié)構(gòu)還被應(yīng)用在老化橋梁的修理替換原有的混凝土橋面板，使橋面結(jié)構(gòu)自重減輕，動(dòng)載等級(jí)提高，使用壽命延長(zhǎng)。 1990年日本建成全FRP結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)橋。此橋?yàn)殡p塔雙索面斜拉體系，橋柱、梁、板和扶手均采用GFRP拉擠型材，采用FRP螺栓連接，局部用CFRP布加強(qiáng)，CFRP斜拉索，混凝土基礎(chǔ)。 1992年，英格蘭建

16、成世界第一座全FRP結(jié)構(gòu)的斜拉人行橋，橋塔、梁、橋面板和扶手都采用了箱型截面的GFRP拉擠型材，斜拉索為AFRP索外裹聚乙烯保護(hù)，部分連接為金屬連接。該橋造價(jià)為20萬美元，為木、混凝土、鋼橋的一半。 1992年美國(guó)設(shè)計(jì)了一座300m長(zhǎng)的全FRP雙塔斜拉人行天橋，并對(duì)該橋進(jìn)行了三維動(dòng)力分析和風(fēng)洞試驗(yàn)，及阻尼系統(tǒng)對(duì)橋的振動(dòng)控制。1996年，瑞士建成世界第一座使用FRP斜拉索的公路橋，該橋?yàn)閱嗡ˋ)雙索面體系，24根斜拉索中有兩根為拉擠CFRP筋集束成的索，其余為高強(qiáng)鋼絞線。在索上安裝了傳感器，進(jìn)行長(zhǎng)期變形的監(jiān)測(cè)。 在FRP橋面板的基礎(chǔ)上，出現(xiàn)了一些全部為FRP結(jié)構(gòu)或FRP組合結(jié)構(gòu)的橋梁。如采用F

17、RP結(jié)構(gòu)和FRP組合結(jié)構(gòu)作為FRP橋面板的支撐梁，形成完整的FRP結(jié)構(gòu)或FRP組合結(jié)構(gòu)橋面體系。 此外，F(xiàn)RP還作為大型橋梁的封閉系統(tǒng)，將橋梁的暴露的鋼梁維護(hù)起來，以減少風(fēng)阻，降低維護(hù)費(fèi)用。FRP大跨結(jié)構(gòu)體系 日本首先將FRP應(yīng)用于空間結(jié)構(gòu)體系中，出現(xiàn)了CFRP網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。CFRP網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的桿件由CFRP片材以不同的角度層疊粘貼而成，CFRP網(wǎng)架結(jié)構(gòu)重量輕、僅為鋼材的1/5-1/4，施工強(qiáng)度小、耐腐蝕性好、維護(hù)費(fèi)用低、線脹系數(shù)小、大跨度溫度效應(yīng)小，適合應(yīng)用與超大跨度的空間結(jié)構(gòu)和環(huán)境惡劣的空間結(jié)構(gòu)，如體育館、游泳館、大型溫室及展覽館等。CFRP網(wǎng)架的的價(jià)格是鋼網(wǎng)架的二倍，而維護(hù)費(fèi)用是鋼網(wǎng)架的1/5

18、，在第八年后，CFRP網(wǎng)架的費(fèi)用就少于鋼網(wǎng)架。用CFRP制成的輕質(zhì)屋蓋，也是一種大跨度FRP結(jié)構(gòu)，可制成弧形、共性、殼形和更加復(fù)雜的形狀。如果在GFRP面板表面覆蓋CFRP，還可使結(jié)構(gòu)的耐久性與力學(xué)性能得到大大改善。 采用FRP薄板條按類似編竹席的交錯(cuò)編織方法形成編織網(wǎng)面的FRP編織結(jié)構(gòu)體系是一種新型大跨結(jié)構(gòu)體系。網(wǎng)面邊緣錨固于環(huán)梁上，并采用懸掛重物和網(wǎng)面外拉索的方法使整個(gè)FRP編織網(wǎng)張緊以獲得足夠的幾何剛度與承載力，形成超大跨度的屋面體系。 FRP在結(jié)構(gòu)中主要受拉力，是一種高效結(jié)構(gòu)體系。CFRP用于工程結(jié)構(gòu)的安全自監(jiān)測(cè) 當(dāng)CFRP受力時(shí)，在纖維方向上的電阻和橫向電阻隨著動(dòng)力荷載的大小會(huì)發(fā)生可逆變化，即壓敏特性