碳纖維復合材料力筋在混凝土橋中的應用

碳纖維復合材料力筋在混凝土橋中的應用

纖維增強塑料（frp）是一種由包裹在樹脂母親體內的連續(xù)纖維制成的材料。纖維起著加工作用，樹脂主要起到了粘合劑纖維的作用。纖維加勁塑料視其所用纖維的不同可分為碳纖維加勁塑料(CarbonFiberReinforcedPlastic,以下簡稱CFRP)、玻璃纖維加勁塑料(GFRP)及芳綸纖維加勁塑料(AFRP)等3大類。作為復合材料的杰出代表——碳纖維復合材料(CFRP)除了具有鋼材的一般性能外,還可以根據(jù)結構需要進行設計,以滿足單一材料無法達到的性能要求,為人們在選擇和設計材料等方面提供了更大的自由度及美好前景。以下是它的一些獨有的性能:(1)CFRP具有比鋼材高出10幾倍的抗拉強度,一般為1500～1900MPa,高的可達2400～3000MPa。順纖維方向其抗拉強度遠大于普通鋼筋,與高強預應力筋相近。(2)CFRP抗疲勞性能優(yōu)良,據(jù)試驗表明,當平均應力為550MPa時,200萬次循環(huán)荷載應力幅度可達900MPa,高出鋼材3倍。(3)CFRP減震性能好,其自振頻率很高,可避免早期共振,同時內阻也很大,一旦激震起來,衰減也很快。(4)CFRP具有優(yōu)良的耐化學腐蝕性,它是一種優(yōu)良的電絕緣體,用它制作的設備或構件具有良好的耐酸、堿、鹽等化學介質侵蝕的能力。(5)CFRP材料是柔軟的,樹脂是可以流動的,其產(chǎn)品的形狀幾乎不受限制,還可以任意著色,從而達到結構形式和材料美學的高度統(tǒng)一。CFRP所具有的高強、輕質等獨特的性能和優(yōu)點,使其作為結構用材在橋梁工程中的應用具有很廣闊的前景。1cfrp材料在橋梁加固中的應用復合材料應用于橋梁工程起始于上世紀70年代末和80年代初期。美國、保加利亞、以色列和中國均有應用。但CFRP材料從80年代后期才引起國際工程界的注意,開始作為鋼筋、預應力鋼材的替代品加以研究。近幾十年來,國內外的碳纖維及其復合材料工業(yè)處于高速發(fā)展階段。CFRP及其復合材料的力學性能取得突破性進展,生產(chǎn)技術和生產(chǎn)效率明顯提高,產(chǎn)品成本穩(wěn)中有降,因此,CFRP材料用于橋梁工程的研究在一些發(fā)達國家開展得十分廣泛。進入90年代末期,這些研究成果已開始大量應用于實際工程,比如工程界將其作為PC橋梁的張拉材料、建筑物的外墻材料、既有橋梁的加固材料等等。截止到1997年,國外用CFRP力筋修建的PC橋梁已有10余座,采用CFRP對病害橋梁進行修復加固的實例也不少。直到1997年我國才正式開始這一領域的研究工作,并在1999年開始了實際的工程應用,截至目前為止國內已有近10余個研究所和10余所高等院校對其技術性能進行了約20項研究,已取得了大量的科研成果。目前,碳纖維及其復合材料的生產(chǎn)能力多年來一直過剩,各大公司還繼續(xù)擴大生產(chǎn)能力,生產(chǎn)效率也比當初幾乎提高100倍,使生產(chǎn)成本進一步降低,為CFRP在結構工程中的應用創(chuàng)造了條件。2cpr在橋梁施工中的應用2.1混凝土橋的施工由于CFRP絞線和棒材具有耐腐蝕性好、強度重量比高、低松弛及耐疲勞等特性,目前大量用作橋梁的預應力筋或體外筋。日本是第一個在混凝土橋梁中采用CFRP絞線作預應力筋的國家,并修建了一系列CFRP作力筋的橋梁,不同類型的CFRP力筋性能試驗及研究以及所需錨固系統(tǒng)都已完成。并且為了探測采用CFRP力筋的混凝土構件的承載力和耐久性,做了靜載及疲勞試驗。這些結果被用作CFRP力筋預應力混凝土橋設計和施工的指導準則。準則包括:材料性能、設計原理、容許應力、試驗和材料檢驗,CFRP力筋混凝土橋的指導步驟。德國也于1991年在一座后張預應力混凝土高速跨線橋中,部分力筋采用了CFRP絞線,4束19根Φ為12.5mm的CFRP絞線組成大型預應力束,用楔形系統(tǒng)錨固在梁上;德國BASF公司還設想用CFRP拉索制造100m跨徑的橋梁;美國加州大學用纏繞方法制造出混雜復合材料的纜索,準備用其替代長灘德曼得橋上80根拉索中的4根;瑞士聯(lián)邦材料實驗室(EMPA)完成了碳纖維增強塑料(CFRP)拉索的室內靜動力試驗。CFRP在橋梁中的應用,特別是CFRP絞線和棒材用作預應力筋和體外筋的實踐,也為CFRP用作超大跨橋梁的纜索材料打下了應用基礎。2.2cfrp板加固方案的確定隨著運輸量的日益增加以及橋梁使用年限的增加,既有橋梁中相當一部分已不能滿足使用要求,需進行維修加固。由于CFRP復合材料的諸多優(yōu)良特性,且能以較大長度供應而無需搭接,能施加預應力,可與混凝土、磚石、鋼、木材等牢固粘結,故已有越來越多的專家傾向于用CFRP板以加固既有橋梁來恢復和提高既有橋梁的承載能力。相對于粘貼鋼板加固,粘貼CFRP復合材料加固橋梁具有施工方便、適應性好、耐腐蝕、幾乎不增加結構自重、不必打孔,因而對原結構不會造成新的損傷等優(yōu)點。用粘貼CFRP板加固橋的技術,1991年7月首次用于瑞士伊巴赫橋的加固。該橋為總長228m的多跨連續(xù)箱梁,腹板的幾根鋼筋不慎被割斷,被損壞的橋跨長39m,原計劃用175kg鋼板將橋梁承載能力恢復到設計值,后改為CFRP板進行了補強。補強用了2塊1.75×50×5000CFRP板和1塊2×150×5000CFRP板,總共用了CFRP板6.2kg。盡管CFRP板的價格比鋼材高9倍左右,但CFRP與鋼材的等功能花費是基本相當?shù)?且用CFRP板加固橋梁操作容易,可大幅度降低勞動成本。采用CFRP材料進行橋梁加固修復的技術在我國也得到了一定的應用。其中哈爾濱市原南直舊橋的成功加固修復就是一個典型的實例。哈爾濱市原南直舊橋經(jīng)過近10年的使用,T梁多處出現(xiàn)裂縫,因新建東直橋需重復利用13跨南直舊橋,故加固修復。根據(jù)抗震加固設計要求,對T梁結構構件進行可靠性評估和檢測。其結果表明T梁的承載力不滿足抗震要求,T梁的腹板和翼緣上普遍存在著裂縫,大部分裂縫的寬度都超過了規(guī)范的容許范圍。因此,從安全性、適用性、耐久性3個方面考慮,需要對T梁進行加固。經(jīng)過眾多方案的比較,最后確定采用在T梁腹板底部粘貼碳纖維材料進行加固。在東直橋加固舊T梁工程中,共加固20m長的T梁130榀,實際粘貼240m,僅用15d完成全部加固施工。這表明用碳纖維復合材料進行橋梁加固施工便捷,工效高,整個施工過程無需使用任何大型機具,與粘貼鋼板相比,其施工質量更易于保證。目前國內外將CFRP用于既有橋梁的加固的實例也很多,其主要有以下兩個方面的用途2.2.1cfrp板的安裝用外貼鋼板對既有混凝土梁進行外部加固,國內外已有相當多的實例,但該方法仍有很多不足之處,如鋼板剝離、生繡等耐久性的問題等。而使用CFRP板為橋梁的加固提供了一種新的方法。CFRP板形同薄布、易于粘貼,可適應任何形狀的表面且操作簡便、效果良好,大有取代鋼材之勢。CFRP板可粘在混凝土梁的頂、底板上用以提高梁的撓曲強度和剛度,也可粘貼在梁的腹板上用以提高其抗剪強度。把CFRP板進行粘貼施工與普通鋼板的粘貼類似,但比鋼板粘貼快速、簡便。施工時只需在處理好的底層和CFRP板上涂上膠粘劑,然后人工將CFRP板安放到底層上并加壓、滾壓到位即可,而無需使用頂杠或栓接。粘貼CFRP板對提高RC梁剛度是非常有效的。許多試驗結果均表明,使用CFRP板加強RC梁的強度比未使用CFRP板加強的梁提高了24%～80%。圖1為UrsMeier所做試驗結果。2.2.2提高墩柱強度和韌性既有橋梁經(jīng)長期的地震荷載或遭意外撞擊,其墩柱常會產(chǎn)生開裂甚至失效而影響橋梁的使用壽命。調查研究表明,墩柱的脆斷破壞主要是縱筋的細節(jié)設計不當、橫向箍筋的約束不足致使墩柱的強度與韌性指標偏低造成的。采用在主筋減少的斷面粘貼板狀CFRP和在環(huán)箍方向卷繞CFRP帶材,能有效地提高墩柱的強度和韌性,從而提高其抗震性。因碳纖維束易變形、可緊密地纏繞在墩柱的表面,且碳纖維強度與彈性模量又較高,它形成的約束套箍可對混凝土產(chǎn)生很強的約束作用,它比鋼板纏繞施工要簡便得多。用CFRP帶材加固墩柱,所使用的纏繞機不需要重型吊裝設備,所需的施工空間也小,在2h內即可纏繞一根6m高的墩柱,可節(jié)約大量的人力、物力,其經(jīng)濟效果顯著。3cfrp復合材料的研究展望用CFRP材料建造或修建橋梁,其優(yōu)越性是明顯的。①耐久性好,CFRP構件已有40年不需特別養(yǎng)護的成功經(jīng)驗。②質輕高強。結構恒載減小,有效承載力提高,設計中活載應力的比例由常規(guī)材料的10%～20%增加到50%～70%。使用CFRP復合材料作為斜拉橋的拉索將允許橋梁極限跨度增加到鋼索斜拉橋跨度的1.3～2.3倍以上。表1列出了鋼索、復合材料CFRP拉索斜拉橋可能達到的極限跨徑。③CFRP材料建造或補強橋梁,施工方便、維修工作量小、在現(xiàn)場粘貼復合材料CFRP比粘貼鋼板容易。用復合材料CFRP進行橋梁建設和補強加固起步較晚,可是發(fā)展較快,已經(jīng)取得了一定的成績,但由于CFRP復合材料屬結構性材料,其本身的不足或人們研究的不全面,所以致使CFRP復合材料應用于橋梁工程還存在一些有待進一步解決的問題。(1)后張法預應力混凝土結構中,CFRP制品的錨固方式。若利用CFRP的耐久性,作為無粘接力筋CFRP的疲勞問題,含CFRP混凝土結構構件的應力應變關系及其設計、試驗方法以及結構材料的耐久性問題;(2)材料的開發(fā)問題。盡管國外已有多種定型成熟的碳纖維材料產(chǎn)品,但國內的大規(guī)模開發(fā)應用不能完全依賴于進口產(chǎn)品,國產(chǎn)化是實現(xiàn)的一個根本條件。國產(chǎn)的PAN基碳纖維強度指標一般在2000～2500MPa之間、彈性模量在2.1×105MPa左右,是有一定保證的,但在預浸料生產(chǎn)及加工成品質量方面仍有較大欠缺,均勻性也較差。同時,上述單一的性能指標也不可能滿足對碳纖維材料多樣化的要求。因此,國內有關材料與建筑的研究、生產(chǎn)與使用單位如何更好協(xié)調研究并生產(chǎn)出適合國內市場的碳纖維材料是一個關鍵問題,也將有很長的路要走;(3)用粘貼CFRP復合材料板加固補強既有結構,其粘貼施工工藝、被加固梁的長期性能,包括CFRP復合材料板和粘貼劑固化后的老化性能、耐久性能,膠粘劑徐變收縮對梁體性能的影響以及梁體的可靠性及疲勞可靠性,都是有待進一步研究的問題?？傊?CFRP材料并非萬能材料,它雖存在剪切強度、層間強度低等缺點,但這些缺點不能成為我們研究應用CFRP復合材料的障礙,有的可以通過材料設計加以改進和克服,有的則可采取結構或構造措施使之改善,這也正是這種復合材料及結構設計的特點。因此,無論從性能上考慮,還是從降低造價出發(fā),在設計CFRP復合材料橋梁時,不要只考慮使用這一種復合材料來滿足所有的使用要求,而應將其