FRP组合结构在结构工程中的应用与发展

FRP组合结构在结构工程中的应用与发展摘要:FRP混凝土组合结构可以充分发挥FRP的抗拉强度和混凝土的抗压强度，同时降低成本，是一种理想的FRP组合结构形式，本文总结了国内外关于FRP-混凝土组合结构的最新研究成果，简要介绍了FRP-混凝土组合结构的截面形式，对未来FRP-混凝土组合结构的研究发展方向做出了展望。关键词：FRP；混凝土；组合结构Abstract:FRPconcretecompositestructurescangivefullplaytotheFRPtensilestrengthandcompressivestrengthoftheconcrete,andtoreducecostsatthesametime,itisanidealcombinationofFRPstructure,thispapersummarizesthelatestresearchresultsathomeandabroadontheFRP-concretecompositestructures，FRP-concretecompositestructuressectionformsabriefintroduction,FRP-concretecompositestructuresforthefuturedevelopmentdirectionmade.Keywords:FRP;concrete;compositestructure中图分类号：TU2文献标识码：A前言纤维增强复合材料（FRP）从上世纪40年代问世以来，在航空、航天、船舶、汽车、化工、医学和机械等工业领域得到了广泛的应用。近年来，FRP又以其高强、轻质、耐腐蚀等优点，成为土木工程的一种新型结构材料。除了应用FRP片材加固修补结构工程外，FRP结构和FRP组合结构的应用也日益受到工程界的重视。为了使FRP合理有效地用于新建结构，应尽量降低其自身缺点的影响，因此，当FRP用于新建结构时应遵循三个主要原则：1）从结构的全寿命来考虑，造价合理；2）尽可能用于抵抗拉力；3）FRP的耐火性能对设计不起决定作用。桥梁结构或其它户外结构自然满足原则，而前两个原则意味着FRP应与其它材料联合使用以形成组合结构。基于上述讨论，可见组合结构领域应该是FRP在新建结构中应用的重点发展方向，且FRP应尽量与钢材或混凝土这两种传统的结构材料组合，这样才能降低结构的造价。FRP-混凝土组合结构FRP-混凝土组合梁、板是一种合理的FRP与混凝土组合的结构形式，其设计概念与钢-混凝土组合梁、板相同：上部为混凝土主要受压，下部为FRP构件主要受拉，它们之间通过剪力连接件使两者协同工作，使FRP得到充分利用，并获得较大的刚度；同时，FRP构件可兼为模板，便于施工。FRP组合梁、板的研究在各国都有开展，FRP型材的形式和种类多样，剪力传递的方式也多样，包括：接触摩擦、粘结、螺栓、特制剪力件等。但这种结构形式目前在实际工程中的应用却不多。北京密云的FRP桥经过改造后成为FRP-混凝土组合箱梁桥，该工程的实践表明，组合构件比单纯的FRP构件的刚度大，同时可避免一些局部破坏的发生。图1FRP斜拉桥FRP管混凝土结构缠绕成型的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-混凝土组合结构构件，且FRP管可以充当模板，节省模板消耗，提高施工速度，并具有很好的耐久性。由于它的优势非常明显，在结构工程中已得到广泛的应用。FRP管混凝土结构由于FRP管的约束作用，使内部混凝土的强度得到了很大提高，延性也有所改善，同时FRP管能够有效保护混凝土防止其受腐蚀，而且由于混凝土的支撑作用也可防止外FRP管发生局部屈曲。截面形式，见图2。还有一些学者对FRP管混凝土构件进行了改进。提出了以下几种FRP管混凝土结构：（2）FRP约束钢筋混凝土柱FRP约束钢筋混凝土柱是在FRP管内设置带有箍筋的钢筋笼，再在FRP管内浇注混凝土而形成的一种新型组合构件。内填混凝土由于受到FRP管和箍筋的双重约束作用使其强度进一步得到提高，同时，由于混凝土的支撑作用也可防止外FRP管发生局部屈曲。（3）FRP约束钢骨混凝土柱FRP约束钢骨混凝土柱是在FRP管内设置型钢，再在FRP管内浇注混凝土而形成的一种新型组合构件。FRP管能够有效保护内部混凝土和型钢，防止混凝土腐蚀和型钢锈蚀，同时由于FRP的约束作用可以增加混凝土的抗压承载力和延性，而且，由于混凝土的支撑作用可以防止FRP管发生局部屈曲，内部型钢可以增加组合构件的抗剪能力和抗震延性。（4）FRP约束劲性钢筋混凝土柱FRP约束劲性钢筋混凝土柱是在FRP管内设置带有箍筋的钢筋笼，在钢筋笼内设置型钢，再在FRP管内浇注混凝土而形成的一种新型组合构件。(a)(b)（c）(d)图2FRP约束实心混凝土柱截面图FRP管混凝土组合结构的研究现状随着FRP约束混凝土在实际工程中的应用日益增多，有关其力学性能的研究也不断取得了新的突破，其中研究的热点包括FRP约束混凝土的应力-应变关系模型、构件的静力性能以及抗震性能等方面的研究。但由于在不同受力状态下，FRP约束混凝土本身的力学性能比较复杂，目前国内外的研究成果主要仍以试验研究为主。FRP布约束混凝土柱的轴压试验早期是针对圆形截面柱的，近几年对这方面的研究仍然在继续。1997年，Watanable等进行了9根直径为100mm、高为200mm的混凝土强度为30.2MPa的FRP约束混凝土轴压试验，其使用的FRP有两种，即CFRP和AFRP。1998年，AmirMirmiran对24根FRP管约束混凝土圆柱进行了试验研究，柱的长细比范围为25。试验结果表明：长细比在25之间，构件的强度和延性降低并不明显。2000年，Xiao和Wu进行了25根直径为150mm、高为300mm的FRP约束混凝土轴压试验，共采用了3种混凝土强度等级，分别为33.7MPa、43.8MPa和55.2MPa，其使用的FRP类型为CFRP。2009年，秦国鹏，王连广等对4根GFRP管混凝土组合柱进行了轴压试验，以GFRP管壁厚度、混凝土强度等因素为主要参数对构件轴压性能的影响进行了比较，最后通过对数值计算结果的回归分析，得出了实用的组合柱轴心受压承载力计算公式。2009年，Issa等对30根CFRP布约束圆形截面混凝土短柱进行了轴压试验。试验结果表明：CFRP布越宽，柱的强度越大。2010年，陈百玲，秦国鹏，王连广对5根GFRP管钢骨混凝土组合柱进行了轴压试验，通过编制程序，以配骨率、GFRP管壁厚度、混凝土强度为主要参数，得到了其轴向荷载与应变关系曲线，并且给出了组合柱轴心受压承载力计算公式。FRP组合梁、板FRP组合梁和FRP组合板是受弯的FRP组合结构，通过组合作用使上部的混凝土受压，下部FRP材料受拉。关于FRP组合梁和FRP组合板的研究在各国都有开展。美国saiidi等人采用树脂粘贴的方法将混凝土板与CFRP构件组合在一起，并且研究了它们的受力。结语FRP材料在结构工程中有着非常广阔的应用前景，但仍有大量关于FRP结构和FRP组合结构基本理论和设计方法的科研工作亟待进行，FRP-混凝土组合结构充分发挥了FRP与混凝土的力学特性，截面形式多样，能够较好地承受荷载，具有良好的抗弯、抗疲劳性能，是取代传统钢筋混凝土结构的较佳选择。参考文献：1.冯鹏，叶列平.FRP结构和FRP组合结构在结构工程中的应用与发