FRP复合材料在国外土木工程中的应用-

1、848周长东,1971年2月生,山东聊城人,大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,博士研究生,116023,辽宁大连收稿日期:2002-06-10!教育部高等学校博士学科点专项科研基金资助(20010141017FRP 复合材料在国外土木工程中的应用周长东黄承逵摘要:纤维聚合物(简称FRP 复合材料因其强度重量比及刚度重量比高、热膨胀系数低、各向异性、轻质、耐腐、无磁、有良好的抗疲劳性能及高耐久性等特点,可广泛应用于桥梁、纤维混凝土、补强加固材料、连续纤维筋、岩土工程和建筑工程中。关键词:纤维聚合物;复合材料;补强加固;纤维混凝土中图分类号:TU599文献标识码:B文章编号:1000-47

2、26(200211-0848-02FRP COMPOUND MATERIAL USED IN FOREIGN CIVILENGINEERINGZHOU ChangdongHUANG Chengkui Abstract :As FRP compound materiaI has a series of advantagessuch as higher strength /weight ratio ,higher rigidity /weight ratio ,Iower ex-pansion ratio ,anisotropy ,Iightness ,erosion resistance ,no

3、 magnetism ,better fatigue resistance and durabiIity ,it can be wideIy used in bridge con-struction ,fiber concrete ,strengthening materiaI ,continuous fiber reinforce-ment ,geo -technicaI and buiIding engineering.Key words :FRP ;compound materiaI ;strengthening ;fiber concrete 表1基于材料性质的FRP 增强物分类胶液类

4、型纤维类型有机材类无机材料有机材类无机材类特殊水泥碳(PAN 基,沥青基,玻璃(耐碱型芳纶,聚乙烯醇,聚酯树脂,其他环氧树脂,乙烯基酯,不饱和聚酯树脂,其他建筑技术Architecture TechnoIogy第33卷(2002年第11期表2替代钢筋的FRP 筋的特性保证受拉强度/(N /mm 27801800130018305901130530弹性模量/(kN /mm 2732104278304937直径/mm轴向纤维体积/%43664369406840筋种碳FRP 芳纶FRP 玻璃FRP (玻璃+碳FRP纤维类型高强碳高模量碳高强芳纶高模量芳纶玻璃聚酯树脂表3FRP 板的性质板单位重量/(

5、g /m 2200400200300235525280623300528弹性模量/(kN /mm 2230370640801207340纤维聚合物(Fiber Reinforced PoIy-mer ,以下简称FRP 复合材料在国外已广泛应用于土木建筑工程中,出现了许多新的结构形式和应用方法,它在国内土木工程中的应用尝试始于上个世纪末,目前仅局限于纤维混凝土和结构的补强加固中。本文介绍其在国外土木工程中的各种应用形式和方法。1FRP 复合材料的性能FRP 复合材料包括强度和刚度增强纤维,例如碳、玻璃或芳纶及增强弹性和韧性的聚合物基质,例如环氧树脂等。所有的FRP 都有高的强度重量比及刚度重量比

6、率,在拉断前均为弹性,热膨胀系数低(玻璃纤维和混凝土相同,各向异性,具有轻质、耐腐、无磁、良好的抗疲劳性能及高耐久性,使其极有可能成为未来的结构材料。FRP 复合材料的应用形式主要有纤维布(单向和双向、片材(以胶粘剂浸渍而成、连续纤维筋、纤维壳、各种形状的型材、短切纤维及组合结构体系等。表1、2、3分别是FRP 增强物分类、FRP 筋的特性及FRP 板的性质。2应用领域FRP 复合材料在土木工程领域的应用快速增长,可用于包括柱、墙、梁、板及面板的抗震及补强加固,新的增强构件、结构形式及结构体系也正在研究、开发和应用。2.1桥梁结构FRP 复合材料在桥梁工程中应用广泛,可用作悬索桥及斜拉桥的缆索

7、、预应力混凝土桥中的预应力筋,甚至可以用于整个桥梁体系。内填混凝土的纤维壳体系的结构构件,薄壳由纤维/环氧树脂预制而成,混凝土于现场浇筑以承受压力,使薄壳构件保持稳定,混凝土对相连构件可起锚固作用,壳对混凝土芯起增强和模板作用,其长向纤维抗弯,横向纤维抗剪且对其内的混凝土起约束作用,分层敷设的纤维/环氧树脂复合材料可以控制其强度和刚度。为传递壳与混凝土间的剪力,纤维壳内设有横向加劲肋。这种纤维壳体系对梁柱都适用,以此为基础,还研制开发了纤维壳梁板桥体系和组合管体系,显著减轻了结构自重,大大提高了其抗震能力。美国研制开发了H 形桥面体系;丹麦采用GFRP 型材做桥塔和梁,结构2002年第8期84

8、9施工过程特点应用快捷,材质良好,依赖于胶体质量,温度对胶体有影响施工较慢且需许多设备,受环境影响较大,纤维有起伏和收缩,密实度不均匀胶粘法湿敷法工艺方法树脂注入法质地均匀,织物密实,附加变形小,施工更慢且需更多设备,受环境影响较大,有干斑加固织物放置在加固区后整个区域以真空袋覆盖,树脂在真空条件下注入,外层织物须经预处理以使表面性能良好先预制复合材料构件,再以胶粘压贴在混凝土表面先在混凝土表面涂树脂一道,再缠裹树脂浸渍过的纤维织物,复合材料和粘结同时完成表4外粘复合材料补强加固方法 图3高性能胶合构件FRP 复合材料在国外土木工程中的应用图2筋、索锚固体系图l 拉挤法生产工艺示意连接采用螺栓

9、,且嵌入到桥的混凝土基础中。FRP 索及用于桥梁结构的梁和桥塔标准型材均由拉挤法工艺生产(图l 。这是一个连续的生产过程,纤维拉过一个固定的模具,模具中注入聚合物树脂基质,基质通过添加催化剂及加热进行处理,用普通手工工具切成需要的长度和形状。2.2纤维混凝土FRP 复合材料短切纤维例如碳纤维、芳纶纤维、聚丙烯纤维、玻璃纤维等已用于混凝土中,可提高混凝土的抗拉强度,增强抗裂能力和耐久性。耐碱玻璃纤维的发明克服了早期玻璃纤维在混凝土碱性环境下后期强度急剧下降的缺点,且成本较低,在我国现阶段具有更大的推广应用价值。2.3补强加固材料传统加固方法施工费时,对腐蚀敏感而容易老化。FRP 复合材料强度高、

10、构件薄而轻,可在对原结构几乎没有影响的情况下大大提高被加固构件的抗弯、剪、扭、拉承载力和抗震性能,增强构件的延性和刚度,改善构件的受力性能。纤维质轻性柔,可手工缠绕在混凝土表面而无须使用机具,也不需要焊接,噪声及灰尘极小。施工方便省时,因自重轻,对结构构件刚度平衡几乎没有影响。用纤维围裹混凝土构件还可抑制混凝土碳化,提高结构的耐久性。表4是几种外粘复合材料的补强加固方法。2.4连续纤维筋国外常用的FRP 复合材料筋的形式有:(l 表面进行砂化处理的FRP 筋;(2与钢绞线相似,且在几股纤维间用环氧粘结的FRP 预应力筋;(3为提高粘结性能,表面进行刻痕或滚花处理的FRP 筋;(4利用FRP 材

11、料的柔韧性,先把纤维布置成各种形状,且把截面制成矩形的FRP 筋等。它们都有徐变小、强度高、耐腐蚀性及耐久性好的特性,可承受较大的永久荷载。在大部分工程中使用的都是刚度较大的碳、芳纶、玻璃及聚酯纤维,并已广泛用于结构及桥梁结构中以代替钢筋和预应力钢筋。对缆索和连续纤维筋施加预应力的锚固系统已经研制成功(图2,包括外部圆锥形的鞘和内部精细成型的长销。当索及销进入鞘时,对其施加径向应力使索产生摩擦力。对鞘外形的精心设计使这种体系可把径向力均匀地传向缆索,使其强度得到充分利用。该体系促进了预应力FRP 筋和FRP 缆索的推广应用。2.5岩土工程FRP 纤维复合材料在长期恶劣的地质条件下具有良好的耐腐

12、蚀性能,已广泛用于加筋土中;FRP 复合材料易被掘进机具切断,故可用于盾构法掘进竖井的混凝土墙、土钉及临时支护用的复合材料地锚(如用钢锚则会导致挖掘机机头的断裂。因GFRP 复合材料价格低廉,安装方便,耐久性强,已用于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。2.6建筑工程现在结构设计正转向基于性能的设计,对结构及材料性能的要求也提高了。FRP 材料已用于新建结构的框架以提高其结构性能。瑞士一座五层的高性能建筑由分离的玻璃纤维加强聚酯标准构件装配而成(图3,构件之间由双组分环氧树脂胶粘合,为了减少连接构件的数量,框架做成多层拼接,类似于传统的木结构。楼板梁由粘合的箱形构件制成,柱为

13、槽形截面,位于楼板梁的两侧,贯穿整个建筑全高。为防止层间柱子屈曲,使用I 形构件插入并粘合在槽形构件之间。参考文献l Hiroshi Fukuyama.Fiber -Reinforced PoIymersin Japan.StructuraI Engineering InternationaI ,VoIume 9,Number 42Number 44Marie -Anne Erki.Fiber -Reinforced PoIymerforStructuraIEngineeringinCana-da.StructuraI Engineering InternationaI ,VoI-ume 9,

14、Number 45Thomas KeIIer.Towards StructuraI Forms for Composite Fibre MateriaIs.StructuraI Engi-neering InternationaI ,VoIume 9,Number 4 FRP复合材料在国外土木工程中的应用作者:周长东, 黄承逵作者单位:大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室刊名: 建筑技术英文刊名:ARCHITECTURE TECHNOLOGY年,卷(期:2002,33(11被引用次数:17次参考文献(5条1.Thomas Keller Towards Structural Forms for Composite Fibre Materials2.Marie- Anne Erki Fiber- Reinforced Polymer for Structural Engineering in Canada3.Vistasp M;Karbhari Fiber- Reinforced Polymer Composites for Civil Infrastructure in the USA4.Chris J;Burgoyne Advanced Composites in Civil Engineering in Europe5.Hiroshi Fukuyama Fib