纤维增强材料在工程结构中的应用

1、 纤维增强材料在工程结构中的应用 概述 纤维增强复合材料是由高性能纤维与基体复合而成的高性能新型材料。 .桌面纤维加固RIMG0070.JPG 根据复合材料中的增强材料的形状，分为：颗粒、层状、纤维。 常见的纤维种类有：玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、陶瓷纤维、金属纤维等。 土木工程中常用的有主要是树脂基体的碳 纤维CFRP）、玻璃纤维（GFRP）及芳纶纤维 （AFRP）。1942年，美国军方用GFRP制成雷达天线罩。60年代末，FRP用于民用领域68年，英国用GFRP墙板做围护结构以抵抗海水的氯盐腐蚀。开始用于建筑结构。70年英国用于建筑跨径为10米的连续梁人行天桥。58年我国试验用GF

2、RP筋代替钢筋的研究。58年我国试验用GFRP筋代替钢筋的研究。72年云南建造了一座直径为44m的GFRP球形雷达天线罩。82年北京密云建成跨径为20.7mGFRP简支蜂窝箱梁公路桥。并进行了现场荷载试验。为世界第一座GFRP公路桥。 FRP材料的特点：轻质高强、耐腐蚀、施工性能好。 本章介绍FRP材料在土木与建筑结构工程领域的应用与研究情况，探讨FRP今后可能的发展趋势.FRP材料1.纤维FRP材料的形式以片材与索状材为主，纤维是其主要受力成分。 与钢材及混凝土相比，其比强度（强度/比重）为钢材的20-50倍，CFRP的比模量（弹性模量/比重）为钢材的5-10倍。轻质高强性能十分突出。尤以碳

3、纤维突出。土木工程结构中常用纤维的主要力学性能与钢材对比纤维种类 比重 拉伸强度 弹性模量 热胀系数 延伸率 比强度 比模量 /GPa /GPa 10-6 0 C /% /GPa /GPa钢 HRB400 7.8 0.42 200 12 18 0.05 26材高强钢绞线7.8 1.86 200 12 3.5 0.24 26 玻（高强） 2.49 4.6 84 2.9 5.7 1.97 34璃 (低导） 2.55 3.5 74 5 4.8 1.37 29纤（高模） 2.89 3.5 110 5.7 3.2 1.21 38维（抗碱） 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纤（高强） 1.81 5.6 300 -0.56 1.7 3.09 166维（高模） 1.88 4.0 485 -0.6 0.8 2.13 213 2.FRP产品形式 FRP产品形式有片材（布和板）、棒材、网格材及格栅拉挤型材、缠绕型材和模压型材等. 其中纤维布应用最广泛.通常由单向连续长纤维编织而成。 主要用于结构工程的加固，施工时用树脂胶浸润粘贴于结构表面。只能承受单项拉伸。 .桌面纤维加固RIMG0068.JPG 近年来，FRP材料（主要是片材）加固补强混凝土结构的技术在工程中得到很好应用。 在航空航天、船舶、汽车化工和机械

5、领域广泛得到应用.桌面纤维加固RIMG0068.JPGFRP板也是用树脂胶粘贴于结构表面加固结构的。其可以承受纤维方向的拉和压。 两者在垂直纤维方向上的强度与弹性模量均较低。.桌面纤维加固RIMG0068.JPG. .桌面纤维加固RIMG006.桌面纤维加固RIMG0069.JPG8.JPG桌面.桌面纤维加固RIMG0068.JPG纤维加固RIMG0068.JPGFRP筋与棒材可在混凝土中代替钢筋或作预应力筋；FRP索可用于大跨悬索结构或张拉结构中；FRP网格可直接代替钢筋网片；FRP隔栅主要用于楼面结构中或制作FRP受力板材；FRP拉挤型材可直接作为结构构件，也可与其他材料结合使用；.桌面纤

6、维加固RIMG0101.JPG FRP缠绕管内充填混凝土可作为柱、桩、梁等，其性能大大优于钢筋混凝土及钢管混凝土，且具有防腐能力。 区别于以上几种FRP材料，FRP模压型材在平面内表现为各项同性。 3.FRP材料的特点优点：1.比强度高 减轻结构自重，是获得超大跨度结构的重要途径；可减小地震对结构的作用；并可提高结构的耐疲劳性。2.具有良好的耐腐蚀性 可在酸、碱、氯盐和潮湿环境下长期使用。3.具有很好的可设计性 FRP产品强度指标、弹性模量及特殊性能范围宽泛，可选择性强，便于设计者选用。4.弹性性能好 应力与应变曲线接近直线。在发生较大变形后还能恢复原状，塑性变性较小。5.可工厂化生产。 此外

7、，还有绝缘、可透电磁波、隔热、热胀系数小等。可用于核磁共振、地磁观测站等结构。 缺点：1.FRP材料为各项异性 沿纤维方向的强度及弹性模量与垂直于纤维方向的强度及弹性模量之比为525倍。沿纤维方向的抗拉强度比抗压强度高30%.2.弹性模量约为钢材的1/20-1/2.3.剪切强度、层间拉伸强度和层间剪切强度仅为其抗拉强度的3%-20%。不利于FRP构件的连接。4.防火性能差 其软化温度约为700C，此时，力学性能大大降低。可在FRP材料中加入阻燃剂提高抗火性能。5.与钢筋混凝土结构相比，FRP结构的价格较贵，但考虑其耐腐蚀性及自重轻，其综合经济效益是值得重视的。工程结构加固补强1991年瑞士联邦

8、实验室用FRP板代替钢板，采用树脂粘接加固Ebach桥为世界第一项用FRP材料加固的工程结构。美国洛杉矶地震和日本阪神地震后，FRP加固技术用于被损坏工程结构修复和加固得到很好验证。我国于1998年完成第一项FRP加固工程，2000年我国首部碳纤维片材加固设计与施工技术规程颁布。几种FRP加固的形式及存在问题（1）FRP布缠绕加固混凝土柱坏形式。 约束混凝土柱提高混凝土强度、变形能力及抗剪能力。 用于矩形截面，可提高受压承载力25%左右，而变形能力及抗剪能力可较大提高。 而用于弧形截面则可较大提高受压承载力。 并可大大改善其延性。 对于柱的受弯加固因FRP的锚固问题难以解决，很难得到应用。 而

9、此时梁和板的挠度变形已很大；另外，受弯加固提高程度与原配筋梁有很大关系。 FRP的强度一般不能得到充分利用，一般只能FRP材料的20-40%。且易产生剥离破坏，尤其对U形加固和侧面粘贴，剥离破坏是主要破坏形式。应注意采取抗剥离措施；需要研究的问题： 界面粘接性能和剥离、疲劳性能、二次受力、耐久性以及环境影响和防火问题。 对于复杂结构，如隧道、涵洞、烟囱、壳体结构等的加固，粘贴FRP片材有很大优势。 采用FRP网格材加固、FRP筋表面嵌入式加固技术、FRP索进行体外预应力加固在国外有较多研究。 FRP也可用于砌体结构、木结构、和钢结构的加固。试验研究表明，在钢结构疲劳裂缝部位粘贴FRP布，可显著

10、提高其抗疲劳强度。 区别于钢材和混凝土材料的材性，FRP材料直到破坏基本表现为线弹性。 FRP筋的纤维含量在60-65%，重量为普通钢筋的1/5，强度为普通钢筋的6倍，且具有抗腐蚀、耐疲劳、非磁性等优点。 FRP筋和预应力FRP筋混凝土结构 用FRP筋代替钢筋，主要是利用其良好的耐腐蚀性，可避免钢筋锈蚀带来的结构损害，减少结构维护费用。还可用于要求无铁磁性特殊工程。 在桥梁工程中，FRP筋可作为悬索桥的吊索或斜拉桥的吊索，预应力混凝土桥中的预应力筋。 20世纪60年代初，美国最先利用GFRP筋替代钢筋。 80年代，康奈尔大学进行了小比例预应力FRP筋束混凝土梁试验，联邦公路管理局预应力大梁试验

11、等。 93年，加拿大在公路桥中使用CFRP棒材作为预应力筋，经动载与静载试验，效果非常理想。FRP筋的分类： 表面进行砂化处理的GFRP筋; 表面进行压痕与滚花处理的FRP筋； 利用FRP材料的柔韧性，把纤维交错编织的FRP筋； 与钢绞线相似并在7股之间用环氧树脂粘接的CFRP预应力筋。 我国已研制出FRP筋产品，及预应力FRP筋索锚夹具。 在FRP筋混凝土方面，主要针对FRP筋与混凝土间的粘结性能、裂缝宽度和抗弯承载力进行了试验研究。在预应力FRP筋混凝土方面，进行了有粘结、无粘结及体外预应力FRP筋混凝土梁的受弯性能试验研究，提出了张拉预应力限值和FRP预应力损失的计算方法，以及受弯承载力

12、的计算公式。 由于FRP筋与FRP索材具有弹脆性特点，FRP筋与预应力FRP筋混凝土梁的受力性能与普通混凝土梁有很大差别，无钢筋屈服后的延性阶段，需重点研究。 在岩土工程中用于加筋土中，如GFRP筋用于挡土墙、地基锚杆及喷射混凝土等工程。存在问题FRP筋直到拉断均表现为线弹性，无普通钢筋的屈服平台，构件破坏有一定脆性，因此，不能当成普通钢筋进行计算；使用FRP筋的构件抗侧力较差；FRP进无法现场加工成型。FRP结构及组合结构 由不同种类及形式的FRP制品组合在一起可制成全FRP结构，如由FRP杆件组成的框架结构等。 FRP与钢材组合，可发挥钢材的高弹性模量和FRP的耐腐蚀、耐疲劳性能好的优势。

13、主要形式有直接将钢筋和钢丝嵌入型材中组合成型；在钢结构外部采用FRP型材封闭，起到防腐并与钢结构共同受力的作用；用钢骨架与FRP织物做蒙皮的结构。其中采用FRP型材作为外壳内填混凝土形成的FRP-混凝土组合构件应用最多。 FRP管即可起到对混凝土的约束作用，还可充当模板，提高施工速度且具有良好的耐久性。广泛用于桩、柱及梁构件。 对受弯FRP组合构件，如梁、板等，其上部混凝土受压而下部FRP受拉，关键是保证FRP与混凝土协同工作的剪力连接件性能。 美国人采用树脂胶粘贴方法和采用FRP拉挤型材为混凝土模板，通过拉挤型材的T形肋做剪切构件。日本人采用FRP工形截面型材与混凝土面层结合，利用销钉作剪力

14、连接件.桌面纤维加固RIMG0093.JPG 我国学者采用3mm厚的GFRP方形空心管为混凝土外模，制作的混凝土梁承载能力及抗变形能力大大提高。 研究了基本受力性能（包括压、弯、剪、抗震及其组合）、施工过程中FRP管的受力性能、长期工作状态下FRP管混凝土的受力性能及FRP管中纤维种类和缠绕角度等的影响。也有在FRP管中心放置泡沫塑料或钢管浇筑混凝土后形成环形截面，减小结构自重，提高构件抗弯能力。FRP在桥梁中的应用 FRP材料具有较高的比强度和比模量，是超大跨度桥梁的结构材料。 1986年我国重庆建成第一座斜拉FRP箱型梁人行天桥，为单塔单索面非对称斜拉体系。全长为50m，主跨梁长27.4m

15、，宽4.4m，设计荷载3.5kN/m2，自重8.9t，为钢桥的30%，混凝土桥的13%，GFRP蜂窝夹芯板组合箱梁，斜缆为高强钢丝束，其他为混凝土结构。 1982年，我国在北京密云建成世界第一座跨径为20.7m的用GFRP做前桥面上部结构的简支蜂窝箱梁公路桥，可承受较大反复动荷载。 此后FRP桥板结构还被应用在老化桥梁的修理替换原有的混凝土桥面板，使桥面结构自重减轻，动载等级提高，使用寿命延长。 1990年日本建成全FRP结构的试验桥。此桥为双塔双索面斜拉体系，桥柱、梁、板和扶手均采用GFRP拉挤型材，采用FRP螺栓连接，局部用CFRP布加强，CFRP斜拉索，混凝土基础。 1992年，英格兰建

16、成世界第一座全FRP结构的斜拉人行桥，桥塔、梁、桥面板和扶手都采用了箱型截面的GFRP拉挤型材，斜拉索为AFRP索外裹聚乙烯保护，部分连接为金属连接。该桥造价为20万美元，为木、混凝土、钢桥的一半。 1992年美国设计了一座300m长的全FRP双塔斜拉人行天桥，并对该桥进行了三维动力分析和风洞试验，及阻尼系统对桥的振动控制。1996年，瑞士建成世界第一座使用FRP斜拉索的公路桥，该桥为单塔（A)双索面体系，24根斜拉索中有两根为拉挤CFRP筋集束成的索，其余为高强钢绞线。在索上安装了传感器，进行长期变形的监测。 在FRP桥面板的基础上，出现了一些全部为FRP结构或FRP组合结构的桥梁。如采用F

17、RP结构和FRP组合结构作为FRP桥面板的支撑梁，形成完整的FRP结构或FRP组合结构桥面体系。 此外，FRP还作为大型桥梁的封闭系统，将桥梁的暴露的钢梁维护起来，以减少风阻，降低维护费用。FRP大跨结构体系 日本首先将FRP应用于空间结构体系中，出现了CFRP网架结构。CFRP网架结构的杆件由CFRP片材以不同的角度层叠粘贴而成，CFRP网架结构重量轻、仅为钢材的1/5-1/4，施工强度小、耐腐蚀性好、维护费用低、线胀系数小、大跨度温度效应小，适合应用与超大跨度的空间结构和环境恶劣的空间结构，如体育馆、游泳馆、大型温室及展览馆等。CFRP网架的的价格是钢网架的二倍，而维护费用是钢网架的1/5

18、，在第八年后，CFRP网架的费用就少于钢网架。用CFRP制成的轻质屋盖，也是一种大跨度FRP结构，可制成弧形、共性、壳形和更加复杂的形状。如果在GFRP面板表面覆盖CFRP，还可使结构的耐久性与力学性能得到大大改善。 采用FRP薄板条按类似编竹席的交错编织方法形成编织网面的FRP编织结构体系是一种新型大跨结构体系。网面边缘锚固于环梁上，并采用悬挂重物和网面外拉索的方法使整个FRP编织网张紧以获得足够的几何刚度与承载力，形成超大跨度的屋面体系。 FRP在结构中主要受拉力，是一种高效结构体系。CFRP用于工程结构的安全自监测 当CFRP受力时，在纤维方向上的电阻和横向电阻随着动力荷载的大小会发生可逆变化，即压敏特性