frp筋在土木工程中的应用

frp筋在土木工程中的应用

1混凝土结构用frp筋现在，钢筋混凝土结构的破坏是目前土木工程中普遍存在的问题之一。根据美国的统计，在所有钢筋混凝土结构的破坏中，钢筋锈蚀破坏可占到55%。美国材料咨询委员会(NMAB)1987年的年度报告中指出,有253000座混凝土桥存在不同程度的由于钢筋锈蚀造成的损伤。1991年用于修复由于钢筋耐久性不足而损坏的桥梁,耗资910亿美元。英国为解决海洋环境下钢筋混凝土构筑物的腐蚀与防护问题,每年就花费将近20万英镑。我国混凝土结构的耐久性问题也十分突出,据统计我国既有的公路桥梁中危桥约占35.4%。因此，如何提高钢筋混凝土结构的耐久性，是土木工程界急需解决的问题。FRP(FiberReinforcedPolymer)筋具有高强、轻质、耐腐蚀、抗疲劳、抗磁性、电绝缘性、徐变小、比重小、低弹性模量等性质，可以用来代替混凝土结构中的普通钢筋，从根本上解决由钢筋锈蚀引起的工程失效问题。在混凝土结构中使用FRP筋，已经成为一个重要的研究领域和新兴产业。FRP筋由高性能纤维和基体材料组成，纤维为增强材料，起加劲作用，基材起粘结、传递剪力的作用。纤维的种类主要有玻璃纤维（GlassFiber）、碳纤维（CarbonFiber）、芳纶纤维(AramidFiber)和混杂纤维(HybridFiber)，基材主要有聚酯、环氧树脂、乙烯基酯、聚酯树脂、聚酰胺树脂等。根据连续纤维种类的不同，现在常用的FRP筋主要有玻璃纤维增强塑料筋（GFRP筋）、碳纤维增强塑料筋（CFRP筋）、芳纶纤维增强塑料筋（AFRP筋）和混杂纤维增强塑料筋（HFRP筋）。2试验结构的力学性能FRP筋的密度小，仅为钢材的1/7～1/5，在同等直径下其质量大大低于钢筋；又因为FRP筋的强度很高，所以FRP筋具有较高的强度对重量比及刚度对重量比，约为钢筋的10～15倍。因此，施工时不仅可减小施工荷载，减轻布筋的劳动强度，节约劳动费用；而且在用于混凝土结构时可大大减轻结构自重，在用于大跨度斜拉桥和悬索桥时可使桥梁结构的极限跨径有很大的提高，还可以减小地震作用的影响。由于纤维种类、含量和树脂种类等不同，FRP筋的纵、横向热膨胀系数也不同；纵向热膨胀系数受纤维控制，横向热膨胀系数受树脂控制。一般纵向热膨胀系数比横向热膨胀系数小，这种差别的大小取决于连续纤维和树脂的类型以及纤维的体积率。但是FRP筋的热膨胀系数与混凝土相近，FRP筋的热膨胀系数为（6～10）×10-6/℃，混凝土的热膨胀系数为（7.2～10）×10-6/℃。当环境温度发生变化时，不会产生大的温度应力而破坏FRP筋与混凝土的粘结，从而保证FRP筋和混凝土之间能够协同工作。FRP筋中纤维种类和成分的不同，其力学性能差别很大，因而制得的FRP筋也因纤维材料的不同而表现出很大的性能差异。钢筋和FRP筋的力学性能见表1。由表1可知，FRP筋是一种脆性材料，其拉伸应力—应变呈线性关系，在达到极限抗拉强度之前不发生塑性变形，材料本身服从虎克定律。图1是几种FRP筋的应力—应变关系曲线。3fr筋在土木工程中的应用3.1国外桥桥结构加固技术美国的DELDOT1-351桥。它是由美国州政府拥有的第一座全复合材料桥。DELDOT1-351桥由两块长975m、宽7.9m、厚0.76m的复合材料桥面板组成,每块重6350kg,质量只是水泥桥面的1/10。桥梁是根据美国国家高速公路和运输者协会(AASHTO)的技术条件设计的,并在美国德勒华大学经过全面测试。这座复合材料桥梁的建成为今后在桥梁设计和维修,以及在结构上采用复合材料奠定了基础。加拿大的Joffre桥。Joffre桥是世界上第一座在CFRP格栅筋加固中引入嵌入式传感器的桥梁。此桥由一个5跨的上部结构组成，该上部结构支承在间隔317m的钢梁上。桥面板使用了CFRPNEFMAC格栅筋进行加固,一些CFRP格栅筋在生产过程中放置了结构一体化的纤维光学感应器,格栅筋只用于加固部分桥面板以检验这种材料在延长桥梁有效使用寿命上的效率。该桥广泛安装了纤维光学传感器、振动式电阻丝应变传感器和电阻应变计,所有传感器都同电话线相连以便对该桥进行连续遥测。丹麦Herning斜拉桥。它是迄今为止全部采用CFRP斜拉索已建成的最长的桥梁。该桥是丹麦第一座大规模使用CFRP筋建造的桥梁,该桥全长80m。该斜拉桥的桥面系统主要包括一个桥面板,它由锚固在桥塔上的16根拉索支撑。桥面板用6根由直径为1215mm的绞线形CFRP筋进行后张法施工,一块40m长的桥面板分段用CFRP拉筋和箍筋进行加固,另40m分段配有普通钢筋和不锈钢钢筋。日本的飞翔桥，它是世界上第一座采用CFRP筋作为张拉材料的预应力混凝土桥梁。该桥位于日本丰田市郊区俱乐部内，全长111m，净跨75m。该桥全面使用了耐腐蚀性能比较优良的CFRP筋作为预应力筋，并获得成功。这说明只要重视设计和施工中的各个环节,密切结合各种实验的成果，严格管理，高质量施工，以CFRP筋取代钢筋作为预应力筋是完全可行的。3.2海运lng港的预应力混凝土桥墩在海洋工程中，最突出的问题就是海洋基础设施建设中的结构防腐问题。目前在建的海洋工程中的钢混结构,采用最厚的混凝土保护层(150mm左右,达陆地钢筋混凝土结构保护层的5倍以上)及防腐措施,结构的耐久年限也仅有20年左右,远远达不到海洋工程结构的耐久性要求。由于FRP筋具有优良的抗腐蚀性能，采用FRP筋混凝土结构就可以从根本上解决海洋工程中的钢筋锈蚀问题,对海洋工程的建设具有重大的意义。在日本的Niihama市，Smitomo化工有限公司兴建了一座海港码头。该码头的预应力混凝土面板的宽度为13.8m，长度为61m。在宽度方向上由17根简支空心梁组成；在长度方向上分5跨。其中4跨预应力混凝土空心梁采用了高强钢绞线作为预应力束，另一跨跨度为9m的预应力混凝土空心梁则采用了AFRP筋作为预应力束。码头建成以后进行了3500kN的起重机和350kN的挖土机的荷载试验，能够完全满足使用的要求。美国海军部实施了一项连续性方案以检验海洋工程沿岸设施的FRP筋预应力及加固。1994～1996年间,加州Hueneme港的海军设施工程服务中心设计并建造出由FRP预应力桩和上承平板构成的原型码头。研究人员在桩和墩的设计中都使用了预应力FRP筋，把FRP筋用在结构的一些预应力部位,注意力也放到在打桩过程中对混凝土约束的刚度要求。至今,该结构按照当初的设计要求正常工作着。Hueneme港项目的成功可以证明，经过恰当的设计和严格的施工，FRP筋能够满足在海洋工程中应用的各种要求。另外，在近海地带，钢筋混凝土结构易受到海风中盐粒子的腐蚀而发生明显的早期劣化。沿海地区很多建筑物阳台的钢筋，都会受到盐粒子中氯化物离子的侵蚀；由于氯离子的侵蚀和冻融的作用，港口及水道的钢筋混凝土护岸桩、承载桩及板桩容易损坏。而采用FRP筋可以很好地解决这些问题。在美国，已经使用FRP筋代替锈蚀的钢筋来修复阳台；在日本，某些靠近海岸的混凝土煤仓也已使用FRP筋作为防裂筋。3.3锚杆frp在岩土工程中，岩土锚固常采用抗拉强度较高的钢材作为锚杆，如高强钢铰线。但是大量岩土锚固的实际工程表明，锚杆的锈蚀经常造成钢锚杆锚固工程的失效破坏、甚至重大的安全事故。自20世纪90年代以来，国外开始采用FRP筋这种非金属锚杆来替代传统的钢锚杆。FRP筋在长期恶劣的地质条件下具有良好的抗腐蚀性能，其抗拉强度高且抗剪强度很低（不超过其抗拉强度的10%），可以很易被剪断。正是由于这个特性，用FRP筋制作锚杆代替钢锚杆具有不需防腐保护，结构简单，重量轻而易于制造、运输和安装,预应力损失小等优点。目前，FRP筋正被越来越多地作为锚杆用于岩土工程，如土钉墙、临时基坑支护的锚杆及地下工程盾构法掘进竖井的混凝土墙等。德国慕尼黑迪威达系统国际公司的研究成果表明，只有当FRP筋和泥土或岩石之间有较好的荷载传递时其高的抗拉强度才能得到利用,荷载传递可能集中在锚固端部或沿着岩石中的锚固长度。FRP筋作为锚杆通过更深的钻孔锚入墙中，也可和喷射混凝土结合用于低成本隧道内衬的永久性加固。FRP筋在岩土工程中的应用对地下工程的开发有十分重要的意义，既可以充分发挥其抗拉强度高的优势，又很容易被掘进机具剪断，消除了大量钢筋网埋在地下给今后城市地下工程的开发带来的隐患。深圳的地铁工程就采用了美国HughesBrother生产的GFRP筋作为盾构法掘进竖井的混凝土墙。就目前的使用情况来看，其完全能满足使用的要求。3.4frp筋在特殊项目中的应用(1)frp筋的应用如果在这些结构中使用钢筋，就要求更加复杂的设计以保证每根钢筋都和周围的钢材绝缘，这是很难实现的！但利用FRP筋的电绝缘性和非磁性，可以很好地解决这个问题。在军事上，FRP筋可以作为机场和军用设施防雷达干扰装置的理想材料，还可以用于敏感军用设备测试设施的混凝土墙内以防电磁干扰。在核磁共振成像上，FRP筋已经成为医疗保健单位磁共振成像设备的指定材料。此外，FRP筋还可用于地磁观测站、核聚变建筑物、机场指挥塔等。(2)基础设施项目在高寒环境下,基础工程的设施建设与维护费用昂贵,而且建设周期过长。因此,对于在建或拟建的各种基础设施项目(主要是公路与铁路等交通项目),提高其建设质量、缩短建设周期、减少维护费用是一个重大的技术问题。利用FRP筋的特性，用FRP筋代替钢筋做成免维护的FRP筋混凝土结构,从而达到提高基础设施耐久性与延长寿命的目的。(3)力钢绞线锚杆在地质灾害防治工程中，对山体与边坡滑移治理最有效的办法就是采用预应力锚固支护技术。目前，预应力锚固支护均采用预应力钢绞线锚杆，这会因钢筋锈蚀等问题而对长期使用带来相当大的安全隐患。所以，用预应力FRP筋取代预应力钢绞线锚杆可消除钢筋锈蚀带来的安全隐患。如现在的长江三峡水电站开始蓄水后,一部分山体与边坡将埋于水底,不可能再对其使用状况进行检测与再加固。几十年或上百年以后,一旦由于预应力钢绞线锈蚀而导致山体或边坡锚固支护失效发生滑移,结果将是灾难性的。4需要进一步研究的问题4.1frp筋抗火能力问题FRP筋的抗火性能不如普通钢筋，因而到目前为止,FRP筋常被用于桥梁结构或不需要进行抗火设计的建筑结构中,这是制约FRP筋在土木工程中大量应用的一个重要因素。虽然目前采用理论分析的方法可以计算出FRP筋的耐火极限,但如采用防火保护的方法保护FRP筋在达到规定的耐火极限时不发生破坏,其需要的防火保护层厚度非常不现实，难以被工程设计人员接受。所以，如何提高FRP筋的抗火能力，将是以后继续研究的一个热点。另一个值得注意的问题是FRP筋在经历高温时，基体材料会散发出对人体有害的气体，这又在材料改性方面向对研究人员提出了新的挑战。沙特国王大学的测试表明：在350℃时,CFRP筋只有其正常温度下承载能力的35%、抗拉弹性模量的40%，而AFRP筋则分别为15%和40%。Sakashita等人分别对用AFRP、CFRP、GFRP和钢板加固的钢筋混凝土梁进行受热性能的研究，先把所有的试件在100℃的温度中加热3h,接着持续加热升温至1000℃，再加热3h,同时让梁受弯，并监测梁跨中的竖向变形，结果见表2。4.2预应力锚、夹具的设计为了充分利用FRP筋抗拉强度高的特性，对FRP筋混凝土结构施加预应力显然是一种有效的手段，这样一方面可以充分利用FRP筋的材料特性，又能有效减少FRP筋混凝土梁的挠度变形，还可以推迟裂缝的出现和减小裂缝开展的宽度。锚、夹具的研制是预应力FRP筋应用的关键问题。但由于FRP筋的抗剪强度和抗挤压强度都很低，这样普通预应力钢筋的锚、夹具不再适用，否则会因为横向强度低而导致锚固区的过早实效，预应力FRP筋的锚、夹具需专门研制。由于FRP筋的轴向抗拉强度与横向压缩强度之比高达20︰1，这就给锚、夹具的研制带来很大困难；同时，又由于纤维材料种类的不同和FRP筋的力学性能不同,相应的预应力锚、夹具也有所区别。但是，设计良好的锚、夹具应沿着FRP筋的纵向有均匀的接触应力，避免在其两端出现应力集中现象；而且应使工程设计人员有一定的设计灵活性，包括可以方便地进行设计状况的变更。目前比较常用的锚具系统主要有锲块锚、灌浆锚和套管锚三种类型，性能基本能够满足工程的需要，但是在极限状态下锚具经常先于材料破坏，表明这方面还有待进一步的提高。另一方面，迄今为止还没有一种锚具系统能保证所有FRP筋达到最佳的预应力传递。这个问题也给各位学者以后的研究提出了挑战。4.3热固性frp筋采用通常的基体材料如聚酯、环氧树脂、乙烯基酯等生产出的FRP筋均为热固性FRP筋。由于这些热固性基体材料的分子结构易受热分解，所以热固性FRP筋的弯折部分存在纤维弯折和应力集中现象，其强度将减少50%～60%，所以其成型后形状不能改变，更不能随意弯折。热固性FRP筋的这种特点对其应用带来一定的限制,如很难制作箍筋、弯起钢筋、大曲率的曲线预应力筋或折线预应力筋等；更不能在施工现场进行FRP筋端部的弯钩制作和FRP箍筋的成型，必须在工厂预制，这也给施工造成不便。近几年来,国外一些学者已开始研制、生产热塑性FRP筋，这也将在国内成为一个新的研究热点。热塑性FRP筋能够灵活地适应混凝土结构对钢筋弯曲性能的要求，而且在加热和压力的作用下可以重新成型，这将极大地推动其在混凝土结构中的使用。5frp筋在现代范围内的应用研究随着科学技术的进步,世界各国对土木工程的要求越来越高。在某些条件下,传统的建筑材料已经很难满足这种要求。FRP筋的高强、轻质、耐腐蚀、抗疲劳、抗磁性、电绝缘性、徐变小、比重小、低弹性模量等性质，能够满足这种要求，奠定了其在土木工程中应用的基础。但FRP筋的价格、脆性、锚固等