纖維增強(qiáng)塑料_FRP_在混凝土結(jié)構(gòu)中的研究與應(yīng)用(精)

1、2001 年第 10 期(總第 144 期)Number10i n2001(TotalNo.144)混凝 Con crete土全國建筑科學(xué)核心期刊 Chi naBuildi ngScie nceCorePeriodical纖維增強(qiáng)塑料(FRP)在混凝土結(jié)構(gòu)中的研究與應(yīng)用王文煒,李果(1大連理工大學(xué)土木系，遼寧大連116024; 2洛陽銅加工廠，河南洛陽471003)摘要纖維增強(qiáng)塑料(FiberReinforcedPlastic,FRP在國外已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在土木 工程中。然而，在我國對(duì)于FRP的研究應(yīng)用還十分有限。作為一種新材料,FRP表現(xiàn)出強(qiáng)度高、重量輕、抗腐 蝕等優(yōu)良特性，使其廣受歡迎。本

2、文簡(jiǎn)介了 FRP在國內(nèi)外的研究應(yīng)用狀況，并提出 了一些建議。關(guān)鍵詞纖維增強(qiáng)塑料；土木工程；研究;應(yīng)用中圖分類號(hào)TU528 572 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A 文章編號(hào)1002-3550(2001)10-0037-0321纖維增強(qiáng)塑料簡(jiǎn)介纖維增強(qiáng)塑料(fiberreinforcedplastic或 fiberre inforcedpolymer,FRP)是一種復(fù)合纖維 材料,是由合成或有機(jī)高強(qiáng)纖維構(gòu)成，是混凝土結(jié)構(gòu)中一種新型復(fù)合材料。它具有 質(zhì)量輕、便于施工、比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)更耐用、耐腐蝕、高強(qiáng)度質(zhì)量密度比(是鋼筋的1015倍)、耐疲勞(是鋼筋的3倍)、電磁中性、低導(dǎo)熱系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)。但其也 具有一些缺點(diǎn)，如:施

3、工費(fèi)用高、彈性模量低、紫外線對(duì)其傷害大、長(zhǎng)期強(qiáng)度低于 短期靜力強(qiáng)度、水腐蝕、施加預(yù)應(yīng)力時(shí)橫向應(yīng)力大等1 oFRP主要由高性能纖維、聚酯基、乙烯基或環(huán)氧樹脂組成 ，典型的FRP大約有 60%65%的纖維，其余是基體2。單絲經(jīng)過浸潤(rùn)樹脂、拉拔、纏繞、粘結(jié)而形成 片材、板材、繩索、棒材、短纖維或格狀材。FRP可用于新建結(jié)構(gòu)、補(bǔ)強(qiáng)加固舊建筑物、構(gòu)筑物、預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)、路面結(jié)構(gòu)、橋 梁工程、海岸和近海工程中。尤其在一些腐蝕嚴(yán)重或難于修補(bǔ)的結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房、橋梁的橋面板、橋墩等結(jié)構(gòu)中更能發(fā)揮其強(qiáng)度高、易于施工、剪裁方便等優(yōu)點(diǎn)。FRP用于工程中的主要有碳纖維(carbonfiberreinforcedpolymer

4、,CFRP)玻璃纖維 (glassfi nberrei nforedplymer,GFRP和芳綸纖維(aramidfiberrei nforcedpolymer,AFRP)。碳纖維(CFRP)在所有FRP中彈性模量最高，極限拉應(yīng)變?cè)? 22 0之間，線膨脹系數(shù) 為 0 2 10-6AFRP。AFRP 的抗拉強(qiáng)度為 2 65GPa3 4GPa彈性模量為 73GPa165GPa AFRP 的彈性模量與抗拉強(qiáng)度成反比：彈性模量越高，抗拉強(qiáng)度越低；彈性模量低，抗拉強(qiáng)度 高。玻璃纖維(GFRP)是花費(fèi)最少的一種FRP。它有兩種:E glass和S glass各自的彈 性模量和抗拉強(qiáng)度為 2 3GPa和7

5、4GPa,3 9GPa和87GPa1。GFRP的橫向抗剪強(qiáng) 度低，與混凝土的線膨脹系數(shù)相近。GFRP可制成預(yù)應(yīng)力筋用于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu) 中。用于補(bǔ)強(qiáng)加固的有玻璃纖維片材和板材。12國外對(duì)于FRP的研究應(yīng)用1960年美國開始對(duì)FRP進(jìn)行開發(fā),FRP的研究工作主要集中在GFRP。但由于 GFRP的彈性模量低而中斷研究近20年。由于鹽腐蝕鋼筋導(dǎo)致了建筑結(jié)構(gòu)和橋梁 結(jié)構(gòu)使用性能的退化而將FRP重新提上日程來?？的螤柎髮W(xué)成功地進(jìn)行了小尺寸 FRP預(yù)應(yīng)力梁的試驗(yàn)。南達(dá)科他礦業(yè)理工大學(xué)開發(fā)了GFRP筋2,3。日本在20世紀(jì)70年代就進(jìn)行了 FRP的應(yīng)用開發(fā)。日本現(xiàn)已開發(fā)出各種 FRP,有 FRP筋(包括圓形

6、的、方形的、變形的)、FRP絞線、三維和平面格狀材、片材、 板材。在日本使用最多的是 CFRP其次是AFRP和GFRP。近年來,FRP片材已經(jīng) 開始使用玻璃和聚乙烯纖維。日本于 1993年編制了世界上第一個(gè)FRP設(shè)計(jì)施工 規(guī)范,并于1997年發(fā)行了歐洲版本。FRP片材在1987年作為一種抗震材料提 出,1995年神戶大地震之后，迅速開展了 FRP片材的使用和開發(fā)，并編制了相應(yīng)的設(shè) 計(jì)施工規(guī)范4。20世紀(jì)70年代，德國斯圖加特大學(xué)開始對(duì)FRP進(jìn)行研究 連點(diǎn)是GFRP預(yù)應(yīng)力筋。1978年,承包商m/!,大部分CFRP的抗拉強(qiáng)度大約是3GPa,彈性模量為230GPa也有高模量的彈性模量可達(dá) 380G

7、Pa640GPa1。CFRP多使用聚丙烯腈(polyacrylonitrile,PAN)或?yàn)r青(pith based)為基材。芳綸纖維(AFRP)具有最高的極限拉應(yīng)變。AFRP有三種:KevlarAFRP、TwaronAFRP、Technora收稿日期2001-09-03?Strabag化工品商Bayer合作開發(fā)了 GFRP預(yù)應(yīng)力筋和錨固系統(tǒng)并應(yīng)用在德國和 奧地利的幾座橋梁中。1983年，荷蘭化學(xué)商AKZO、承包商HBG開發(fā)了名叫 Arapree的AFRP筋。蘇黎世EMPA研究院開展了外貼CFRP片材的研究工作。 近期的研究工作主要集中在 FRP筋的使用上。1991年11月1996年底，德國、

8、荷蘭的幾個(gè)大學(xué)合作進(jìn)行了名為 #BRITE/EU RAM?的項(xiàng)目。1993年12月1997年 底，英國、荷蘭、瑞典、法國、挪威合作研究了 #EUROCRETE?項(xiàng)目。1997年來 自歐洲不同國家的11個(gè)科研隊(duì)伍開展了名為#ConFiberCrete,Network?的合作項(xiàng) 目。1986年,德國建成世界上第一座后張法預(yù)應(yīng)力懸索FRP橋。在歐洲,FRP主要應(yīng)用是橋梁結(jié)構(gòu)。通過粘貼FRP片材或板材來維修加固受損結(jié)構(gòu)、地震區(qū)的古建 筑，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的安全性及建筑物使用性能5。在美國、歐洲和日本,FRP筋經(jīng)常被用于混凝土橋的大梁或橋面板中。對(duì)于FRP預(yù)應(yīng)力筋，由于FRP的彈性模量低，因此減少了由于混凝土徐

9、變收縮而造成的預(yù)應(yīng) 力損失。FRP索可用于懸索橋中。此外，F(xiàn)RP可作為增強(qiáng)材料應(yīng)用在海洋結(jié)構(gòu)、橋 墩、防波堤、鋼筋混凝土隧道、地層錨桿、纖維噴射混凝土、防護(hù)墻。由于 FRP 的非電磁性,使其可用于高速公路導(dǎo)向道、機(jī)場(chǎng)導(dǎo)向儀的防護(hù)墻。在維修與加固方 面,FRP片材、板材以其施工簡(jiǎn)便、重量輕、施工期短、強(qiáng)度高、延性好、費(fèi)用低 等優(yōu)點(diǎn)獲得滿意效果。國外對(duì)FRP筋、FRP片材、板材在鋼筋混凝土構(gòu)件中的應(yīng)用進(jìn)行了基本力學(xué)研究69術(shù)。NevenKrstuloric和Antoine11提出了一種稱為自應(yīng)力纖維復(fù)合物(SelfStressi ngFiberComposites,SSFC)的概念。其主要思想是將

10、形狀記憶合金 (ShapeMemoryAlloys,SMA)熔入FRP 中，由于SMA具有在低溫下可冷凍加熱后可恢復(fù)先前狀態(tài)的特性 ，因此,將SMA作 為FRP的主要材料就可制成自應(yīng)力纖維復(fù)合物。SSFC可在樹脂基凝固后任意改變形狀以獲得不同的預(yù)應(yīng)力。SSFC最顯著的優(yōu)點(diǎn)是無需復(fù)雜的預(yù)應(yīng)力錨固設(shè)備 就可獲得滿意的預(yù)應(yīng)力。3我國的研究應(yīng)用現(xiàn)狀我國于1997年開展碳纖維布補(bǔ)強(qiáng)加固鋼筋混凝土構(gòu)件的研究工作 ，其中國家工業(yè) 建筑診斷與改造工程技術(shù)研究中心最早進(jìn)行了這項(xiàng)工作，之后，有許多高等院校和科研單位也進(jìn)行了碳纖維的研究。目前已進(jìn)行了20余項(xiàng)研究,發(fā)表論文20余篇,應(yīng)用于實(shí)際工程60余項(xiàng)。在規(guī)范編制

11、方面，中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn) 碳纖 維布加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程&已接近于完成12。對(duì)FRP開展研究與應(yīng)用的主要是 CFRP和GFRP用于補(bǔ)強(qiáng)加固混凝土構(gòu)件。國家 工業(yè)建筑診斷與改造工程技術(shù)研究中心、天津大學(xué)、清華大學(xué)、東南大學(xué)等單位 先后對(duì)CFRP、GFRP補(bǔ)強(qiáng)加固鋼筋混凝土構(gòu)件開展了一些研究工作,得到了一些 成果:(1)外貼CFRP、GFRP布增強(qiáng)了鋼筋混凝土梁,柱的抗彎、抗剪性能。(2)由于 FRP布對(duì)混凝土的約束，使得混凝土構(gòu)件的延性得以提高。(3)在循環(huán)荷載作用 下,FRP包裹的柱延性明顯提高。(4)提出了數(shù)值計(jì)算方法和實(shí)用計(jì)算方法。1315。FRP筋作為箍筋抗剪、縱向

12、鋼筋抗彎的試驗(yàn)均表明 FRP筋既可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼筋抗彎、抗剪， 又可發(fā)揮出FRP筋的重量輕、抗腐蝕好的優(yōu)點(diǎn)以彌補(bǔ)鋼筋的不足。FRP片材或板材的試驗(yàn)研究表明,FRP粘貼在鋼筋混凝土梁的受拉面，提高了梁的抗彎能力，減少 了裂縫寬度。鋼筋混凝土柱外包 FRP片材由于混凝土處于三向受力狀態(tài)，因此提 高了柱的承載能力，改善了柱的延性，對(duì)于地震區(qū)FRP是一種經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的加固補(bǔ) 強(qiáng)材料，同時(shí)在地震區(qū)的承重墻也可粘貼 FRP片材幫助承受平面外水平荷載。近來,國外開發(fā)出一種新的利用FRP補(bǔ)強(qiáng)加固的方法 近表面鑲嵌法(Near SurfaceMou nted,NSM)10。該法是將鋼筋混凝土構(gòu)件表面刻出淺槽，槽的大

13、小適合 放入FRP筋。將刻好的槽清理干凈后，向槽內(nèi)填入粘結(jié)劑，并將FRP筋、FRP片材 輕輕按壓進(jìn)槽中，使粘結(jié)劑充滿筋的四周，然后用粘結(jié)劑將槽的表面填平。這種方 法對(duì)比外貼FRP片材來說,與鋼筋混凝土構(gòu)件的粘結(jié)錨固更可靠，并且施工時(shí)間更 短。由于FRP筋非?？拷鼧?gòu)件表面，因此被稱為NSM技？4關(guān)于FRP研究應(yīng)用的建議FRP在我國還處于起步發(fā)展階段，雖然近年來一些大學(xué)、科研單位進(jìn)行了一些研究 應(yīng)用,得到了一些可喜的成果，但對(duì)于FRP的研究應(yīng)用還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。在此，筆者結(jié)合 查閱的國內(nèi)外文獻(xiàn)對(duì)我國的FRP應(yīng)用與研究提出幾點(diǎn)建議：(1)在我國，對(duì)于FRP的使用主要集中在CFRP片材補(bǔ)強(qiáng)加固建筑結(jié)構(gòu)方面，

14、對(duì)于其 他方面的研究應(yīng)用開展不多。國外 FRP的使用可以說已經(jīng)涉及到土木工程的方方 面面,橋梁、隧道、機(jī)場(chǎng)、碼頭、公路、鐵路、民用建筑、構(gòu)筑物都使用了FRP。因此,我國需要大力開發(fā)FRP的使用，使其形成規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化。FRP筋(預(yù)應(yīng)力筋)在國外的研究應(yīng)用已經(jīng)很廣泛，已呈現(xiàn)出替代普通鋼筋的趨 勢(shì)。在這方面我國還是空白。因此，廣大科研工作者還需繼續(xù)努力以填 補(bǔ)這項(xiàng)空白。(3) FRP片材、板材補(bǔ)強(qiáng)加固技術(shù)仍有許多研究工作要開展。如 FRP外貼混凝土 梁的抗彎、抗剪破壞機(jī)理研究；延性評(píng)估;疲勞性能研究;FRP片材、板材與混凝土 構(gòu)件的粘結(jié)錨固；裂縫問題；長(zhǎng)期使用性能。(4) 在使用FRP時(shí),由于FR

15、P的彈性模量低，構(gòu)件的撓度和裂縫寬度將比鋼筋混凝土 構(gòu)件大，這樣將會(huì)不滿足規(guī)范規(guī)定的限值。因此，對(duì)于FRP的使用量、配置率還需 進(jìn)一步研究。FRP為土木工程領(lǐng)域提供了一種經(jīng)濟(jì)有效的新材料，尤其與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu) 相結(jié)合更能發(fā)揮其突出的優(yōu)點(diǎn)。隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展 ，相信FRP在我國 的土木工程領(lǐng)域?qū)⒂忻篮脧V闊的前景。參考文獻(xiàn)I M.A.Erki,S.H. RizkallaFRPRei nforceme ntforCo ncreteStructuresJ.C on cretel ntemati on al.1993,(6):48-53.2CharlesW.Dola n.FRPPresst

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