李光范,陳超核,徐耘野,章傳民

(海南大學土木建筑工程學院,海南?？?570228)

結(jié)構(gòu)用 FRP的研究和利用現(xiàn)狀

李光范,陳超核,徐耘野,章傳民

(海南大學土木建筑工程學院,海南海口 570228)

纖維聚合物(FRP)復合材料因其強度重量比及剛度質(zhì)量比高、熱膨脹系數(shù)低、各向異性、輕質(zhì)、耐腐、無磁、有良好的抗疲勞性能及高耐久性等特點,可廣泛應用于橋梁、纖維混凝土、補強加固材料、連續(xù)纖維筋、巖土工程和建筑工程中.本文介紹了 FRP材料在新建結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)加固、橋梁中以及預應力 FRP在混凝土結(jié)構(gòu)中的研究和應用狀況,并提出了結(jié)構(gòu)用 FRP在使用方面的一些問題和開發(fā)研究前景.

FRP;復合材料;結(jié)構(gòu)加固;研究動向;使用現(xiàn)狀

纖維增強復合材料 (Fiber Reinforced Polymer/Plastic,簡稱 FRP)是由纖維材料與基體材料按一定比例混合并經(jīng)過一定工藝復合形成的高性能新型材料.它由兩部分材料組成:一部分為增強纖維,主要起傳遞和支撐荷載的骨架作用;另一部分為合成樹脂,在復合材料中起粘結(jié)和塑型的作用.這種復合材料比原材料更具有實用性和效率性,起初是為了滿足航天航空、軍用船舶等尖端領域里的特殊用途而開發(fā)的.它的比強度 (σb/ρ=0.53 ×107～1.03 ×107cm)遠高于鋼材 (0.13 ×107cm),比模量也 (E/ρ=0.21 ×109～1.5×109cm)大多高于鋼材 (0.27×109cm)[1].這一優(yōu)良的力學性能以及它所具有的可設計性強,抗疲勞、耐腐蝕、結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定及特殊的電磁功能等特點,使它成為航空、航天、軍用武器裝備等的首選材料之一.隨著研發(fā)、生產(chǎn)等有關的技術(shù)逐漸適用于民間產(chǎn)業(yè),FRP材料在土木工程領域的應用也越來越廣泛.應用于土木工程中的 FRP制品的形式多種多樣,主要有以下幾種:FRP片材,包括 FRP布、FRP條及 FRP板,主要用于結(jié)構(gòu)補強和加固;FRP棒材,包括 FRP索和 FRP筋,主要用作加強筋、預應力索、拉索或錨桿;FRP的型材,包括 FRP管材、平面和空間格構(gòu);FRP斷纖維,用作纖維混凝土拌合料.在圖 1中可以看到部分的 FRP產(chǎn)品.

圖1 土木工程用 FRP

FRP的強度根據(jù)所使用的增強纖維、合成樹脂的種類和制造方法的不同而有所差異.FRP的生產(chǎn)方法很多,目前最適用的成型方法有以下 4種,分別是手糊法、噴射法、模壓法和 RT M法.一般生產(chǎn)構(gòu)造用FRP時,任意斷面不會受到長度的影響,可按照最經(jīng)濟最適合工程的角度來控制.與此同時,在土木工程領域中,可根據(jù)所需要的復合材料的性能和所受荷載的形而選擇相應的生產(chǎn)復合材料時所使用的各種原材料[2].

1 結(jié)構(gòu)用 FRP的研究現(xiàn)狀

1.1 FRP在新建結(jié)構(gòu)中的研究與應用[3]FRP在新建結(jié)構(gòu)中的應用包括:將短切纖維加入混凝土中,制成纖維混凝土以用于新建結(jié)構(gòu);將 FRP棒材代替鋼筋用于新建結(jié)構(gòu);將 FRP加工成束狀或索狀,充當大型土木工程的拉索 (CFCC(Carbon Fiber Composite Cable)的力學性能見表 1[4]);將 FRP預應力筋與混凝土一起做成大跨度預制梁、板,將其用于公路路面工程以提高公路的質(zhì)量和耐久性等.這方面的研究發(fā)達國家起步較早,我國還處于初始階段.

美國于 1960年開始在混凝土梁中使用 FRP配筋的研究,研究重點是 GFRP.20世紀 80年代,康奈爾大學成功進行了預應力 FRP筋束小比例梁的試驗,并開發(fā)出 GFRP筋束以及相應的連接錨固技術(shù).1999年美國提出了預應力梁疲勞性能等階段性成果,研究表明,FRP梁承載力的損失并非由疲勞或磨損造成.梁的破壞發(fā)生在其抗拉強度充分發(fā)揮之時,破壞前征兆明顯,足以引起工程技術(shù)人員的警覺[5].歐洲對FRP在混凝土結(jié)構(gòu)中的應用研究開始于 20世紀 70年代,1986年德國建成世界第一座采用 FRP后張絞索的公路橋.從 1991年開始,歐洲國家之間開展了“BR ITE/EURAM”,“EUROCRETE”,“ConFiberCrete Network”等針對 FRP的合作研究項目.德國、挪威和奧地利成功地在巖土工程隧道襯砌中應用筋結(jié)合噴射混凝土作為永久配筋[6];加拿大于 1995年成立了 ISIS CANADA組織,負責因鋼筋銹蝕而導致混凝土劣化的橋梁中 FRP復合材料新用途的研究,并于 1997年建成了采用 FRP配筋的 Taylor,Crowchild等橋梁,并實現(xiàn)了智能監(jiān)控[7].在 20世紀 90年代中期,我國開始了 FRP的引進和應用研究,針對 FRP筋與混凝土之間粘接性能的影響因素、配筋率對混凝土梁力學性能的影響、FRP筋混凝土梁的設計計算方法等進行了初步研究.國內(nèi)外對纖維混凝土的研究表明:將短切纖維用于混凝土中可以提高混凝土的抗拉強度,增強其抗裂能力和耐久性,但對混凝土的抗壓強度的提高幾乎沒有作用.玻璃纖維成本較低,新的耐堿玻璃纖維克服了早期玻璃纖維在混凝土堿性環(huán)境中后期強度急劇下降的缺點,在我國現(xiàn)階段具有極大的推廣應用價值.

表1 CFCC力學性能

1.2 FRP在結(jié)構(gòu)加固修復補強中的研究與應用FRP復合材料加固是將纖維增強復合材料粘到結(jié)構(gòu)構(gòu)件需要加固的部位上,以提高構(gòu)件承載力和剛度的一種加固方法.外貼 FRP復合材料加固混凝土技術(shù)是通過在混凝土結(jié)構(gòu)外部粘貼 FRP復合材料片材 (包括布和板),通過二者協(xié)同受力,達到加固目的.如在鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的受拉區(qū)粘貼纖維布,外貼纖維布起到受拉鋼筋的作用,以此可以提高構(gòu)件的抗彎能力和剛度;又如在混凝土柱截面周邊粘貼纖維箍.在提高柱抗壓承載能力的同時,還可以約束核心混凝土,提高混凝土的抗壓強度和構(gòu)件的延性.

加固補強技術(shù)較常用的結(jié)構(gòu)加固方法 (如加大構(gòu)件截面法、粘鋼法、預應力加固法等)具有以下優(yōu)點:1.高強高效;2.基本不增加原結(jié)構(gòu)自重及截面尺寸,加固改造后的結(jié)構(gòu)仍具有良好的建筑效果,尤其適用于古建筑的加固;3.適用面廣,適用于一般建筑物及橋梁、隧道、煙囪等構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)補強及抗震加固,可用于曲面及結(jié)點等特殊形狀及部位的結(jié)構(gòu)加固;4.施工便捷,質(zhì)量易保證,不需大型施工機具,施工效率高;5.良好的耐久性和耐腐蝕性,不需定期維護,節(jié)省大筆維護費用;6.與纖維光學傳感技術(shù)相結(jié)合,有利于實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的智能監(jiān)測和診斷;7.綜合成本低,與普通方法相比能降低 20%～30%的工程成本.這項技術(shù)的推廣給結(jié)構(gòu)加固補強領域帶來了深刻的變化,有著巨大的市場,并能取得良好的社會和經(jīng)濟效益.以下主要介紹 FRP在幾種結(jié)構(gòu)加固中的運用.

1.2.1 FRP加固鋼結(jié)構(gòu)[8]鋼結(jié)構(gòu)在設計、制造、施工過程中可能產(chǎn)生各種缺陷,在使用階段因超載、銹蝕、疲勞等原因會引起損傷累積,從而影響結(jié)構(gòu)的安全.傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)加固方法主要有鋼板焊接、螺栓連接、鉚接或者粘接,這些方法存在許多缺點,如產(chǎn)生新的損傷和焊接殘余應力等.而纖維增強復合材料(FRP)由于具有比強度和比剛度高、耐腐蝕等特點,因而已在混凝土結(jié)構(gòu)加固中得到廣泛應用.近年來的研究表明,FRP加固鋼結(jié)構(gòu)也顯示出很好的效果.

FRP加固修復鋼結(jié)構(gòu)是采用 FRP板 (或布)粘貼到鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷部位,以提高或改善其受力性能,它主要有以下幾種形式:

1)在梁的受拉面粘貼 FRP片材,提高其抗彎承載力和抗彎剛度,這種加固形式在國內(nèi)外研究應用得比較多,也比較有效;

2)在梁的腹板粘貼 FRP片材,提高其抗剪承載力;

3)對疲勞損傷鋼結(jié)構(gòu)進行加固,提高剩余疲勞壽命,這是利用 FRP加固鋼結(jié)構(gòu)的很有效的方法,近年來已引起廣泛關注和研究;

4)FRP布環(huán)向纏繞鋼管柱,避免鋼管的局部失穩(wěn),提高柱的抗壓承載能力;5)對鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點的加固.

1.2.2 FRP加固砌體結(jié)構(gòu)[9]砌體是一種有著悠久歷史的建筑材料,它廣泛應用于工業(yè)與民用建筑領域,但是,由于砌體材料的脆性性質(zhì),其抗拉、抗剪和抗彎強度都比較低且自重較大,不利于結(jié)構(gòu)抗震.許多砌體結(jié)構(gòu)具有比較高的歷史價值和使用價值.由于設計基準期的接近、結(jié)構(gòu)設計和抗震標準的提高、設計和施工產(chǎn)生的隱患以及人們對建筑物的安全性、實用性和耐久性的要求不斷提高等原因,現(xiàn)役的許多砌體結(jié)構(gòu)需要進行抗震加固.

傳統(tǒng)的加固方法主要有[10]:1.鋼筋網(wǎng)水泥砂漿加固法;2.現(xiàn)澆鋼筋混凝土板墻加固法;3.增設圈梁、鋼拉桿加固法;4.粘鋼加固法;5.增設現(xiàn)澆混凝土抗震墻;6.外設鋼筋混凝土柱等方法.這些加固方法在一定程度上可以提高結(jié)構(gòu)的承載力,改善其抗震性能,滿足預定使用功能的要求.但這些加固法存在施工周期長,占用建筑空間,耗費鋼材量大等缺點.而利用 FRP片材對砌體進行加固能改善上述傳統(tǒng)加固法的不足.FRP加固法與傳統(tǒng)的加固法相比具有如下特點:高強高效,施工便捷,耐腐蝕性及耐久性能好,不增加構(gòu)件的自重及體積,適用面廣等.

目前,在土木工程中較常用的主要纖維有 3種:CFRP(碳纖維)、GFRP(玻璃纖維)、AFRP(芳綸纖維).FRP由高性能的纖維和基材組成,基材為聚酯 (與纖維一起使用)、環(huán)氧等,而纖維一般為直徑 5～20 μm的連續(xù)纖維.FRP用于土木工程加固,其主要優(yōu)點有如下:

1)高強高效 FRP物理力學性能優(yōu)異 (見表 2和圖 2),彈性模量相對砌體結(jié)構(gòu)高很多,當采用一定措施保證其與砌體良好地協(xié)同工作時,在加固修補砌體結(jié)構(gòu)中可以充分利用其高強度、高彈性模量的特點來提高砌體結(jié)構(gòu)的承載力和延性,從而改善其受力性能,達到高效加固修補的目的.

表2 FRP的基本性能

2)施工便捷 施工工效高,沒有濕作業(yè),不需大型施工機具,無需現(xiàn)場固定設施,施工占用場地少.施工工序和工具簡單,噪音小.

3)極佳的耐腐蝕性能及耐久性能 砌體構(gòu)件的孔隙率比混凝土構(gòu)件大很多,這就影響了鋼筋材料在砌體材料中的耐久性.FRP纖維和相應的樹脂材料都具有很好的耐腐蝕性能,因而能夠在這種材料上獲得較好的耐久性.

4)施工質(zhì)量易保證 與粘鋼加固相比,FRP布是柔性的,即使粘貼表面略有不平,也可以保證很高的有效粘貼率,而且粘貼后發(fā)現(xiàn)局部缺陷也易于修補.5)FRP材料質(zhì)量輕且厚度薄 加固修補后,基本不增加原結(jié)構(gòu)自重及原構(gòu)件尺寸,不增加下層結(jié)構(gòu)負擔和整體結(jié)構(gòu)的地震作用.

圖2 FRP和鋼筋的應力 -應變曲線比較

1.3 FRP在橋梁結(jié)構(gòu)中的應用與發(fā)展[11]由于 FRP材料具有耐腐蝕性、質(zhì)量輕 (容重只有鋼材的1/5～1/4)、強度高 (強度高于高強鋼絲或與其相當)等突出優(yōu)點,因而它是解決橋梁銹蝕問題最具有應用價值和前景的現(xiàn)代復合材料.

進入 20世紀 80年代,FRP復合材料建橋技術(shù)的研究與開發(fā)受到重視,并已取得實用性成果.1982年,北京密云修建了世界上第一座 FRP公路橋 (圖 3).1986年,重慶建成了第一座斜拉 FRP箱梁人行天橋—交院橋.1990年,日本制作了一座全 FRP的雙塔雙索面斜拉體系試驗橋,通過荷載試驗和長期變形觀測驗證了全 FRP結(jié)構(gòu)橋梁的可行性.1992年,英國蘇格蘭的 Aberfeldy建成了一座全 FRP結(jié)構(gòu)的斜拉人行天橋 (圖 4).

FRP在橋梁工程中的主要應用有以下幾個方面:

1)FRP筋、網(wǎng)片,可代替普通鋼筋或鋼筋網(wǎng)片,解決鋼筋、鋼絲網(wǎng)片的腐蝕難題.

2)FRP筋、絞線,可取代鋼絞線,用作預應力混凝土結(jié)構(gòu)的力筋,可解決預應力筋腐蝕問題,從而提高結(jié)構(gòu)的耐久性和預應力效果.

3)FRP索在懸索橋、斜拉橋、拱橋中的應用,可解決索的腐蝕難題.

4)開發(fā)純纖維復合材料橋梁構(gòu)件,制成工字形、E形、槽形、箱形、多邊形、管形等型材、輕質(zhì)橋面板和FRP型材 -混凝土 (鋼或木)組合橋梁,發(fā)展現(xiàn)代 FRP組合橋梁,可減輕結(jié)構(gòu)自重,提高橋梁跨越能力和耐久性能.

5)采用 FRP預應力加固橋梁上、下部結(jié)構(gòu),增強結(jié)構(gòu)耐久性和抗震性.

1.4 預應力 FRP材料在混凝土結(jié)構(gòu)中的應用與發(fā)展[12]土木工程中最為量大面廣的結(jié)構(gòu)類型是混凝土結(jié)構(gòu).混凝土結(jié)構(gòu)如果設計得當、構(gòu)造合理、施工質(zhì)量可靠,在正常環(huán)境條件下可具有良好的耐久性.但當上述條件不滿足時,常常會影響結(jié)構(gòu)的使用性能、耐久性和安全性,從而造成重大的安全隱患.在現(xiàn)在的混凝土結(jié)構(gòu)工程中,有以下 2個較為突出的問題.

1)由于材料老化、環(huán)境腐蝕、工作荷載改變、自然災害 (地震、風等)以及施工質(zhì)量等問題而導致大批的結(jié)構(gòu)設施需要修復和加固,傳統(tǒng)的加固補強方法 (如粘貼鋼板等)均有工期長、附加體積和重量增大、長期性能差、施工不方便以及建筑效果難以保證等缺點,因此,需要新的加固方法、補強材料及工藝技術(shù).

2)混凝土中的鋼筋易銹蝕,特別是預應力鋼筋銹蝕以后,構(gòu)件的工作性能將大大降低.傳統(tǒng)的解決方案是電鍍或在鋼筋上涂環(huán)氧層.Keeslar和 Powers以及 Rasheeduzzafar[13]等人研究指出:涂環(huán)氧的鋼筋在氯化物含量高的地區(qū)腐蝕仍然嚴重.因此,新的能替代鋼筋并能與混凝土協(xié)調(diào)工作的材料尚有待研究.近30年來,國內(nèi)外的研究和工程應用表明:纖維增強復合材料能更好地解決以上問題.

我國對 FRP筋的研究起步較晚,1955年,在水利部水利科技基金的資助下,薛偉辰首次對國產(chǎn)新型FRP筋的粘結(jié)性能進行了探索性的研究[14-15],通過拉拔試驗,對 FRP筋與混凝土之間的粘結(jié)性能進行了初步研究.2002年,薛偉辰又較系統(tǒng)地研究了 FRP筋與 C30混凝土、與不摻聚丙烯纖維的 C50混凝土、與摻聚丙烯纖維的 C50混凝土、與 R42.5水泥漿以及與環(huán)氧樹脂之間的粘結(jié)性能[16].1999年,茅衛(wèi)兵和章定國通過 36個 FRP筋混凝土和鋼筋混凝土試件的拉拔試驗,研究了 FRP筋在混凝土、水泥漿和環(huán)氧樹脂中的粘結(jié)錨固性能[17].至于預應力 FRP筋,2003年薛偉辰首次進行了 4根 FRP螺紋筋有粘結(jié)與無粘結(jié)預應力混凝土梁的試驗研究和非線性有限元分析[18].可見,我國在該領域的研究還很滯后,有許多工作亟待完成.

2 結(jié)構(gòu)用 FRP的問題和研究開發(fā)前景

可以預見,FRP對于延長 21世紀基礎結(jié)構(gòu)設施的工作壽命以及結(jié)構(gòu)的可持續(xù)發(fā)展,將發(fā)揮主要作用.國內(nèi)在引入這門技術(shù)時,國外在某些方面從理論到工程應用都已經(jīng)非常成熟,因而起點較高,但總體上比國外還落后不少.

要想使 FRP技術(shù)在我國能更快地發(fā)展和應用,有以下幾點建議[19]:

1)積極加強產(chǎn)、學、研的結(jié)合,促進 FRP產(chǎn)品的國產(chǎn)化,擴大產(chǎn)品的生產(chǎn)規(guī)模.目前雖然 FRP的粘貼樹脂已實現(xiàn)國產(chǎn)化,但 FRP材料仍然大量依賴進口,使應用 FRP技術(shù)的造價過高,不利于技術(shù)的推廣.

2)研究開發(fā) FRP技術(shù)的各科研院所和高等院校之間進一步加強合作,少做國內(nèi)外技術(shù)已經(jīng)很成熟的重復研究,積極開拓 FRP技術(shù)研究與應用的新領域.

3)積極組織編制 FRP及其相關產(chǎn)品的設計、施工與驗收的技術(shù)標準和規(guī)程.

4)國家應繼續(xù)加大資金的投入,為研究者創(chuàng)造有利條件,拓寬和加深對 FRP技術(shù)的基礎研究.材料研制與工程技術(shù)部門要緊密結(jié)合,促進設計、施工及驗收規(guī)程不斷充實和更新,以推動 FRP技術(shù)的廣泛應用.

3 結(jié) 論

美國等一些發(fā)達國家的業(yè)界和學界的持續(xù)研究結(jié)果表明,可以把 FRP材料用于土木領域中作為一種主要結(jié)構(gòu)材料,在實際施工過程中也積極利用著這些技術(shù)材料,同時也對使用過程中發(fā)現(xiàn)的一些問題進行了研究和改善,在社會基礎設施建設中,利用 FRP建造新的建筑物和利用 FRP對已建的建筑物進行修復與增強方面的研究和技術(shù)開發(fā)已成為了業(yè)界焦點.但是,在國內(nèi)還沒有體制性的持續(xù)研究,重視程度也不夠.所以,國內(nèi)要把 FRP積極使用到土木領域中還需要很長的時間和很多的經(jīng)費,因此,有必要對可持續(xù)的建設和新素材 FRP進行更積極的投資和研究.

盡管 FRP材料不能大面積代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼材和混凝土材料,但是作為一種高性能材料,它必將成為傳統(tǒng)材料的必要補充,使得以往工程中難以解決的一些問題迎刃而解,給土木與建筑工程帶來新的發(fā)展契機,并將顯示不可忽視的綜合經(jīng)濟效益.近年來,我國在該領域的研究與應用工作發(fā)展迅速,但主要以結(jié)構(gòu)加固為主,其他方面的工作比較滯后.因此,還需要做更廣泛的 FRP材料研究,使得 FRP新型材料在土木建筑結(jié)構(gòu)方面得到廣泛的推廣和應用,提升我國土木和建筑結(jié)構(gòu)的水平.

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Research and Utilization of Structural FRP

L I Guang-fan,CHEN Chao-he,XU Yun-ye,ZHANG Chuan-min

(College of Civil Engineering,Hainan University,Haikou 570228,China)

Because of its strength to weight ratio and stiffnessweight ratio,low coefficient of thermal expansion,anisotropy,lightweight,corrosion-resistant,non-magnetic,good fatigue resistance and high durability,Fiber Reinforced Polymer(FRP)composite materials were widely used in bridges,fiber reinforced concrete,reinforcementmaterial,continuous fiber reinforcement,geotechnical engineering and construction projects. In our report,the research and application of FRP material in the new structure,structure reinforcement,bridges and prestressed FRP in concrete structureswere described,and some problems and prospectswere proposed.

FRP;composite materials;structural strengthening;research trends;use status

TQ 35 < class="emphasis_bold">文獻標志碼:A

A

1004-1729(2010)04-0376-06

2010-06-22

李光范 (1959-),男,吉林延吉人,海南大學土木建筑工程學院教授,博士.

陳超核 (1962-),男,湖南藍山人,海南大學土木建筑工程學院教授,博士.