FRP復(fù)合材料用于土木工程論文
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1958年，我國(guó)因鋼材短缺，曾探索過(guò)用GFRP筋代替鋼筋的研究。20世紀(jì)七八十年代，F(xiàn)RP在結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用與研究逐漸增多。1972年在云南建造了一座直徑為44m的球形GFRP雷達(dá)天線罩。1982年在北京密云建成了跨徑20.7mGFRP簡(jiǎn)支蜂窩箱梁公路橋，設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為汽-15、掛-80，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)，這是國(guó)際上第一座GFRP公路橋。此后，F(xiàn)RP材料，尤其是價(jià)格比較便宜的GFRP，在工結(jié)構(gòu)程中應(yīng)用的范圍越來(lái)越廣。但是這些應(yīng)用大多數(shù)都是附屬性、臨時(shí)性的構(gòu)件，F(xiàn)RP材料的優(yōu)越性能沒(méi)有得到充分發(fā)揮，即使用FRP作為結(jié)構(gòu)材料也都是嘗試性的，沒(méi)有形成規(guī)模。同時(shí)，多數(shù)的土木結(jié)構(gòu)工程師不了解FRP材料性能和設(shè)計(jì)方法，大大限制了它在土木工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用和推廣。
2FRP復(fù)合材料在土木工程中的實(shí)踐效果
2.1用于結(jié)構(gòu)加固
我國(guó)對(duì)FRP加固技術(shù)的研究始于1997年，中冶建筑研究總院有限公司(國(guó)家工業(yè)建筑診斷與改造工程技術(shù)研究中心)于1997年10月進(jìn)行了國(guó)內(nèi)首批外貼碳纖維布加固梁試驗(yàn)。隨后在短短幾年中，外貼FRP片材加固技術(shù)已成為全國(guó)土木建筑行業(yè)研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)，很快為市場(chǎng)所接受，而市場(chǎng)的擴(kuò)大使材料的成本大幅下降，這為FRP材料在建筑中的應(yīng)用發(fā)展提供了更大的可能，在我國(guó)已迅速發(fā)展成為建筑結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固的主要技術(shù)。至2012年，國(guó)內(nèi)從事FRP試驗(yàn)研究及技術(shù)開(kāi)發(fā)的科研單位幾十所，用于土木建筑行業(yè)中的碳纖維制品生產(chǎn)銷(xiāo)售的廠家?guī)资畟€(gè)，從事于碳纖維加固補(bǔ)強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)公司上百個(gè)，已經(jīng)形成了相當(dāng)大的研發(fā)、生產(chǎn)、設(shè)計(jì)、應(yīng)用的社會(huì)群體。目前FRP材料在土木建筑中的應(yīng)用以加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為主，加固的形式又以外貼FRP片材為主，但FRP技術(shù)在砌體結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，以及采用FRP筋材、網(wǎng)格材、預(yù)應(yīng)力FRP片材加固技術(shù)的應(yīng)用已有很多，新的應(yīng)用形式、新的產(chǎn)品、新的規(guī)范規(guī)程的研究正在世界各地廣泛開(kāi)展。
2.2FRP筋在新建結(jié)構(gòu)中代替鋼筋
傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中配置非預(yù)應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力鋼筋，在處于惡劣環(huán)境條件時(shí)，如干濕交替、化學(xué)介質(zhì)等作用下，極易引起鋼筋的腐蝕，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的耐久性和適用性，甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載能力的降低。相比之下，防腐性能好、粘結(jié)性能與鋼筋相差不多且抗拉強(qiáng)度高的FRP筋成為代替鋼筋的一個(gè)較好選擇。20世紀(jì)80年代初開(kāi)始，F(xiàn)RP筋逐漸大量應(yīng)用于有特殊性能要求的結(jié)構(gòu)物中代替鋼筋，如有磁共振醫(yī)療設(shè)備的建筑及海堤、工業(yè)廠房屋面板等受?chē)?yán)重化學(xué)侵蝕的結(jié)構(gòu)物中。1985年，美國(guó)SanAntonio醫(yī)院大樓的MRI設(shè)備的樁、柱和梁中均采用了GFRP筋。1986年，SanAntonio的大學(xué)建筑中的邊墻和鋼筋混凝土梁中配置了GFRP筋。FRP筋的另一個(gè)應(yīng)用對(duì)象是巖土工程，目前已用于因潮汐變化等干濕交替的擋土墻、地基錨桿及地鐵沉井等工程中。
2.3FRP結(jié)構(gòu)及組合結(jié)構(gòu)
由于FRP材料具有高強(qiáng)、輕質(zhì)、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，F(xiàn)RP結(jié)構(gòu)和FRP組合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用也日益受到工程界的重視。
（1）早期試驗(yàn)性的FRP結(jié)構(gòu)
20世紀(jì)60年代，英國(guó)已開(kāi)始生產(chǎn)GFRP復(fù)合材料的屋蓋結(jié)構(gòu)，運(yùn)往中東和北非建造使用，1968年一個(gè)采用GFRP夾心板與鋁質(zhì)骨架的圓頂結(jié)構(gòu)建于利比亞Bengazhi；1972年阿聯(lián)酋的Dubai國(guó)際機(jī)場(chǎng)，采用GFRP傘狀屋頂。20世紀(jì)70年代及80年代初期，英國(guó)的一些建筑采用了GFRP作為除梁柱以外的承重或半承重構(gòu)件。1974年，第一個(gè)全復(fù)合材料建筑在英國(guó)Lancashire落成，外形為三棱錐體組成的空間結(jié)構(gòu)。早期的FRP結(jié)構(gòu)，大多帶有一定的試驗(yàn)性質(zhì)，尚未在土木工程中形成規(guī)模。
（2）橋梁工程中的FRP結(jié)構(gòu)構(gòu)件
隨著FRP生產(chǎn)技術(shù)和產(chǎn)品形式的迅速發(fā)展，F(xiàn)RP結(jié)構(gòu)在橋梁工程中得到迅速發(fā)展。英國(guó)、瑞士、丹麥、日本、美國(guó)及中國(guó)等國(guó)家，均成功建造了一系列全FRP結(jié)構(gòu)的人行天橋。同時(shí)，F(xiàn)RP結(jié)構(gòu)也被應(yīng)用于承受較大反復(fù)動(dòng)載的公路橋梁中。1982年，我國(guó)在北京密云建成了一座跨徑為20.7m的GFRP蜂窩箱梁公路橋。1994年，英國(guó)建造的BondMill橋采用GFRP拉擠型材組合而成，是一座可通過(guò)40t卡車(chē)的活動(dòng)橋。1996年，美國(guó)堪薩斯州Russell架起了第一座采用FRP橋面板的公路橋。此后不到十年的時(shí)間里，采用FRP橋面板的中小型橋梁在美國(guó)已有數(shù)十座。FRP橋面板還被用于替換老化的混凝土橋面板。此外，F(xiàn)RP索還可替代鋼索用于斜拉橋和懸索橋。
3FRP復(fù)合材料在土木工程中的實(shí)踐展望
眾所周知，F(xiàn)RP作為一種新型的結(jié)構(gòu)材料，已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于土木工程中，其所具備的多種優(yōu)良的特性，也使其成為了應(yīng)用前景較為廣闊的、有待于我么進(jìn)一步探索與研究的材料。由于FRP復(fù)合材料在我國(guó)土木工程具體實(shí)踐中應(yīng)用的十年還較短，因此，我們?cè)诤芏喾矫孢€沒(méi)有積累出較成熟的經(jīng)驗(yàn)，包括理論和實(shí)踐。在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)，不斷的提高FRP材料的性能以及降低其成本造價(jià)是亟待行業(yè)內(nèi)諸多人士共同探索的一個(gè)重要課題，以便利于FRP材料在土木工程中得到越來(lái)越多的推廣與應(yīng)用。
作者：彭祥 單位:邵陽(yáng)學(xué)院