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FRP復合材料在結構加固工程中的應用

作者：建筑鋼結構網    
時間：2009-12-22 20:26:15 [收藏]


    　　摘　要：通過介紹FRP復合材料，因其輕質高強、高彈模、耐腐蝕性能好及抗沖擊性能好等一系列優(yōu)點，在橋梁、地鐵及一些工業(yè)廠房等混凝土結構的加固與修復領域中，應用潛力巨大。
    　　關鍵詞：FRP復合材料；材料性能；結構加固。
    　　
    　　土木工程學科的發(fā)展，在很大程度上依賴于性能優(yōu)異的新材料新技術的應用和發(fā)展。在已有結構的加固改造領域，不僅要求材料經濟美觀、便于施工，且要求施工后的結構承載力能夠明顯提高。而FPR復合材料以其優(yōu)異的力學性能和廣泛的適用性發(fā)揮著越來越重要的作用。

    　　FRP復合材料主要有碳纖維（CFRP）、芳綸纖維（AFRP）及玻璃纖維（GFRP）等，其材料形式主要有片材、棒材和型材。FRP的共同優(yōu)點是：輕質高強、高彈模、抗疲勞、耐腐蝕耐久性能好、熱膨脹系數低等。另外，FRP復合材料可以節(jié)省材料、自由裁剪、施工方便且速度快，雖然其前期投資較大，但維護成本低，經濟效益明顯。因此，FRP（片材）復合材料在土木結構加固工程中應用潛力巨大。

    　　1、FRP復合材料的基本特性
    　　隨著增強纖維材料的發(fā)展，碳纖維、芳綸纖維及玻璃纖維已經成為當前結構工程中加固補強的重要材料。一些典型的FRP（片材）復合材料的基本力學性能見下表。



    　　FRP復合材料的性能各異，在拉伸強度及拉伸模量方面，玻璃纖維和芳綸纖維一般比碳纖維低1/3左右；在斷裂延伸率方面，芳綸纖維一般是碳纖維的2倍左右，玻璃纖維一般比碳纖維高70%左右；在韌性、抗沖擊性能方面，芳綸纖維和玻璃纖維要比碳纖維好得多；在抗堿腐蝕方面，芳綸纖維和玻璃纖維則不如碳纖維好。關于其它方面的性能差異，這里不再贅述。

    　　2、FRP復合材料在結構加固工程中應用領域
    　　2.1民用建筑、橋梁及工業(yè)廠房
    　　FRP復合材料因其優(yōu)異的力學性能，在民用建筑及工業(yè)廠房的加固中應用很多，主要有：①梁加固。加固的作用包括抗彎和抗剪。在進行抗彎加固時，FRP復合材料的纖維方向與梁的軸向一致，一般貼在梁的受拉側，已提高梁的承載能力。據有關試驗得出，只要該梁不是超筋梁，貼一層AK-60可以提高承載力30%左右，貼兩層可以提高40%左右；在進行抗剪加固時，FRP復合材料的纖維方向與梁的軸向垂直；②板加固。一般對于板的加固凈空要求比較高，而且加固后不影響其外觀，所以用厚度很薄且柔軟的FRP復合材料進行加固是一種理想的選擇；③柱加固。芳綸纖維布、玻璃纖維布是比較理想的柱加固材料。因為它們的彈模小，相對于碳纖維（彈模235Gpa），其延性較好；并且，在進行棱角打磨時一般只需要10mm左右，一般不需打磨，而碳纖維則需要30mm左右，若采用芳綸纖維就可以節(jié)約很多工時。
    　　2.2地鐵、隧道
    　　因地鐵和隧道是一種在地下工作的結構，所以它的受力與地面結構是不一樣的。在洞頂和洞側，它都有土壓力的作用，而且也有凈空的要求，所以進行裂縫修補時，傳統的加固方法不可行，而用芳綸纖維布（不導電）進行加固維修就可以滿足它的各方面要求，因為在地鐵或隧道的拱頂或側壁的裂縫一般是多向且不規(guī)則的，這就要求修復材料必須具有良好的抗剪性能，而且還是一種不導電的材料，所以芳綸布在隧道地鐵工程中是一種最佳的選擇。
    　　2.3煙囪、水塔
    　　由于煙囪水塔這樣向高空發(fā)展的結構，加固維修特別困難，傳統加固方法（如擴大截面法、粘鋼法）基本上很難解決這樣的問題，而采用輕質高強、耐腐蝕、耐久性能都很好的復合材料（尤其是芳綸纖維）進行加固，就是一種很好的方法。

    　　3、幾種加固方法的比較
    　　3.1擴大截面法
    　　這種加固方法是通過增大受力面積來提高結構的承載力，一般用在一些較小且對凈空沒要求不高的結構中。這種方法雖然具有成本較低的優(yōu)點，但是增加了原結構的自重，同時減小了凈空，工期長，有很大的局限性。目前，在較大的工程中很少用。
    　　3.2粘鋼法
    　　在用鋼板加固時，一般將鋼板貼在被加固的結構受力部位的外邊緣，同時封閉粘貼部位的裂縫和缺陷，約束混凝土的變形。粘鋼法加固的特點：①既可提高結構強度，又可提高剛度；②適應結構（鋼結構）又粘又鉚，適應節(jié)點加固；③延伸率大，適應沖擊、振動結構加固；④鋼板表面處理要求嚴格，粘結面易生銹；⑤厚鋼板端點處應力集中，混凝土易剝離。
    　　由上述可知，采用這種方法加固必須注意幾點：①對鋼板的尺寸要求很嚴格?？箯潟r宜薄點，以保證它和原結構的變形協調；抗剪時不僅宜厚點，而且在錨固時應使端部鋼板延伸到應力較小區(qū)，防止應力集中造成對結構承載力的損害；②貼完后，必須對鋼板邊緣裂縫進行處理；③還要對鋼板進行防腐處理，這也是一項長期的任務。所以其造價很高，而且它的使用范圍還有一定的局限性，一般只用在剛度要求很嚴格的地方。
    　　3.3FRP復合材料法
    　　FRP復合材料法加固的特點：①高強度、高彈模，厚度薄、重量輕；②材料可任意長度，任意交叉，適應任意曲面和任意形狀結構；③耐腐蝕，抗疲勞性能好；④施工簡便，與混凝土結合密實；⑤材料防潮要求嚴格，且不宜加固節(jié)點區(qū)域。
    　　在目前的FRP材料加固市場中，碳纖維占的比例最多。碳纖維是一種導電、易發(fā)生脆性破壞的材料，可以承受很大的靜載，但在絕緣性要求很高的電氣化鐵路、地鐵及隧道工程中，不宜采用；同為高強高彈模的芳綸纖維不存在這樣的局限，能經常承受沖擊載荷，芳綸纖維的極限破壞形式為塑性破壞，而且還是它的優(yōu)勢所在，其在抗剪方面也有很大的優(yōu)勢，在加固墩子時一般也是利用它優(yōu)異的抗剪性能，但芳綸纖維在裁剪時須用專門的陶瓷剪刀。

    　　4、FRP復合材料的選擇
    　　4.1環(huán)境影響
    　　在高堿度和高潮濕度的地區(qū)，宜選擇碳纖維復合材料，不宜選擇玻璃纖維復合材料；在溫度變化較大的地區(qū)，玻璃纖維的熱膨脹系數與混凝土相似，宜選擇玻璃纖維；玻璃纖維和芳綸纖維是良好的絕緣體，而碳纖維是可導電體，為避免鋼筋的潛在電流腐蝕，碳纖維材料不應與鋼筋直接接觸。
    　　4.2荷載影響
    　　對于經常承受沖擊或振動荷載的結構，應優(yōu)先選擇芳綸纖維和玻璃纖維復合材料，它們的韌性、抗沖擊性能都比碳纖維復合材料好；對于要求耐蠕變和疲勞的結構，應優(yōu)先選擇碳纖維復合材料，碳纖維材料耐蠕變和疲勞的能力比芳綸纖維和玻璃纖維材料好得多。
    　　4.3保護層影響
    　　保護層的厚度和類型應根據FRP復合材料的要求選擇。對環(huán)境的抗力（如潮濕、溫度、沖擊、曝曬等）、施工現場抗力、人為破壞的抗力等，應采取有效的保護措施，以免使FRP復合材料的力學性能減退。保護層通常采用兩種方法：①在FRP復合材料外加厚樹脂膠層，提供有彈性的保護層；②在FRP復合材料外粉抹一層高強水泥砂漿，保護FRP復合材料不受損害。

    　　5、結語
    　　在我國，自現在及今后相當長的一段時期，各類橋梁及房屋建筑結構的維修、加固、改造將成為建設工程的側重點。目前國內常用的加固方法主要有纖維布復合材料加固、粘鋼板、擴大截面等方法，由上述分析可知，FRP復合材料加固法具有非常明顯的優(yōu)勢，并且具有良好的經濟效益，必將在結構工程中得到廣泛的應用。

    　　參考文獻：
    　　⑴李惠強。建筑結構診斷鑒定與加固修復（M）。武漢：華中科技大學出版社，2001.
    　?、坪畎l(fā)亮。建筑結構粘結加固的理論與實踐（M）。武漢：武漢大學出版社，2003.


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