李光范,陈超核,徐耘野,章传民

(海南大学土木建筑工程学院,海南海口 570228)

结构用 FRP的研究和利用现状

李光范,陈超核,徐耘野,章传民

(海南大学土木建筑工程学院,海南海口 570228)

纤维聚合物(FRP)复合材料因其强度重量比及刚度质量比高、热膨胀系数低、各向异性、轻质、耐腐、无磁、有良好的抗疲劳性能及高耐久性等特点,可广泛应用于桥梁、纤维混凝土、补强加固材料、连续纤维筋、岩土工程和建筑工程中.本文介绍了 FRP材料在新建结构、结构加固、桥梁中以及预应力 FRP在混凝土结构中的研究和应用状况,并提出了结构用 FRP在使用方面的一些问题和开发研究前景.

FRP;复合材料;结构加固;研究动向;使用现状

纤维增强复合材料 (Fiber Reinforced Polymer/Plastic,简称 FRP)是由纤维材料与基体材料按一定比例混合并经过一定工艺复合形成的高性能新型材料.它由两部分材料组成:一部分为增强纤维,主要起传递和支撑荷载的骨架作用;另一部分为合成树脂,在复合材料中起粘结和塑型的作用.这种复合材料比原材料更具有实用性和效率性,起初是为了满足航天航空、军用船舶等尖端领域里的特殊用途而开发的.它的比强度 (σb/ρ=0.53 ×107～1.03 ×107cm)远高于钢材 (0.13 ×107cm),比模量也 (E/ρ=0.21 ×109～1.5×109cm)大多高于钢材 (0.27×109cm)[1].这一优良的力学性能以及它所具有的可设计性强,抗疲劳、耐腐蚀、结构尺寸稳定及特殊的电磁功能等特点,使它成为航空、航天、军用武器装备等的首选材料之一.随着研发、生产等有关的技术逐渐适用于民间产业,FRP材料在土木工程领域的应用也越来越广泛.应用于土木工程中的 FRP制品的形式多种多样,主要有以下几种:FRP片材,包括 FRP布、FRP条及 FRP板,主要用于结构补强和加固;FRP棒材,包括 FRP索和 FRP筋,主要用作加强筋、预应力索、拉索或锚杆;FRP的型材,包括 FRP管材、平面和空间格构;FRP断纤维,用作纤维混凝土拌合料.在图 1中可以看到部分的 FRP产品.

图1 土木工程用 FRP

FRP的强度根据所使用的增强纤维、合成树脂的种类和制造方法的不同而有所差异.FRP的生产方法很多,目前最适用的成型方法有以下 4种,分别是手糊法、喷射法、模压法和 RT M法.一般生产构造用FRP时,任意断面不会受到长度的影响,可按照最经济最适合工程的角度来控制.与此同时,在土木工程领域中,可根据所需要的复合材料的性能和所受荷载的形而选择相应的生产复合材料时所使用的各种原材料[2].

1 结构用 FRP的研究现状

1.1 FRP在新建结构中的研究与应用[3]FRP在新建结构中的应用包括:将短切纤维加入混凝土中,制成纤维混凝土以用于新建结构;将 FRP棒材代替钢筋用于新建结构;将 FRP加工成束状或索状,充当大型土木工程的拉索 (CFCC(Carbon Fiber Composite Cable)的力学性能见表 1[4]);将 FRP预应力筋与混凝土一起做成大跨度预制梁、板,将其用于公路路面工程以提高公路的质量和耐久性等.这方面的研究发达国家起步较早,我国还处于初始阶段.

美国于 1960年开始在混凝土梁中使用 FRP配筋的研究,研究重点是 GFRP.20世纪 80年代,康奈尔大学成功进行了预应力 FRP筋束小比例梁的试验,并开发出 GFRP筋束以及相应的连接锚固技术.1999年美国提出了预应力梁疲劳性能等阶段性成果,研究表明,FRP梁承载力的损失并非由疲劳或磨损造成.梁的破坏发生在其抗拉强度充分发挥之时,破坏前征兆明显,足以引起工程技术人员的警觉[5].欧洲对FRP在混凝土结构中的应用研究开始于 20世纪 70年代,1986年德国建成世界第一座采用 FRP后张绞索的公路桥.从 1991年开始,欧洲国家之间开展了“BR ITE/EURAM”,“EUROCRETE”,“ConFiberCrete Network”等针对 FRP的合作研究项目.德国、挪威和奥地利成功地在岩土工程隧道衬砌中应用筋结合喷射混凝土作为永久配筋[6];加拿大于 1995年成立了 ISIS CANADA组织,负责因钢筋锈蚀而导致混凝土劣化的桥梁中 FRP复合材料新用途的研究,并于 1997年建成了采用 FRP配筋的 Taylor,Crowchild等桥梁,并实现了智能监控[7].在 20世纪 90年代中期,我国开始了 FRP的引进和应用研究,针对 FRP筋与混凝土之间粘接性能的影响因素、配筋率对混凝土梁力学性能的影响、FRP筋混凝土梁的设计计算方法等进行了初步研究.国内外对纤维混凝土的研究表明:将短切纤维用于混凝土中可以提高混凝土的抗拉强度,增强其抗裂能力和耐久性,但对混凝土的抗压强度的提高几乎没有作用.玻璃纤维成本较低,新的耐碱玻璃纤维克服了早期玻璃纤维在混凝土碱性环境中后期强度急剧下降的缺点,在我国现阶段具有极大的推广应用价值.

表1 CFCC力学性能

1.2 FRP在结构加固修复补强中的研究与应用FRP复合材料加固是将纤维增强复合材料粘到结构构件需要加固的部位上,以提高构件承载力和刚度的一种加固方法.外贴 FRP复合材料加固混凝土技术是通过在混凝土结构外部粘贴 FRP复合材料片材 (包括布和板),通过二者协同受力,达到加固目的.如在钢筋混凝土受弯构件的受拉区粘贴纤维布,外贴纤维布起到受拉钢筋的作用,以此可以提高构件的抗弯能力和刚度;又如在混凝土柱截面周边粘贴纤维箍.在提高柱抗压承载能力的同时,还可以约束核心混凝土,提高混凝土的抗压强度和构件的延性.

加固补强技术较常用的结构加固方法 (如加大构件截面法、粘钢法、预应力加固法等)具有以下优点:1.高强高效;2.基本不增加原结构自重及截面尺寸,加固改造后的结构仍具有良好的建筑效果,尤其适用于古建筑的加固;3.适用面广,适用于一般建筑物及桥梁、隧道、烟囱等构筑物的结构补强及抗震加固,可用于曲面及结点等特殊形状及部位的结构加固;4.施工便捷,质量易保证,不需大型施工机具,施工效率高;5.良好的耐久性和耐腐蚀性,不需定期维护,节省大笔维护费用;6.与纤维光学传感技术相结合,有利于实现结构的智能监测和诊断;7.综合成本低,与普通方法相比能降低 20%～30%的工程成本.这项技术的推广给结构加固补强领域带来了深刻的变化,有着巨大的市场,并能取得良好的社会和经济效益.以下主要介绍 FRP在几种结构加固中的运用.

1.2.1 FRP加固钢结构[8]钢结构在设计、制造、施工过程中可能产生各种缺陷,在使用阶段因超载、锈蚀、疲劳等原因会引起损伤累积,从而影响结构的安全.传统的钢结构加固方法主要有钢板焊接、螺栓连接、铆接或者粘接,这些方法存在许多缺点,如产生新的损伤和焊接残余应力等.而纤维增强复合材料(FRP)由于具有比强度和比刚度高、耐腐蚀等特点,因而已在混凝土结构加固中得到广泛应用.近年来的研究表明,FRP加固钢结构也显示出很好的效果.

FRP加固修复钢结构是采用 FRP板 (或布)粘贴到钢结构构件损伤部位,以提高或改善其受力性能,它主要有以下几种形式:

1)在梁的受拉面粘贴 FRP片材,提高其抗弯承载力和抗弯刚度,这种加固形式在国内外研究应用得比较多,也比较有效;

2)在梁的腹板粘贴 FRP片材,提高其抗剪承载力;

3)对疲劳损伤钢结构进行加固,提高剩余疲劳寿命,这是利用 FRP加固钢结构的很有效的方法,近年来已引起广泛关注和研究;

4)FRP布环向缠绕钢管柱,避免钢管的局部失稳,提高柱的抗压承载能力;5)对钢结构节点的加固.

1.2.2 FRP加固砌体结构[9]砌体是一种有着悠久历史的建筑材料,它广泛应用于工业与民用建筑领域,但是,由于砌体材料的脆性性质,其抗拉、抗剪和抗弯强度都比较低且自重较大,不利于结构抗震.许多砌体结构具有比较高的历史价值和使用价值.由于设计基准期的接近、结构设计和抗震标准的提高、设计和施工产生的隐患以及人们对建筑物的安全性、实用性和耐久性的要求不断提高等原因,现役的许多砌体结构需要进行抗震加固.

传统的加固方法主要有[10]:1.钢筋网水泥砂浆加固法;2.现浇钢筋混凝土板墙加固法;3.增设圈梁、钢拉杆加固法;4.粘钢加固法;5.增设现浇混凝土抗震墙;6.外设钢筋混凝土柱等方法.这些加固方法在一定程度上可以提高结构的承载力,改善其抗震性能,满足预定使用功能的要求.但这些加固法存在施工周期长,占用建筑空间,耗费钢材量大等缺点.而利用 FRP片材对砌体进行加固能改善上述传统加固法的不足.FRP加固法与传统的加固法相比具有如下特点:高强高效,施工便捷,耐腐蚀性及耐久性能好,不增加构件的自重及体积,适用面广等.

目前,在土木工程中较常用的主要纤维有 3种:CFRP(碳纤维)、GFRP(玻璃纤维)、AFRP(芳纶纤维).FRP由高性能的纤维和基材组成,基材为聚酯 (与纤维一起使用)、环氧等,而纤维一般为直径 5～20 μm的连续纤维.FRP用于土木工程加固,其主要优点有如下:

1)高强高效 FRP物理力学性能优异 (见表 2和图 2),弹性模量相对砌体结构高很多,当采用一定措施保证其与砌体良好地协同工作时,在加固修补砌体结构中可以充分利用其高强度、高弹性模量的特点来提高砌体结构的承载力和延性,从而改善其受力性能,达到高效加固修补的目的.

表2 FRP的基本性能

2)施工便捷 施工工效高,没有湿作业,不需大型施工机具,无需现场固定设施,施工占用场地少.施工工序和工具简单,噪音小.

3)极佳的耐腐蚀性能及耐久性能 砌体构件的孔隙率比混凝土构件大很多,这就影响了钢筋材料在砌体材料中的耐久性.FRP纤维和相应的树脂材料都具有很好的耐腐蚀性能,因而能够在这种材料上获得较好的耐久性.

4)施工质量易保证 与粘钢加固相比,FRP布是柔性的,即使粘贴表面略有不平,也可以保证很高的有效粘贴率,而且粘贴后发现局部缺陷也易于修补.5)FRP材料质量轻且厚度薄 加固修补后,基本不增加原结构自重及原构件尺寸,不增加下层结构负担和整体结构的地震作用.

图2 FRP和钢筋的应力 -应变曲线比较

1.3 FRP在桥梁结构中的应用与发展[11]由于 FRP材料具有耐腐蚀性、质量轻 (容重只有钢材的1/5～1/4)、强度高 (强度高于高强钢丝或与其相当)等突出优点,因而它是解决桥梁锈蚀问题最具有应用价值和前景的现代复合材料.

进入 20世纪 80年代,FRP复合材料建桥技术的研究与开发受到重视,并已取得实用性成果.1982年,北京密云修建了世界上第一座 FRP公路桥 (图 3).1986年,重庆建成了第一座斜拉 FRP箱梁人行天桥—交院桥.1990年,日本制作了一座全 FRP的双塔双索面斜拉体系试验桥,通过荷载试验和长期变形观测验证了全 FRP结构桥梁的可行性.1992年,英国苏格兰的 Aberfeldy建成了一座全 FRP结构的斜拉人行天桥 (图 4).

FRP在桥梁工程中的主要应用有以下几个方面:

1)FRP筋、网片,可代替普通钢筋或钢筋网片,解决钢筋、钢丝网片的腐蚀难题.

2)FRP筋、绞线,可取代钢绞线,用作预应力混凝土结构的力筋,可解决预应力筋腐蚀问题,从而提高结构的耐久性和预应力效果.

3)FRP索在悬索桥、斜拉桥、拱桥中的应用,可解决索的腐蚀难题.

4)开发纯纤维复合材料桥梁构件,制成工字形、E形、槽形、箱形、多边形、管形等型材、轻质桥面板和FRP型材 -混凝土 (钢或木)组合桥梁,发展现代 FRP组合桥梁,可减轻结构自重,提高桥梁跨越能力和耐久性能.

5)采用 FRP预应力加固桥梁上、下部结构,增强结构耐久性和抗震性.

1.4 预应力 FRP材料在混凝土结构中的应用与发展[12]土木工程中最为量大面广的结构类型是混凝土结构.混凝土结构如果设计得当、构造合理、施工质量可靠,在正常环境条件下可具有良好的耐久性.但当上述条件不满足时,常常会影响结构的使用性能、耐久性和安全性,从而造成重大的安全隐患.在现在的混凝土结构工程中,有以下 2个较为突出的问题.

1)由于材料老化、环境腐蚀、工作荷载改变、自然灾害 (地震、风等)以及施工质量等问题而导致大批的结构设施需要修复和加固,传统的加固补强方法 (如粘贴钢板等)均有工期长、附加体积和重量增大、长期性能差、施工不方便以及建筑效果难以保证等缺点,因此,需要新的加固方法、补强材料及工艺技术.

2)混凝土中的钢筋易锈蚀,特别是预应力钢筋锈蚀以后,构件的工作性能将大大降低.传统的解决方案是电镀或在钢筋上涂环氧层.Keeslar和 Powers以及 Rasheeduzzafar[13]等人研究指出:涂环氧的钢筋在氯化物含量高的地区腐蚀仍然严重.因此,新的能替代钢筋并能与混凝土协调工作的材料尚有待研究.近30年来,国内外的研究和工程应用表明:纤维增强复合材料能更好地解决以上问题.

我国对 FRP筋的研究起步较晚,1955年,在水利部水利科技基金的资助下,薛伟辰首次对国产新型FRP筋的粘结性能进行了探索性的研究[14-15],通过拉拔试验,对 FRP筋与混凝土之间的粘结性能进行了初步研究.2002年,薛伟辰又较系统地研究了 FRP筋与 C30混凝土、与不掺聚丙烯纤维的 C50混凝土、与掺聚丙烯纤维的 C50混凝土、与 R42.5水泥浆以及与环氧树脂之间的粘结性能[16].1999年,茅卫兵和章定国通过 36个 FRP筋混凝土和钢筋混凝土试件的拉拔试验,研究了 FRP筋在混凝土、水泥浆和环氧树脂中的粘结锚固性能[17].至于预应力 FRP筋,2003年薛伟辰首次进行了 4根 FRP螺纹筋有粘结与无粘结预应力混凝土梁的试验研究和非线性有限元分析[18].可见,我国在该领域的研究还很滞后,有许多工作亟待完成.

2 结构用 FRP的问题和研究开发前景

可以预见,FRP对于延长 21世纪基础结构设施的工作寿命以及结构的可持续发展,将发挥主要作用.国内在引入这门技术时,国外在某些方面从理论到工程应用都已经非常成熟,因而起点较高,但总体上比国外还落后不少.

要想使 FRP技术在我国能更快地发展和应用,有以下几点建议[19]:

1)积极加强产、学、研的结合,促进 FRP产品的国产化,扩大产品的生产规模.目前虽然 FRP的粘贴树脂已实现国产化,但 FRP材料仍然大量依赖进口,使应用 FRP技术的造价过高,不利于技术的推广.

2)研究开发 FRP技术的各科研院所和高等院校之间进一步加强合作,少做国内外技术已经很成熟的重复研究,积极开拓 FRP技术研究与应用的新领域.

3)积极组织编制 FRP及其相关产品的设计、施工与验收的技术标准和规程.

4)国家应继续加大资金的投入,为研究者创造有利条件,拓宽和加深对 FRP技术的基础研究.材料研制与工程技术部门要紧密结合,促进设计、施工及验收规程不断充实和更新,以推动 FRP技术的广泛应用.

3 结 论

美国等一些发达国家的业界和学界的持续研究结果表明,可以把 FRP材料用于土木领域中作为一种主要结构材料,在实际施工过程中也积极利用着这些技术材料,同时也对使用过程中发现的一些问题进行了研究和改善,在社会基础设施建设中,利用 FRP建造新的建筑物和利用 FRP对已建的建筑物进行修复与增强方面的研究和技术开发已成为了业界焦点.但是,在国内还没有体制性的持续研究,重视程度也不够.所以,国内要把 FRP积极使用到土木领域中还需要很长的时间和很多的经费,因此,有必要对可持续的建设和新素材 FRP进行更积极的投资和研究.

尽管 FRP材料不能大面积代替传统的钢材和混凝土材料,但是作为一种高性能材料,它必将成为传统材料的必要补充,使得以往工程中难以解决的一些问题迎刃而解,给土木与建筑工程带来新的发展契机,并将显示不可忽视的综合经济效益.近年来,我国在该领域的研究与应用工作发展迅速,但主要以结构加固为主,其他方面的工作比较滞后.因此,还需要做更广泛的 FRP材料研究,使得 FRP新型材料在土木建筑结构方面得到广泛的推广和应用,提升我国土木和建筑结构的水平.

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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">文献标志码:A

A

1004-1729(2010)04-0376-06

2010-06-22

李光范 (1959-),男,吉林延吉人,海南大学土木建筑工程学院教授,博士.

陈超核 (1962-),男,湖南蓝山人,海南大学土木建筑工程学院教授,博士.