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FRP复合材料在结构加固工程中的应用
摘要:通过介绍FRP复合材料,因其轻质高强、高弹模、耐腐蚀性能好及抗冲击性能好等一系列优点,在桥梁、地铁及一些工业厂房等混凝土结构的加固与修复领域中,应用潜力巨大。
关键词:FRP复合材料;材料性能;结构加固

      土木工程学科的发展,在很大程度上依赖于性能优异的新材料新技术的应用和发展。在已有结构的加固改造领域,不仅要求材料经济美观、便于施工,且要求施工后的结构承载力能够明显提高。而FPR复合材料以其优异的力学性能和广泛的适用性发挥着越来越重要的作用。
      FRP(fiber reinforced plastics)复合材料主要有碳纤维(CFRP)、芳纶纤维(AFRP)及玻璃纤维(GFRP)等,其材料形式主要有片材、棒材和型材。FRP的共同优点是:轻质高强、高弹模、抗疲劳、耐腐蚀耐久性能好、热膨胀系数低等。另外,FRP复合材料可以节省材料、自由裁剪、施工方便且速度快,虽然其前期投资较大,但维护成本低,经济效益明显。因此,FRP(片材)复合材料在土木结构加固工程中应用潜力巨大。
1FRP复合材料的基本特性
      随着增强纤维材料的发展,碳纤维、芳纶纤维及玻璃纤维已经成为当前结构工程中加固补强的重要材料。一些典型的FRP(片材)复合材料的基本力学性能见下表。

      FRP复合材料的性能各异,在拉伸强度及拉伸模量方面,玻璃纤维和芳纶纤维一般比碳纤维低1/3左右;在断裂延伸率方面,芳纶纤维一般是碳纤维的2倍左右,玻璃纤维一般比碳纤维高70%左右;在韧性、抗冲击性能方面,芳纶纤维和玻璃纤维要比碳纤维好得多;在抗碱腐蚀方面,芳纶纤维和玻璃纤维则不如碳纤维好。关
于其它方面的性能差异,这里不再赘述。
2FRP复合材料在结构加固工程中应用领域
2.1民用建筑、桥梁及工业厂房
      FRP复合材料因其优异的力学性能,在民用建筑及工业厂房的加固中应用很多,主要有:①梁加固。加固的作用包括抗弯和抗剪。在进行抗弯加固时,FRP复合材料的纤维方向与梁的轴向一致,一般贴在梁的受拉侧,已提高梁的承载能力。据有关试验得出,只要该梁不是超筋梁,贴一层AK-60可以提高承载力30%左右,贴两层可以提高40%左右;在进行抗剪加固时,FRP复合材料的纤维方向与梁的轴向垂直;②板加固。一般对于板的加固净空要求比较高,而且加固后不影响其外观,所以用厚度很薄且柔软的FRP复合材料进行加固是一种理想的选择;③柱加固。芳纶纤维布、玻璃纤维布是比较理想的柱加固材料。因为它们的弹模小,相对于碳纤维(弹模235Gpa),其延性较好;并且,在进行棱角打磨时一般只需要10mm左右,一般不需打磨,而碳纤维则需要30mm左右,若采用芳纶纤维就可以节约很多工时。
2.2地铁、隧道
      因地铁和隧道是一种在地下工作的结构,所以它的受力与地面结构是不一样的。在洞顶和洞侧,它都有土压力的作用,而且也有净空的要求,所以进行裂缝修补时,传统的加固方法不可行,而用芳纶纤维布(不导电)进行加固维修就可以满足它的各方面要求,因为在地铁或隧道的拱顶或侧壁的裂缝一般是多向且不规则的,这就要求修复材料必须具有良好的抗剪性能,而且还是一种不导电的材料,所以芳纶布在隧道地铁工程中是一种最佳的选择。
2.3烟囱、水塔
      由于烟囱水塔这样向高空发展的结构,加固维修特别困难,传统加固方法(如扩大截面法、粘钢法)基本上很难解决这样的问题,而采用轻质高强、耐腐蚀、耐久性能都很好的复合材料(尤其是芳纶纤维)进行加固,就是一种很好的方法。
3几种加固方法的比较
3.1扩大截面法
      这种加固方法是通过增大受力面积来提高结构的承载力,一般用在一些较小且对净空没要求不高的结构中。这种方法虽然具有成本较低的优点,但是增加了
原结构的自重,同时减小了净空,工期长,有很大的局限性。目前,在较大的工程中很少用。
3.2粘钢法
      在用钢板加固时,一般将钢板贴在被加固的结构受力部位的外边缘,同时封闭粘贴部位的裂缝和缺陷,约束混凝土的变形。粘钢法加固的特点:①既可提高结构强度,又可提高刚度;②适应结构(钢结构)又粘又铆,适应节点加固;③延伸率大,适应冲击、振动结构加固;④钢板表面处理要求严格,粘结面易生锈;⑤厚钢板端点处应力集中,混凝土易剥离。
      由上述可知,采用这种方法加固必须注意几点:①对钢板的尺寸要求很严格。抗弯时宜薄点,以保证它和原结构的变形协调;抗剪时不仅宜厚点,而且在锚固时应使端部钢板延伸到应力较小区,防止应力集中造成对结构承载力的损害;②贴完后,必须对钢板边缘裂缝进行处理;③还要对钢板进行防腐处理,这也是一项长期的任务。所以其造价很高,而且它的使用范围还有一定的局限性,一般只用在刚度要求很严格的地方。
3.3FRP复合材料法
      FRP复合材料法加固的特点:①高强度、高弹模,厚度薄、重量轻;②材料可任意长度,任意交叉,适应任意曲面和任意形状结构;③耐腐蚀,抗疲劳性能好;④施工简便,与混凝土结合密实;⑤材料防潮要求严格,且不宜加固节点区域。
      在目前的FRP材料加固市场中,碳纤维占的比例最多。碳纤维是一种导电、易发生脆性破坏的材料,可以承受很大的静载,但在绝缘性要求很高的电气化铁路、地铁及隧道工程中,不宜采用;同为高强高弹模的芳纶纤维不存在这样的局限,能经常承受冲击载荷,芳纶纤维的极限破坏形式为塑性破坏,而且还是它的优势所在,其在抗剪方面也有很大的优势,在加固墩子时一般也是利用它优异的抗剪性能,但芳纶纤维在裁剪时须用专门的陶瓷剪刀。
4FRP复合材料的选择
4.1环境影响
      在高碱度和高潮湿度的地区,宜选择碳纤维复合材料,不宜选择玻璃纤维复合材料;在温度变化较大的地区,玻璃纤维的热膨胀系数与混凝土相似,宜选择玻璃纤维;玻璃纤维和芳纶纤维是良好的绝缘体,而碳纤维是可导电体,为避免钢筋的
潜在电流腐蚀,碳纤维材料不应与钢筋直接接触。
4.2荷载影响
      对于经常承受冲击或振动荷载的结构,应优先选择芳纶纤维和玻璃纤维复合材料,它们的韧性、抗冲击性能都比碳纤维复合材料好;对于要求耐蠕变和疲劳的结构,应优先选择碳纤维复合材料,碳纤维材料耐蠕变和疲劳的能力比芳纶纤维和玻璃纤维材料好得多。
4.3保护层影响
      保护层的厚度和类型应根据FRP复合材料的要求选择。对环境的抗力(如潮湿、温度、冲击、曝晒等)、施工现场抗力、人为破坏的抗力等,应采取有效的保护措施,以免使FRP复合材料的力学性能减退。保护层通常采用两种方法:①在FRP复合材料外加厚树脂胶层,提供有弹性的保护层;②在FRP复合材料外粉抹一层高强水泥砂浆,保护FRP复合材料不受损害。
5结语
      在我国,自现在及今后相当长的一段时期,各类桥梁及房屋建筑结构的维修、加固、改造将成为建设工程的侧重点。目前国内常用的加固方法主要有纤维布复合材料加固、粘钢板、扩大截面等方法,由上述分析可知,FRP复合材料加固法具有非常明显的优势,并且具有良好的经济效益,必将在结构工程中得到广泛的应用。

【参考文献】
⑴李惠强.建筑结构诊断鉴定与加固修复(M).武汉:华中科技大学出版社,2001.
⑵侯发亮.建筑结构粘结加固的理论与实践(M).武汉:武汉大学出版社,2003.