FRP復(fù)合材料用于土木工程論文
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1958年，我國因鋼材短缺，曾探索過用GFRP筋代替鋼筋的研究。20世紀七八十年代，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雷達天線罩。1982年在北京密云建成了跨徑20.7mGFRP簡支蜂窩箱梁公路橋，設(shè)計荷載等級為汽-15、掛-80，并進行了現(xiàn)場荷載試驗，這是國際上第一座GFRP公路橋。此后，F(xiàn)RP材料，尤其是價格比較便宜的GFRP，在工結(jié)構(gòu)程中應(yīng)用的范圍越來越廣。但是這些應(yīng)用大多數(shù)都是附屬性、臨時性的構(gòu)件，F(xiàn)RP材料的優(yōu)越性能沒有得到充分發(fā)揮，即使用FRP作為結(jié)構(gòu)材料也都是嘗試性的，沒有形成規(guī)模。同時，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踐效果
2.1用于結(jié)構(gòu)加固
我國對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月進行了國內(nèi)首批外貼碳纖維布加固梁試驗。隨后在短短幾年中，外貼FRP片材加固技術(shù)已成為全國土木建筑行業(yè)研究和應(yīng)用的熱點，很快為市場所接受，而市場的擴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，在我國已迅速發(fā)展成為建筑結(jié)構(gòu)補強加固的主要技術(shù)。至2012年，國內(nèi)從事FRP試驗研究及技術(shù)開發(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)銷售的廠家?guī)资畟€，從事于碳纖維加固補強的專業(yè)公司上百個，已經(jīng)形成了相當大的研發(fā)、生產(chǎn)、設(shè)計、應(yīng)用的社會群體。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，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度高的FRP筋成為代替鋼筋的一個較好選擇。20世紀80年代初開始，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)廠房屋面板等受嚴重化學(xué)侵蝕的結(jié)構(gòu)物中。1985年，美國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筋的另一個應(yīng)用對象是巖土工程，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、輕質(zhì)、耐腐蝕等優(yōu)點，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）早期試驗性的FRP結(jié)構(gòu)
20世紀60年代，英國已開始生產(chǎn)GFRP復(fù)合材料的屋蓋結(jié)構(gòu)，運往中東和北非建造使用，1968年一個采用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國際機場，采用GFRP傘狀屋頂。20世紀70年代及80年代初期，英國的一些建筑采用了GFRP作為除梁柱以外的承重或半承重構(gòu)件。1974年，第一個全復(fù)合材料建筑在英國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、瑞士、丹麥、日本、美國及中國等國家，均成功建造了一系列全FRP結(jié)構(gòu)的人行天橋。同時，F(xiàn)RP結(jié)構(gòu)也被應(yīng)用于承受較大反復(fù)動載的公路橋梁中。1982年，我國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，英國建造的BondMill橋采用GFRP拉擠型材組合而成，是一座可通過40t卡車的活動橋。1996年，美國堪薩斯州Russell架起了第一座采用FRP橋面板的公路橋。此后不到十年的時間里，采用FRP橋面板的中小型橋梁在美國已有數(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、有待于我么進一步探索與研究的材料。由于FRP復(fù)合材料在我國土木工程具體實踐中應(yīng)用的十年還較短，因此，我們在很多方面還沒有積累出較成熟的經(jīng)驗，包括理論和實踐。在未來一段時間內(nèi)，不斷的提高FRP材料的性能以及降低其成本造價是亟待行業(yè)內(nèi)諸多人士共同探索的一個重要課題，以便利于FRP材料在土木工程中得到越來越多的推廣與應(yīng)用。
作者：彭祥 單位:邵陽學(xué)院