土木工程中復(fù)合材料的應(yīng)用范文

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摘要:

近些年土木工程隨著國(guó)家的發(fā)展也不斷發(fā)展壯大，土木工程中使用的復(fù)合材料也在不斷的更新進(jìn)步，許多新型材料被研發(fā)出來應(yīng)用于土木工程項(xiàng)目中，復(fù)合材料(FRP)作為其中的優(yōu)秀代表在土木工程中應(yīng)用廣泛。簡(jiǎn)要介紹了FRP的物理、化學(xué)特性，以及FRP的發(fā)展經(jīng)歷和在土木工程中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞:

復(fù)合材料;土木工程;發(fā)展;應(yīng)用

1復(fù)合材料的發(fā)展歷程

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，一大批新型材料被開發(fā)出來以適應(yīng)社會(huì)快速發(fā)展的需要，復(fù)合材料(FRP)也順應(yīng)時(shí)代的需求而誕生。FRP的主要組成部分是芳綸、碳纖維、玄武巖纖維、玻璃纖維等，這些都屬于高性能的纖維和樹脂，以它們作為基體進(jìn)行混合，然后通過一定的加工工藝形成一系列具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)的材料。FRP相對(duì)于其他材料具有優(yōu)越的性能:強(qiáng)度高、質(zhì)量小、耐腐蝕性強(qiáng)并且施工方便，在土木工程中獲得越來越多的關(guān)注，現(xiàn)在經(jīng)常見到FRP與混凝土、鋼筋等材料結(jié)合用于土木工程中，并且土木工程正在不斷研究將FRP應(yīng)用在各類結(jié)構(gòu)物中。20世紀(jì)五六十年代人們就開始研究在民用建筑中使用FRP，1961年英國(guó)Smethwick將GFRP應(yīng)用在1座教堂的尖頂，1970年英國(guó)利物浦將GFRP作為連續(xù)梁用在1座人工天橋上。我國(guó)在20世紀(jì)50年代末探索使用玻璃纖維替代鋼筋用在混凝土構(gòu)件中，到20世紀(jì)七八十年代人們開始大量研究FRP在結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用:1972年云南用GFRP做成了1個(gè)雷達(dá)天線罩;1982年北京密云使用GFRP建造了1座公路橋，承重能力極強(qiáng)。最初FRP在土木工程中用作結(jié)構(gòu)加固，使用FRP加固后的土木工程在地震中表現(xiàn)出良好的性能，從而獲得了人們的一致認(rèn)可，開始大規(guī)模的應(yīng)用FRP，到了21世紀(jì)初，F(xiàn)RP已經(jīng)成為一種應(yīng)用廣泛的土木工程材料，我國(guó)現(xiàn)在每年都會(huì)使用大量的復(fù)合材料。

2復(fù)合材料在土木工程中的應(yīng)用

2．1使用復(fù)合材料進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)

一些工程結(jié)構(gòu)的受力性能較差，可以在構(gòu)件表面附著FRP來增強(qiáng)受力性能，我國(guó)在20世紀(jì)80年代就曾經(jīng)使用GFRP來加固混凝土結(jié)構(gòu)，不過該方法主要作用是防腐，因此沒有進(jìn)行推廣，Meier等人使用GFRP加固了瑞士Ibach橋，后來歐洲、日本、加拿大及美國(guó)等都采用FRP進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固，美國(guó)北嶺地震和日本阪神地震證明了FRP加固構(gòu)件的優(yōu)異性能，更加促進(jìn)了FRP在土木工程構(gòu)件加固補(bǔ)強(qiáng)中的應(yīng)用。FRP可以加固混凝土，主要有以下幾種方式:①使用FRP布加固混凝土，將FRP布纏繞在混凝土外來加固，混凝土受到FRP布的約束作用強(qiáng)度和變形能力增強(qiáng)，抗震能力提高，并且混凝土柱的抗剪應(yīng)力也大大提高。②將FRP片材應(yīng)用在一些梁或者板的受拉面上，使梁或板具有更強(qiáng)的承載能力，且不易彎曲，同時(shí)也可以控制一些裂縫。③使用一些FRP片材或者將其制作成U形箍包裹在一些梁或柱子構(gòu)件上，可以極大地增強(qiáng)他們的抗剪承載力。除了上述三種加固方式之外，F(xiàn)RP布還可以用來加固一些受扭和剪力墻，或者配合其他材料使用進(jìn)行加固。現(xiàn)在國(guó)際上很多人在研究用FRP片材加固構(gòu)件的設(shè)計(jì)理論，并逐漸成為一個(gè)熱門話題，近些年也有人提出了一些新的或者改進(jìn)后的加固方式，也有一些學(xué)者在研究使用FRP加固木結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)等。

2．2用FRP筋、索代替鋼筋和鋼索

將FRP制作成FRP筋或索后，比傳統(tǒng)的鋼筋和鋼索具有更加良好的性能:FRP筋的強(qiáng)度比鋼筋高5倍，但是其質(zhì)量?jī)H僅是鋼筋的1/5，并且FRP筋的抗腐蝕性和抗疲勞能力也遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于鋼筋，傳統(tǒng)鋼筋極易腐蝕，容易損害，且需要進(jìn)行長(zhǎng)期維護(hù)，F(xiàn)RP筋就很好地解決了這些弊端。因此，只要工程中不要求鐵磁性，就可以使用FRP筋或索代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼筋和鋼索。FRP筋主要有以下幾種:將FRP表面砂化，得到GFRP筋;用環(huán)氧粘連多股FRP筋制成CFRP預(yù)應(yīng)力筋;對(duì)FRP筋表面進(jìn)行壓痕或滾花處理。

2．3FRP和傳統(tǒng)材料結(jié)合

不同種類FRP之間或者FRP和鋼筋、混凝土之間可以進(jìn)行混合使用，互相取長(zhǎng)補(bǔ)短，增加性能，形成新的結(jié)構(gòu)體系就是FRP組合結(jié)構(gòu)。主要有以下幾種。

1)在FRP管中加入混凝土形成FRP－混凝土組合構(gòu)件，混凝土受到FRP管的約束，F(xiàn)RP管還兼具模版的作用加快施工進(jìn)度，且具有很強(qiáng)的持久性能。

2)將FRP包裹在空心鋼管外，再用混凝土填充鋼管和FRP，F(xiàn)RP用作模版，鋼管用來承重，F(xiàn)RP和混凝土保護(hù)鋼管，混凝土受到約束作用，承載能力大大提高。

3)在工程構(gòu)件下部使用FRP，上部使用混凝土，形成FRP－混凝土組合梁，可以更加充分地利用FRP，但是其中保證FRP和混凝土之間連接部分是關(guān)鍵部分。

4)在鋁合金管的外表面包覆FRP形成CFRP－鋁合金組合構(gòu)件，該組建可以把鋁合金和FRP的質(zhì)量小、強(qiáng)度高、耐腐蝕性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)充分發(fā)揮出來，并且也解決了FRP比較脆、連接困難和鋁合金較難進(jìn)行彈模的問題，因此具有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。

3結(jié)語

綜上所述，復(fù)合材料作為一種新型結(jié)構(gòu)材料在土木工程中經(jīng)過長(zhǎng)久發(fā)展，已經(jīng)具有非常廣泛的應(yīng)用，因此土木工程應(yīng)不斷加強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)用，充分發(fā)揮復(fù)合材料優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)土木工程平穩(wěn)快速發(fā)展。

參考文獻(xiàn):

［1］李榮，滕錦光，岳清瑞．FRP材料加固混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用的新領(lǐng)域———嵌入式(NSM)加固法［J］．工業(yè)建筑，2004(4)．

作者:姜越 單位:長(zhǎng)沙麓山國(guó)際實(shí)驗(yàn)學(xué)校