FRP在土木工程中的应用

复合材料在土木工程中的发展与应用复合材料在土木工程中的发展与应用冯冯鹏鹏清华大学清华大学滕锦光滕锦光香港理工大学香港理工大学20142014年年99月月2929日日第二十届全国玻璃钢/复合材料学术交流会2014年9月19-21日武汉纤维增强纤维增强复合材料复合材料--FRPFRP由高性能纤维由高性能纤维(fiber)(fiber)与基体材料与基体材料(matrix)(matrix)复合构成，复合构成，主要为主要为碳纤维（碳纤维（CFRPCFRP））、、玻璃纤维（玻璃纤维（GFRPGFRP））、芳、芳纶纶纤维（纤维（AFRPAFRP））、玄武岩纤维、以及混杂纤维等增强、玄武岩纤维、以及混杂纤维等增强的树脂基体。的树脂基体。Polymer(Resin)FiberReinforcement织物板筋、索型材主要内容主要内容1.1.发展历史发展历史2.2.主要应用形式主要应用形式3.3.代表性工程代表性工程4.4.标准规范发展标准规范发展5.5.研究现状及趋势研究现状及趋势6.6.展望展望••上世纪五十年代，因缺少钢材曾尝试用连续上世纪五十年代，因缺少钢材曾尝试用连续玻璃纤维代替钢筋玻璃纤维代替钢筋••第一阶段：七十年代第一阶段：七十年代--八十年代八十年代超大跨度桥梁超大跨度桥梁--设想与尝试设想与尝试第一座第一座FRPFRP公路桥公路桥19831983••第二阶段：八十年代末第二阶段：八十年代末--九十年代九十年代FRPFRP应用应用--探索研究与初步应用探索研究与初步应用FRPFRP加固技术的成功应用加固技术的成功应用••第三阶段：本世纪初第三阶段：本世纪初--现在现在广泛研究与推广应用广泛研究与推广应用加固补强的巨大经济效益和多种加固补强的巨大经济效益和多种FRPFRP应用形式应用形式1.1.发展历史发展历史•1982年，北京密云，公路桥，跨度20.7m，宽9.2m•GFRP蜂窝板箱梁，交通部公路院设计，常州造船厂生产•2005年，道路改造而拆除世界上第一座FRP结构公路桥1.1.发展历史发展历史only6workinghours!only6workinghours!Ibachbridge19911991年，CFRP首次用于结构加固1.1.发展历史发展历史巨龙电子办公楼巨龙电子办公楼19981998年年(RCslab,serviceloadupgrade)(RCslab,serviceloadupgrade)京沈高速匝道桥京沈高速匝道桥19991999年年(Correctingaconstructiondefect)(Correctingaconstructiondefect)1.1.发展历史发展历史CFRP表面粘接技术在国内的早期应用海洋工程大跨空间结构基础设施桥梁织物板筋、索型材加固管材大型结构1.1.发展历史发展历史我国我国20132013年土木工程结构中复合材料用量年土木工程结构中复合材料用量（保守估算）（保守估算）Carbonfibers:Carbonfibers:1,2001,200--1,5001,500吨吨Glassfibers:Glassfibers:800800吨吨Basaltfibers:Basaltfibers:8080--100100吨吨1.1.发展历史发展历史国内近年在此方面取得了丰富的研究成果国内近年在此方面取得了丰富的研究成果““纤维增强复合材料的高性能及结构性能提升关键技纤维增强复合材料的高性能及结构性能提升关键技术与应用术与应用””————20122012年国家科技进步二等奖年国家科技进步二等奖““土木工程用高性能纤维复合材料制备及应用关键技土木工程用高性能纤维复合材料制备及应用关键技术术””————20132013年国家科技进步二等奖年国家科技进步二等奖““高性能纤维增强复合材料加固混凝土结构的力学性高性能纤维增强复合材料加固混凝土结构的力学性能及设计理论能及设计理论””————20132013年国家自然科学二等奖年国家自然科学二等奖1.1.发展历史发展历史主要内容主要内容1.1.发展历史发展历史2.2.主要应用形式主要应用形式3.3.代表性工程代表性工程4.4.标准规范发展标准规范发展5.5.研究现状及趋势研究现状及趋势6.6.展望展望2.2.主要应用形式主要应用形式混凝土结构砌体结构钢结构FRP加固既有结构FRP筋混凝土结构木结构FRP结构普通筋材网格材预应力筋大型夹层结构索结构FRP组合结构拉挤型材结构功能性结构件FRP-钢-混凝土组合FRP-混凝土组合管、梁FRP-铝合金组合构件FRP-木组合构件2.2.主要应用形式主要应用形式混凝土结构砌体结构钢结构FRP加固既有结构木结构2.2.主要应用形式主要应用形式FRP筋混凝土结构普通筋材网格材预应力筋桥面结构地下结构2.2.主要应用形式主要应用形式FRP结构大型夹层结构——新型建筑、景观、防撞索结构——桥索、地锚拉挤型材结构——桥梁、工业平台功能性结构件——电塔、隔热2.2.主要应用形式主要应用形式FRP结构大型夹层结构——新型建筑、景观、防撞索结构——桥索、地锚拉挤型材结构——桥梁、工业平台功能性结构件——电塔、隔热2.2.主要应用形式主要应用形式FRP组合结构FRP-钢-混凝土组合FRP-混凝土组合管、梁FRP-铝合金组合构件FRP-木组合构件主要内容主要内容1.1.发展历史发展历史2.2.主要应用形式主要应用形式3.3.代表性工程代表性工程4.4.标准规范发展标准规范发展5.5.研究现状及趋势研究现状及趋势6.6.展望展望3.3.代表性工程代表性工程粘贴加固工程震后的应急加固，成都机场机库，在2008年汶川地震后的应急恢复中大量采用了此技术，优势显著；宝钢440吨钢吊车梁，梁高2.2m，跨度18-24m不等，接近支座附近出现疲劳裂纹，采用CFRP快速加固，在2天的工作间隙内完成，体现了其优势；天安门城楼的木柱采用CFRP加固，实现了“修旧如旧”的效果。厦门大嶝大桥火灾后加固成都机场机库震后应急加固成都机场机库震后应急加固宝钢吊车梁加固宝钢吊车梁加固天安门城楼的木柱加固天安门城楼的木柱加固3.3.代表性工程代表性工程预应力粘贴加固工程工程应用非常多，截止目前，在国内已经使用近50个桥梁加固工程；厦门大嶝大桥火灾后加固：该桥为引桥为6跨一联的连续箱梁桥，预应力水平为1500MPa，箱梁底面布置18条预应力碳纤维板；32米铁路T梁桥加固：预应力水平为1800MPa，T梁底面布置7条预应力碳纤维板。厦门大嶝大桥火灾后加固厦门大嶝大桥火灾后加固铁路铁路TT梁桥快速加固梁桥快速加固3.3.代表性工程代表性工程FRP桥梁世界上第一座公路桥世界上第一座公路桥（密云桥（密云桥,,北京北京,,手糊手糊FRPFRP箱梁，箱梁，19821982））国内第一座拉挤国内第一座拉挤FRPFRP型材型材--混凝土组合梁桥（民心河混凝土组合梁桥（民心河桥，河北人行桥，主跨桥，河北人行桥，主跨26.7m26.7m，，20102010年）年）国内第一座采用国内第一座采用FRPFRP桥板的桥板的公路梁公路梁((广大高速河北衡水广大高速河北衡水段跨线桥段跨线桥,2010),2010)FRPFRP拉挤型材桁架人行桥，拉挤型材桁架人行桥，山区快速拼装山区快速拼装((重庆市彭水重庆市彭水县太原乡山区，工厂节段预县太原乡山区，工厂节段预制，现场制，现场1212小时拼装完成，小时拼装完成，20122012年年))3.3.代表性工程代表性工程FRP工业建构筑物全全FRPFRP工业防腐平台工业防腐平台浙江浙江北京北京上海上海复材输电塔架、横担复材输电塔架、横担江苏江苏黄冈长江大桥黄冈长江大桥港珠澳大桥港珠澳大桥马鞍山长江大桥马鞍山长江大桥3.3.代表性工程代表性工程FRP桥墩防撞浮箱乌龙江大桥乌龙江大桥润扬长江大桥润扬长江大桥广州广州--深圳高速公路桥深圳高速公路桥张家港张家港巫山桥巫山桥琅岐闽江大桥琅岐闽江大桥FRPFRP包裹的混凝土污水管包裹的混凝土污水管FRPFRP复杂表面装饰板复杂表面装饰板3.3.代表性工程代表性工程FRP面板FRPFRP曲面屋盖曲面屋盖FRPFRP屋面体系用于预沉淀池屋面体系用于预沉淀池••沙田污水处理厂沙田污水处理厂,2010,2010••昂船洲污水处理厂昂船洲污水处理厂,2012,2012••小蚝湾污水处理厂小蚝湾污水处理厂,2014,2014跨度跨度6.5m,6.5m,面积面积7,600m7,600m22跨度跨度9.2m,9.2m,面积面积14,000m14,000m223.3.代表性工程代表性工程FRP面板跨度跨度5.8,5.8,面积面积22,000m22,000m22主要内容主要内容1.1.发展历史发展历史2.2.主要应用形式主要应用形式3.3.代表性工程代表性工程4.4.标准规范发展标准规范发展5.5.研究现状及趋势研究现状及趋势6.6.展望展望4.4.标准规范发展标准规范发展复合材料通用试验方法标准50多个土木工程专用复材产品标准1.GB/T21490-2008结构加固修复用碳纤维片材2.GB/T21491-2008结构加固修复用芳纶布3.GB/T26743-2011结构工程用纤维增强复合材料筋4.GB/T26744-2011结构加固修复用玻璃纤维片材5.GB/T26745-2011结构加固修复用玄武岩纤维复合材料6.GB/T29552-2013纤维增强复合材料桥板7.GB/T结构用纤维增强复合材料拉挤型材（报批中）4.4.标准规范发展标准规范发展土木工程复材结构应用技术规范1.CECS146:2003碳纤维片材加固混凝土结构技术规程（2007版）2.GB50367-2013混凝土结构加固设计规范3.GB50608-2010纤维增强复合材料建设工程应用技术规范4.JGJ/T纤维增强复合材料加固钢结构技术规程（报批中）世界上主要国家地区首部FRP规范编制时间加拿大(DesignManualNo.4)1999年2000年2001年2002年2003年英国(ConcreteSocietyTR55)美国(ACI4402R-02)欧洲(fibTG9.3-14)日本(JSCEConcreteEngrgSeries41)主要内容主要内容1.1.发展历史发展历史2.2.主要应用形式主要应用形式3.3.代表性工程代表性工程4.4.标准规范发展标准规范发展5.5.研究现状及趋势研究现状及趋势6.6.展望展望国内的相关研究机构清华大学中冶建筑研究总院东南大学香港理工大学同济大学香港科技大学郑州大学…………5.5.研究现状及趋势研究现状及趋势香港城市大学哈尔滨工业大学大连理工大学南京工业大学重庆交科院湖南大学…………研究项目2000年，中国土木工程学会FRP及工程应用专业委员会成立从1999年国家自然科学资金资助项目数不断增加5.5.研究现状及趋势研究现状及趋势20142014年达到年达到32/38532/385项项FRPFRP在混凝土结构中应用的在混凝土结构中应用的SCISCI论文增长趋势论文增长趋势5.5.研究现状及趋势研究现状及趋势国际论文中FRP+concrete为检索词的文章数超高层建筑、超大跨桥梁等重大工程结构85%以上是自重，是结构超越的瓶颈，同时巨大重量意味着结构的高负荷、高地震响应和高成本。土木工程的趋势土木工程的趋势11：重大工程结构的轻量化：重大工程结构的轻量化需要轻量化进行结构减压和超越F=maF=ma5.5.研究现状及趋势研究现状及趋势02004006008001000长沙天空之城迪拜塔深圳平安上海中心武汉绿地中心广州塔天津117广州东塔天津周大福北京中国尊台北101高度（m）工程结构中钢材的腐蚀给国民经济带来巨大损失，给我国海洋开发战略带来障碍，也使得未来基础设施的维护成本越来越高，社会运营压力越来越大。需要应用高性能结构材料合理替代钢材01020304050601980198519901995