FRP在土木施工中的应用

FRP在土木工程中的应用研究摘要：随着土木工程技术的发展，目前FRP在土木工程领域逐渐推广开来，但这仍然是土木工程领域有待深入研究的前沿课题之一。本文通过阐述FRP的性能特点，分析FRP在土木工程中的应用领域及其应用的关键技术，并对FRP的应用前景进行展望.关键词:FRP；复合材料；土木工程；一、FRP概述(一)FRP的形成纤维增强复合材料(FRP)是用环氧树脂粘剂等基底材料将碳、玻璃、塑胶等多股连续纤维材料胶合后经过特制的模具挤压、拉拔而形成的纤维复合材料。常见的FRP主要有玻璃纤维增强塑料、碳纤维增强塑料和阿拉米德纤维增强塑料等，针对不同的纤维其化学成分不同，对应的FRP材料的力学性能也相差较大。但是这些FRP都具有许多共同的特点，这也是在土木工程领域得到应用的原因。(二)FRP的主要特点（1）抗拉强度高。与钢筋的抗拉强度相比，FRP的抗拉强度要高出很多，与高强钢丝差不多，而且在达到抗拉强度之前，几乎不产生塑性变形，其高强的抗拉能力可以直接提高结构构件的抗弯和抗剪能力。（2）抗腐蚀性和耐久性好。与钢材相比，FRP的抗腐蚀性和耐久性很好，可提高结构使用寿命，特别是在受腐蚀性较大的环境中应用效果更为明显。（3）自重轻，施工方便。FRP的密度仅为钢材的四分之一左右，因此，应用FRP可以为建筑结构施工提供方便，同时降低劳动力费用。尤其是用于旧有结构的维修加固时效果更为显著。（4）热膨胀系数与混凝土相近。将这种材料加入混凝土内，由于其热膨胀系数与混凝土相近，当环境温度发生变化时，FRP能与混凝土协同工作，两者之间不会产生较大的温度应力，这样不仅能大大提高混凝土构件的承载力，还能改善混凝土结构的抗冲击和耐疲劳性能,（5）抗剪强度低。FRP的抗剪强度很低，不到其抗拉强度的10%，所以在用FRP作预应力筋以及进行FRP的材性试验时，需专门研制相应的锚、夹具。（6）材料比较昂贵。由于FRP的生产过程比较复杂，一般需采用专门的长线挤压台座及拉拔工具，还有复杂的制作工艺，所以其费用比较高，这也是目前一些工程还未采用FRP的主要原因。二、FRP在土木工程中应用的几个特殊领域(一)FRP在复杂环境下部结构中的应用针对由于复杂环境而影响下部结构的性能及耐久性的问题，FRP具有解决这些问题优势，可以在现有结构基础上增加FRP材料的层数或者用GFRP加强筋替换某些钢筋，可以极大地改进原始结构的结构性能。(二)FRP加强筋FRP可以作为加强筋替代普通钢筋，有效的解决钢筋容易锈蚀的问题，另外，FRP很轻，没有磁性并且拥有非常好的抗疲劳性。(三)FRP混凝土组合结构由于FRP价格较贵，考虑到经济因素再加上受钢-混凝土组合结构应用的启发，混凝土和FRP组合成为有潜力的可行研究方案。当前关于这个方案的研究重点在用FRP外包混凝土上，类似钢管混凝土。利用这种思想研制的FRP-混凝土组合结构很好利用了FRP和混凝土的最好性能，这种组合结构的强度及刚度高，重量轻，而且价格低，这种组合将大大降低FRP在推广应用中建筑造价，有利于FRP的广泛推广。(四)全FRP复合材料大型结构由于FRP没有磁性、抗腐蚀性和耐久性好及其多功能性、制造性，可以在一些功能要求抗腐蚀或磁电屏蔽的特殊大型建筑结构应用这种独特的复合材料，可用于电磁试验操作的建筑结构或者是感光电路金属板房间，可以发挥很大作用。(五)FRP桥面板在实际工程中，桥梁结构往往由于受到水的侵蚀而导致性能劣化、抗力衰减，而FRP因有很好的抗腐蚀性能可以很好的解决这个问题。可以用在工厂预制好的FRP桥面板直接替换那些结构性能不好桥面板，现场安装方便又节省时间。而且在多地震地区，FRP桥面板因其重量轻，在地震过程中会减小惯性力的作用，进而用这种材料的桥面板可以大大减少地震带来的破坏。由于FRP桥面板比传统桥面板有太多的优势，人们逐渐大力度地开发研制这种高性能、轻质和造价经济的FRP桥面板。三、FRP在土木工程中应用的关键技术(一)关键的材料技术（1）高性能FRP复合材料改性技术研究。尽管FRP复合材料具有高强、轻质、耐久、耐疲劳等诸多优点，但是不同种类的FRP复合材料都具有各自的缺陷，比如与钢材相比，其韧性差，破断延伸率较低，破坏时没有屈服台阶，而土木结构对材料韧性的要求较高，尽管CFRP和AFRP的强度高，但韧性差，而GFRP能满足韧性要求，但模量和强度低。这就降低了FRP在土木工程中的应用效果。因此，要通过关键的材料改性技术对具有不同优点的纤维材料进行复合改性，使其具有多种高性能，同时又能降低成本、具有良好的环境亲和性，提高FRP在土木工程领域的应用范围，为复合材料领域创造发展机遇。（2）高性能FRP复合材料关键配套材料和设备的研究开发。因为FRP复合材料具有很多种类，其相应的生产工艺、应用环境及应用方法也就多种多样。因此，不仅要解决FRP复合材料的改性技术，还必须要解决其配套的关键材料与设备技术问题，主要是特种粘贴树脂基体结构设计及材料合成技术及高性能FRP复合材料筋/索锚具及预应力张拉设备的研制，只有这些方面都得到改进，才能最大限度地提高FRP的应用。(二)关键的设计技术（1）设计参数的选择。随着对复合材料研究的深入，传统力学问题已经不适用于复合材料结构构件的分析研究，其各方面的研究比较复杂，随之产生了新的工程力学分支—复合材料力学，它可以研究复合材料可能出现的弯拉藕合、弯翘藕合及拉剪藕合等复杂问题。因此，在设计FRP复合材料时也很复杂，其结构设计需要很多与复合材料力学相关的参数及其他几何、数学参数，比如加强筋的材料类型、基质的材料类型、板的厚度薄层板的数量，各薄层板中纤维方向等，要必须认真选择这些设计参数，不同的设计参数组合可能会导致结构力学性能出现很大差别.（2）快速有效的优化设计。考虑到FRP复合材料结构造价昂贵，所以设计时尽量降低结构自重，减少材料的用量，这就要求在设计过程中必须考虑优化设计。而复合材料结构设计的变量很多，优化搜寻次数较多，特别是当几何尺寸变量发生变化时，有限元模型(几何形状，网格划分)必须重新建立，这就使得优化设计过程繁琐复杂。因此，要尽量做到快速有效地进行FRP复合材料设计的优化，可以在详细设计前，先进行初步设计，并且采用简化方法进行分析，这样可以避开复杂的有限元计算，从而，可以得到与优化设计相接近的初步设计方案，之后就可以减少详细设计中优化搜寻的次数，大大减轻详细设计的工作量和难度。四、FRP应用展望随着世界各国对土木工程的发展越来越重视，要求越来越高，FRP复合材料因其具有轻质、高强、耐腐蚀、抗疲劳、耐久性好、可设计及易加工等多种优点，在重要的土木工程领域，如超大跨度结构、超高层建筑、地下结构、海洋工程以及特殊环境工程、永久性工程、结构加固修复等方面都有着巨大的优越性，并且它可以满足现代土木工程对新型建筑材料提出更新、更高的要求，是一种新型的具有发展潜力的建筑材料与技术，但是它并不是要取代钢材、混凝土等传统建筑材料，而是它们的一个重要补充，可以弥补传统材料所达不到的性能要求。在当今世界上，FRP复合材料在土木工程中的应用技术与材料研究开发已成为复合材料界与土木工程界都重点关注的焦点。该技术的成功研发将会极大地推动现代土木工程的技术进步，还将为现代复合材料产业开辟出巨大的应用市场，因而具有非常广阔的发展应用前景。参考文献：[1]朱健,童谷生,万军.浅谈FRP在土木工程中的应用研究[J]山西建筑,2006,02[2]王全凤,杨勇新,岳清瑞.FRP复合材料及其在土木工程中的应用研究[J]华侨大学学报(自然科学版)2005,01[3]岳清瑞.纤维增强塑料(FRP)在土木工程结构中的应用技术的进展清华大学出版社,2002年