FRP復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)加固工程中的應(yīng)用摘要:通過(guò)介紹FRP復(fù)合材料,因其輕質(zhì)高強(qiáng)、高彈模、耐腐蝕性能好及抗沖擊性能好等一系列優(yōu)點(diǎn),在橋梁、地鐵及一些工業(yè)廠房等混凝土結(jié)構(gòu)的加固與修復(fù)領(lǐng)域中,應(yīng)用潛力巨大。關(guān)鍵詞:FRP復(fù)合材料;材料性能;結(jié)構(gòu)加固 土木工程學(xué)科的發(fā)展,在很大程度上依賴于性能優(yōu)異的新材料新技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。在已有結(jié)構(gòu)的加固改造領(lǐng)域,不僅要求材料經(jīng)濟(jì)美觀、便于施工,且要求施工后的結(jié)構(gòu)承載力能夠明顯提高。而FPR復(fù)合材料以其優(yōu)異的力學(xué)性能和廣泛的適用性發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。 FRP(fiber reinforced plastics)復(fù)合材料主要有碳纖維(CFRP)、芳綸纖維(AFRP)及玻璃纖維(GFRP)等,其材料形式主要有片材、棒材和型材。FRP的共同優(yōu)點(diǎn)是:輕質(zhì)高強(qiáng)、高彈模、抗疲勞、耐腐蝕耐久性能好、熱膨脹系數(shù)低等。另外,FRP復(fù)合材料可以節(jié)省材料、自由裁剪、施工方便且速度快,雖然其前期投資較大,但維護(hù)成本低,經(jīng)濟(jì)效益明顯。因此,FRP(片材)復(fù)合材料在土木結(jié)構(gòu)加固工程中應(yīng)用潛力巨大。1FRP復(fù)合材料的基本特性 隨著增強(qiáng)纖維材料的發(fā)展,碳纖維、芳綸纖維及玻璃纖維已經(jīng)成為當(dāng)前結(jié)構(gòu)工程中加固補(bǔ)強(qiáng)的重要材料。一些典型的FRP(片材)復(fù)合材料的基本力學(xué)性能見(jiàn)下表。
FRP復(fù)合材料的性能各異,在拉伸強(qiáng)度及拉伸模量方面,玻璃纖維和芳綸纖維一般比碳纖維低1/3左右;在斷裂延伸率方面,芳綸纖維一般是碳纖維的2倍左右,玻璃纖維一般比碳纖維高70%左右;在韌性、抗沖擊性能方面,芳綸纖維和玻璃纖維要比碳纖維好得多;在抗堿腐蝕方面,芳綸纖維和玻璃纖維則不如碳纖維好。關(guān)于其它方面的性能差異,這里不再贅述。2FRP復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)加固工程中應(yīng)用領(lǐng)域2.1民用建筑、橋梁及工業(yè)廠房 FRP復(fù)合材料因其優(yōu)異的力學(xué)性能,在民用建筑及工業(yè)廠房的加固中應(yīng)用很多,主要有:①梁加固。加固的作用包括抗彎和抗剪。在進(jìn)行抗彎加固時(shí),FRP復(fù)合材料的纖維方向與梁的軸向一致,一般貼在梁的受拉側(cè),已提高梁的承載能力。據(jù)有關(guān)試驗(yàn)得出,只要該梁不是超筋梁,貼一層AK-60可以提高承載力30%左右,貼兩層可以提高40%左右;在進(jìn)行抗剪加固時(shí),FRP復(fù)合材料的纖維方向與梁的軸向垂直;②板加固。一般對(duì)于板的加固凈空要求比較高,而且加固后不影響其外觀,所以用厚度很薄且柔軟的FRP復(fù)合材料進(jìn)行加固是一種理想的選擇;③柱加固。芳綸纖維布、玻璃纖維布是比較理想的柱加固材料。因?yàn)樗鼈兊膹椖Ｐ?相對(duì)于碳纖維(彈模235Gpa),其延性較好;并且,在進(jìn)行棱角打磨時(shí)一般只需要10mm左右,一般不需打磨,而碳纖維則需要30mm左右,若采用芳綸纖維就可以節(jié)約很多工時(shí)。2.2地鐵、隧道 因地鐵和隧道是一種在地下工作的結(jié)構(gòu),所以它的受力與地面結(jié)構(gòu)是不一樣的。在洞頂和洞側(cè),它都有土壓力的作用,而且也有凈空的要求,所以進(jìn)行裂縫修補(bǔ)時(shí),傳統(tǒng)的加固方法不可行,而用芳綸纖維布(不導(dǎo)電)進(jìn)行加固維修就可以滿足它的各方面要求,因?yàn)樵诘罔F或隧道的拱頂或側(cè)壁的裂縫一般是多向且不規(guī)則的,這就要求修復(fù)材料必須具有良好的抗剪性能,而且還是一種不導(dǎo)電的材料,所以芳綸布在隧道地鐵工程中是一種最佳的選擇。2.3煙囪、水塔 由于煙囪水塔這樣向高空發(fā)展的結(jié)構(gòu),加固維修特別困難,傳統(tǒng)加固方法(如擴(kuò)大截面法、粘鋼法)基本上很難解決這樣的問(wèn)題,而采用輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕、耐久性能都很好的復(fù)合材料(尤其是芳綸纖維)進(jìn)行加固,就是一種很好的方法。3幾種加固方法的比較3.1擴(kuò)大截面法 這種加固方法是通過(guò)增大受力面積來(lái)提高結(jié)構(gòu)的承載力,一般用在一些較小且對(duì)凈空沒(méi)要求不高的結(jié)構(gòu)中。這種方法雖然具有成本較低的優(yōu)點(diǎn),但是增加了原結(jié)構(gòu)的自重,同時(shí)減小了凈空,工期長(zhǎng),有很大的局限性。目前,在較大的工程中很少用。3.2粘鋼法 在用鋼板加固時(shí),一般將鋼板貼在被加固的結(jié)構(gòu)受力部位的外邊緣,同時(shí)封閉粘貼部位的裂縫和缺陷,約束混凝土的變形。粘鋼法加固的特點(diǎn):①既可提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,又可提高剛度;②適應(yīng)結(jié)構(gòu)(鋼結(jié)構(gòu))又粘又鉚,適應(yīng)節(jié)點(diǎn)加固;③延伸率大,適應(yīng)沖擊、振動(dòng)結(jié)構(gòu)加固;④鋼板表面處理要求嚴(yán)格,粘結(jié)面易生銹;⑤厚鋼板端點(diǎn)處應(yīng)力集中,混凝土易剝離。 由上述可知,采用這種方法加固必須注意幾點(diǎn):①對(duì)鋼板的尺寸要求很嚴(yán)格。抗彎時(shí)宜薄點(diǎn),以保證它和原結(jié)構(gòu)的變形協(xié)調(diào);抗剪時(shí)不僅宜厚點(diǎn),而且在錨固時(shí)應(yīng)使端部鋼板延伸到應(yīng)力較小區(qū),防止應(yīng)力集中造成對(duì)結(jié)構(gòu)承載力的損害;②貼完后,必須對(duì)鋼板邊緣裂縫進(jìn)行處理;③還要對(duì)鋼板進(jìn)行防腐處理,這也是一項(xiàng)長(zhǎng)期的任務(wù)。所以其造價(jià)很高,而且它的使用范圍還有一定的局限性,一般只用在剛度要求很嚴(yán)格的地方。3.3FRP復(fù)合材料法 FRP復(fù)合材料法加固的特點(diǎn):①高強(qiáng)度、高彈模,厚度薄、重量輕;②材料可任意長(zhǎng)度,任意交叉,適應(yīng)任意曲面和任意形狀結(jié)構(gòu);③耐腐蝕,抗疲勞性能好;④施工簡(jiǎn)便,與混凝土結(jié)合密實(shí);⑤材料防潮要求嚴(yán)格,且不宜加固節(jié)點(diǎn)區(qū)域。 在目前的FRP材料加固市場(chǎng)中,碳纖維占的比例最多。碳纖維是一種導(dǎo)電、易發(fā)生脆性破壞的材料,可以承受很大的靜載,但在絕緣性要求很高的電氣化鐵路、地鐵及隧道工程中,不宜采用;同為高強(qiáng)高彈模的芳綸纖維不存在這樣的局限,能經(jīng)常承受沖擊載荷,芳綸纖維的極限破壞形式為塑性破壞,而且還是它的優(yōu)勢(shì)所在,其在抗剪方面也有很大的優(yōu)勢(shì),在加固墩子時(shí)一般也是利用它優(yōu)異的抗剪性能,但芳綸纖維在裁剪時(shí)須用專門的陶瓷剪刀。4FRP復(fù)合材料的選擇4.1環(huán)境影響 在高堿度和高潮濕度的地區(qū),宜選擇碳纖維復(fù)合材料,不宜選擇玻璃纖維復(fù)合材料;在溫度變化較大的地區(qū),玻璃纖維的熱膨脹系數(shù)與混凝土相似,宜選擇玻璃纖維;玻璃纖維和芳綸纖維是良好的絕緣體,而碳纖維是可導(dǎo)電體,為避免鋼筋的潛在電流腐蝕,碳纖維材料不應(yīng)與鋼筋直接接觸。4.2荷載影響 對(duì)于經(jīng)常承受沖擊或振動(dòng)荷載的結(jié)構(gòu),應(yīng)優(yōu)先選擇芳綸纖維和玻璃纖維復(fù)合材料,它們的韌性、抗沖擊性能都比碳纖維復(fù)合材料好;對(duì)于要求耐蠕變和疲勞的結(jié)構(gòu),應(yīng)優(yōu)先選擇碳纖維復(fù)合材料,碳纖維材料耐蠕變和疲勞的能力比芳綸纖維和玻璃纖維材料好得多。4.3保護(hù)層影響 保護(hù)層的厚度和類型應(yīng)根據(jù)FRP復(fù)合材料的要求選擇。對(duì)環(huán)境的抗力(如潮濕、溫度、沖擊、曝曬等)、施工現(xiàn)場(chǎng)抗力、人為破壞的抗力等,應(yīng)采取有效的保護(hù)措施,以免使FRP復(fù)合材料的力學(xué)性能減退。保護(hù)層通常采用兩種方法:①在FRP復(fù)合材料外加厚樹(shù)脂膠層,提供有彈性的保護(hù)層;②在FRP復(fù)合材料外粉抹一層高強(qiáng)水泥砂漿,保護(hù)FRP復(fù)合材料不受損害。5結(jié)語(yǔ) 在我國(guó),自現(xiàn)在及今后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)期,各類橋梁及房屋建筑結(jié)構(gòu)的維修、加固、改造將成為建設(shè)工程的側(cè)重點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)常用的加固方法主要有纖維布復(fù)合材料加固、粘鋼板、擴(kuò)大截面等方法,由上述分析可知,FRP復(fù)合材料加固法具有非常明顯的優(yōu)勢(shì),并且具有良好的經(jīng)濟(jì)效益,必將在結(jié)構(gòu)工程中得到廣泛的應(yīng)用。【參考文獻(xiàn)】⑴李惠強(qiáng).建筑結(jié)構(gòu)診斷鑒定與加固修復(fù)(M).武漢:華中科技大學(xué)出版社,2001.⑵侯發(fā)亮.建筑結(jié)構(gòu)粘結(jié)加固的理論與實(shí)踐(M).武漢:武漢大學(xué)出版社,2003.
FRP復(fù)合材料的性能各異,在拉伸強(qiáng)度及拉伸模量方面,玻璃纖維和芳綸纖維一般比碳纖維低1/3左右;在斷裂延伸率方面,芳綸纖維一般是碳纖維的2倍左右,玻璃纖維一般比碳纖維高70%左右;在韌性、抗沖擊性能方面,芳綸纖維和玻璃纖維要比碳纖維好得多;在抗堿腐蝕方面,芳綸纖維和玻璃纖維則不如碳纖維好。關(guān)于其它方面的性能差異,這里不再贅述。2FRP復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)加固工程中應(yīng)用領(lǐng)域2.1民用建筑、橋梁及工業(yè)廠房 FRP復(fù)合材料因其優(yōu)異的力學(xué)性能,在民用建筑及工業(yè)廠房的加固中應(yīng)用很多,主要有:①梁加固。加固的作用包括抗彎和抗剪。在進(jìn)行抗彎加固時(shí),FRP復(fù)合材料的纖維方向與梁的軸向一致,一般貼在梁的受拉側(cè),已提高梁的承載能力。據(jù)有關(guān)試驗(yàn)得出,只要該梁不是超筋梁,貼一層AK-60可以提高承載力30%左右,貼兩層可以提高40%左右;在進(jìn)行抗剪加固時(shí),FRP復(fù)合材料的纖維方向與梁的軸向垂直;②板加固。一般對(duì)于板的加固凈空要求比較高,而且加固后不影響其外觀,所以用厚度很薄且柔軟的FRP復(fù)合材料進(jìn)行加固是一種理想的選擇;③柱加固。芳綸纖維布、玻璃纖維布是比較理想的柱加固材料。因?yàn)樗鼈兊膹椖Ｐ?相對(duì)于碳纖維(彈模235Gpa),其延性較好;并且,在進(jìn)行棱角打磨時(shí)一般只需要10mm左右,一般不需打磨,而碳纖維則需要30mm左右,若采用芳綸纖維就可以節(jié)約很多工時(shí)。2.2地鐵、隧道 因地鐵和隧道是一種在地下工作的結(jié)構(gòu),所以它的受力與地面結(jié)構(gòu)是不一樣的。在洞頂和洞側(cè),它都有土壓力的作用,而且也有凈空的要求,所以進(jìn)行裂縫修補(bǔ)時(shí),傳統(tǒng)的加固方法不可行,而用芳綸纖維布(不導(dǎo)電)進(jìn)行加固維修就可以滿足它的各方面要求,因?yàn)樵诘罔F或隧道的拱頂或側(cè)壁的裂縫一般是多向且不規(guī)則的,這就要求修復(fù)材料必須具有良好的抗剪性能,而且還是一種不導(dǎo)電的材料,所以芳綸布在隧道地鐵工程中是一種最佳的選擇。2.3煙囪、水塔 由于煙囪水塔這樣向高空發(fā)展的結(jié)構(gòu),加固維修特別困難,傳統(tǒng)加固方法(如擴(kuò)大截面法、粘鋼法)基本上很難解決這樣的問(wèn)題,而采用輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕、耐久性能都很好的復(fù)合材料(尤其是芳綸纖維)進(jìn)行加固,就是一種很好的方法。3幾種加固方法的比較3.1擴(kuò)大截面法 這種加固方法是通過(guò)增大受力面積來(lái)提高結(jié)構(gòu)的承載力,一般用在一些較小且對(duì)凈空沒(méi)要求不高的結(jié)構(gòu)中。這種方法雖然具有成本較低的優(yōu)點(diǎn),但是增加了原結(jié)構(gòu)的自重,同時(shí)減小了凈空,工期長(zhǎng),有很大的局限性。目前,在較大的工程中很少用。3.2粘鋼法 在用鋼板加固時(shí),一般將鋼板貼在被加固的結(jié)構(gòu)受力部位的外邊緣,同時(shí)封閉粘貼部位的裂縫和缺陷,約束混凝土的變形。粘鋼法加固的特點(diǎn):①既可提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,又可提高剛度;②適應(yīng)結(jié)構(gòu)(鋼結(jié)構(gòu))又粘又鉚,適應(yīng)節(jié)點(diǎn)加固;③延伸率大,適應(yīng)沖擊、振動(dòng)結(jié)構(gòu)加固;④鋼板表面處理要求嚴(yán)格,粘結(jié)面易生銹;⑤厚鋼板端點(diǎn)處應(yīng)力集中,混凝土易剝離。 由上述可知,采用這種方法加固必須注意幾點(diǎn):①對(duì)鋼板的尺寸要求很嚴(yán)格。抗彎時(shí)宜薄點(diǎn),以保證它和原結(jié)構(gòu)的變形協(xié)調(diào);抗剪時(shí)不僅宜厚點(diǎn),而且在錨固時(shí)應(yīng)使端部鋼板延伸到應(yīng)力較小區(qū),防止應(yīng)力集中造成對(duì)結(jié)構(gòu)承載力的損害;②貼完后,必須對(duì)鋼板邊緣裂縫進(jìn)行處理;③還要對(duì)鋼板進(jìn)行防腐處理,這也是一項(xiàng)長(zhǎng)期的任務(wù)。所以其造價(jià)很高,而且它的使用范圍還有一定的局限性,一般只用在剛度要求很嚴(yán)格的地方。3.3FRP復(fù)合材料法 FRP復(fù)合材料法加固的特點(diǎn):①高強(qiáng)度、高彈模,厚度薄、重量輕;②材料可任意長(zhǎng)度,任意交叉,適應(yīng)任意曲面和任意形狀結(jié)構(gòu);③耐腐蝕,抗疲勞性能好;④施工簡(jiǎn)便,與混凝土結(jié)合密實(shí);⑤材料防潮要求嚴(yán)格,且不宜加固節(jié)點(diǎn)區(qū)域。 在目前的FRP材料加固市場(chǎng)中,碳纖維占的比例最多。碳纖維是一種導(dǎo)電、易發(fā)生脆性破壞的材料,可以承受很大的靜載,但在絕緣性要求很高的電氣化鐵路、地鐵及隧道工程中,不宜采用;同為高強(qiáng)高彈模的芳綸纖維不存在這樣的局限,能經(jīng)常承受沖擊載荷,芳綸纖維的極限破壞形式為塑性破壞,而且還是它的優(yōu)勢(shì)所在,其在抗剪方面也有很大的優(yōu)勢(shì),在加固墩子時(shí)一般也是利用它優(yōu)異的抗剪性能,但芳綸纖維在裁剪時(shí)須用專門的陶瓷剪刀。4FRP復(fù)合材料的選擇4.1環(huán)境影響 在高堿度和高潮濕度的地區(qū),宜選擇碳纖維復(fù)合材料,不宜選擇玻璃纖維復(fù)合材料;在溫度變化較大的地區(qū),玻璃纖維的熱膨脹系數(shù)與混凝土相似,宜選擇玻璃纖維;玻璃纖維和芳綸纖維是良好的絕緣體,而碳纖維是可導(dǎo)電體,為避免鋼筋的潛在電流腐蝕,碳纖維材料不應(yīng)與鋼筋直接接觸。4.2荷載影響 對(duì)于經(jīng)常承受沖擊或振動(dòng)荷載的結(jié)構(gòu),應(yīng)優(yōu)先選擇芳綸纖維和玻璃纖維復(fù)合材料,它們的韌性、抗沖擊性能都比碳纖維復(fù)合材料好;對(duì)于要求耐蠕變和疲勞的結(jié)構(gòu),應(yīng)優(yōu)先選擇碳纖維復(fù)合材料,碳纖維材料耐蠕變和疲勞的能力比芳綸纖維和玻璃纖維材料好得多。4.3保護(hù)層影響 保護(hù)層的厚度和類型應(yīng)根據(jù)FRP復(fù)合材料的要求選擇。對(duì)環(huán)境的抗力(如潮濕、溫度、沖擊、曝曬等)、施工現(xiàn)場(chǎng)抗力、人為破壞的抗力等,應(yīng)采取有效的保護(hù)措施,以免使FRP復(fù)合材料的力學(xué)性能減退。保護(hù)層通常采用兩種方法:①在FRP復(fù)合材料外加厚樹(shù)脂膠層,提供有彈性的保護(hù)層;②在FRP復(fù)合材料外粉抹一層高強(qiáng)水泥砂漿,保護(hù)FRP復(fù)合材料不受損害。5結(jié)語(yǔ) 在我國(guó),自現(xiàn)在及今后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)期,各類橋梁及房屋建筑結(jié)構(gòu)的維修、加固、改造將成為建設(shè)工程的側(cè)重點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)常用的加固方法主要有纖維布復(fù)合材料加固、粘鋼板、擴(kuò)大截面等方法,由上述分析可知,FRP復(fù)合材料加固法具有非常明顯的優(yōu)勢(shì),并且具有良好的經(jīng)濟(jì)效益,必將在結(jié)構(gòu)工程中得到廣泛的應(yīng)用。【參考文獻(xiàn)】⑴李惠強(qiáng).建筑結(jié)構(gòu)診斷鑒定與加固修復(fù)(M).武漢:華中科技大學(xué)出版社,2001.⑵侯發(fā)亮.建筑結(jié)構(gòu)粘結(jié)加固的理論與實(shí)踐(M).武漢:武漢大學(xué)出版社,2003.
