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土木工程中复合材料的应用

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摘要:

近些年土木工程随着国家的发展也不断发展壮大,土木工程中使用的复合材料也在不断的更新进步,许多新型材料被研发出来应用于土木工程项目中,复合材料(FRP)作为其中的优秀代表在土木工程中应用广泛。简要介绍了FRP的物理、化学特性,以及FRP的发展经历和在土木工程中的应用。

关键词:

复合材料;土木工程;发展;应用

1复合材料的发展历程

随着科学技术的发展,一大批新型材料被开发出来以适应社会快速发展的需要,复合材料(FRP)也顺应时代的需求而诞生。FRP的主要组成部分是芳纶、碳纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维等,这些都属于高性能的纤维和树脂,以它们作为基体进行混合,然后通过一定的加工工艺形成一系列具有独特结构的材料。FRP相对于其他材料具有优越的性能:强度高、质量小、耐腐蚀性强并且施工方便,在土木工程中获得越来越多的关注,现在经常见到FRP与混凝土、钢筋等材料结合用于土木工程中,并且土木工程正在不断研究将FRP应用在各类结构物中。20世纪五六十年代人们就开始研究在民用建筑中使用FRP,1961年英国Smethwick将GFRP应用在1座教堂的尖顶,1970年英国利物浦将GFRP作为连续梁用在1座人工天桥上。我国在20世纪50年代末探索使用玻璃纤维替代钢筋用在混凝土构件中,到20世纪七八十年代人们开始大量研究FRP在结构工程中的应用:1972年云南用GFRP做成了1个雷达天线罩;1982年北京密云使用GFRP建造了1座公路桥,承重能力极强。最初FRP在土木工程中用作结构加固,使用FRP加固后的土木工程在地震中表现出良好的性能,从而获得了人们的一致认可,开始大规模的应用FRP,到了21世纪初,FRP已经成为一种应用广泛的土木工程材料,我国现在每年都会使用大量的复合材料。

2复合材料在土木工程中的应用

2.1使用复合材料进行加固补强

一些工程结构的受力性能较差,可以在构件表面附着FRP来增强受力性能,我国在20世纪80年代就曾经使用GFRP来加固混凝土结构,不过该方法主要作用是防腐,因此没有进行推广,Meier等人使用GFRP加固了瑞士Ibach桥,后来欧洲、日本、加拿大及美国等都采用FRP进行结构加固,美国北岭地震和日本阪神地震证明了FRP加固构件的优异性能,更加促进了FRP在土木工程构件加固补强中的应用。FRP可以加固混凝土,主要有以下几种方式:①使用FRP布加固混凝土,将FRP布缠绕在混凝土外来加固,混凝土受到FRP布的约束作用强度和变形能力增强,抗震能力提高,并且混凝土柱的抗剪应力也大大提高。②将FRP片材应用在一些梁或者板的受拉面上,使梁或板具有更强的承载能力,且不易弯曲,同时也可以控制一些裂缝。③使用一些FRP片材或者将其制作成U形箍包裹在一些梁或柱子构件上,可以极大地增强他们的抗剪承载力。除了上述三种加固方式之外,FRP布还可以用来加固一些受扭和剪力墙,或者配合其他材料使用进行加固。现在国际上很多人在研究用FRP片材加固构件的设计理论,并逐渐成为一个热门话题,近些年也有人提出了一些新的或者改进后的加固方式,也有一些学者在研究使用FRP加固木结构、砌体结构和钢结构等。

2.2用FRP筋、索代替钢筋和钢索

将FRP制作成FRP筋或索后,比传统的钢筋和钢索具有更加良好的性能:FRP筋的强度比钢筋高5倍,但是其质量仅仅是钢筋的1/5,并且FRP筋的抗腐蚀性和抗疲劳能力也远远优于钢筋,传统钢筋极易腐蚀,容易损害,且需要进行长期维护,FRP筋就很好地解决了这些弊端。因此,只要工程中不要求铁磁性,就可以使用FRP筋或索代替传统的钢筋和钢索。FRP筋主要有以下几种:将FRP表面砂化,得到GFRP筋;用环氧粘连多股FRP筋制成CFRP预应力筋;对FRP筋表面进行压痕或滚花处理。

2.3FRP和传统材料结合

不同种类FRP之间或者FRP和钢筋、混凝土之间可以进行混合使用,互相取长补短,增加性能,形成新的结构体系就是FRP组合结构。主要有以下几种。

1)在FRP管中加入混凝土形成FRP-混凝土组合构件,混凝土受到FRP管的约束,FRP管还兼具模版的作用加快施工进度,且具有很强的持久性能。

2)将FRP包裹在空心钢管外,再用混凝土填充钢管和FRP,FRP用作模版,钢管用来承重,FRP和混凝土保护钢管,混凝土受到约束作用,承载能力大大提高。

3)在工程构件下部使用FRP,上部使用混凝土,形成FRP-混凝土组合梁,可以更加充分地利用FRP,但是其中保证FRP和混凝土之间连接部分是关键部分。

4)在铝合金管的外表面包覆FRP形成CFRP-铝合金组合构件,该组建可以把铝合金和FRP的质量小、强度高、耐腐蚀性强的优点充分发挥出来,并且也解决了FRP比较脆、连接困难和铝合金较难进行弹模的问题,因此具有相当广泛的应用。

3结语

综上所述,复合材料作为一种新型结构材料在土木工程中经过长久发展,已经具有非常广泛的应用,因此土木工程应不断加强复合材料的应用,充分发挥复合材料优势,促进土木工程平稳快速发展。

参考文献:

[1]李荣,滕锦光,岳清瑞.FRP材料加固混凝土结构应用的新领域———嵌入式(NSM)加固法[J].工业建筑,2004(4).

作者:姜越 单位:长沙麓山国际实验学校

土木工程中复合材料的应用责任编辑:冯紫嫣    阅读:人次