文档介绍：纤维增强复合材料(FRP)在工程结构加固中的应用
肖萍
(福建信息职业技术学院福州,350019)
摘要:介绍FRP这种新型高性能复合材料的种类、性能特点及对钢筋混凝土构件的加固方式,并介绍了FRP复合材料在土木工程不同领域的应用发展,展望了FRP复合材料在今后土木工程领域的广阔发展前景。
关键词: FRP 复合材料;材料性能;钢筋混凝土构;修复加固
随着社会科学技术的进步,土木工程结构学科的发展,在很大程度上得益于性质优异的新材料、新技术的应用和发展,而纤维增强复合材料(fiber reinforced polymer 简称FRP)以其优异的力学性能及适应现代工程结构向大跨、高耸、重载、轻质发展的需求,正被越来越广泛地应用于桥梁工程、各类民用建筑、海洋工程、地下工程中,受到结构工程界广泛关注。
1 FRP复合材料的种类
FRP复合材料是由纤维材料与基体材料按一定地比例混合,经过特别的模具挤压、拉拔而形成的高性能型材料。目前工程结构中常用的FRP主材主要有碳纤维(CGRP)、玻璃纤维(GFRP)、及芳纶纤维(AFRP),这些材料性能如表1所示,其材料形式主要有片材(纤维布和板)、棒材(筋材和索材)及型材(格栅型、工字型、蜂窝型等)。
在FRP片材中,纤维布是目前应用最为广泛的形式,它由连续的长纤维编织而成,通常是单向纤维布,使用前布浸润树脂,在采用FRP布加固时布的形状可以根据被加固结构的外形随意调整,加上它本身没有刚度,运输方便,较适用于梁与柱的抗剪、抗弯加固,柱与节点的抗震加固。但由于FRP布的厚度较薄,需多层粘贴才能满足要求,所以施工工艺较繁杂,操作较为困难。而FRP板则可以承受纤维方向上的拉和压,所以FRP板较适用于梁板柱的抗弯加固和抗剪加固。
在FRP棒材中,FRP筋是采用单向成型工艺,将单向长纤维与树脂混合为棒材;而FRP索是将连续的长纤维单向编织,再用少量树脂浸润固化或不用树脂固化而制成的索状FRP制品。FRP筋和FRP索可以在钢筋混凝土代替钢筋和预应力筋,特别是FRP筋用作预应力筋时,它的高强度、低弹性模量和抗腐蚀性对结构都十分有力。同时它们还可用于大跨度支撑结构、张拉结构和悬挑结构,且一般可节约劳动力和大量后期的维护费用。但工程造价一般高于采用钢筋的方案。
在FRP型材中,FRP格栅型材可代替钢筋网或钢筋笼,直接用作结构中作为楼面或夹心板等构件,同时FRP其他型材也可用于管道、桩基等尺寸较大或形状复杂的结构构件中。
2 FRP复合材料的基本力学性能和特点:
抗拉强度高,FRP的抗拉强度均明显高于钢筋,与高强钢丝抗拉强度差不多,一般是钢筋的两倍甚至达十倍。但FRP材料在达到抗拉强度前,几乎没有塑性变形产生,受拉时应力-应变呈线弹性上升直至脆断,因此FRP复合材料在与混凝土结构共同作用的过程中,往往不是由于FRP材料被拉断破坏,而是由于FRP-混凝土界面强度不足导致混凝土结构界面被剥离破坏,所以,FRP-混凝土界面粘结性能问题成为今后工程应用的一个重点和难点。
FRP复合材料热膨胀系数与混凝土相近,这样当环境温度发生变化时,FRP与混凝土协调工作,两者间不会产生大的温度应力。
与钢材相比,大部分FRP产品弹性模量小。约为普通钢筋的25%~75%。因此,FRP结构