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  • 纖維增強復合材料FRP橋梁結構中的應用形式
  • 發布時間:2019-11-15
  • 纖維增強復合材料FRP是國外于20世紀初開發的一種新型材料。目前在土木工程中應用的FRP材料主要有碳纖維增強復合材料(CFRP)、玻璃纖維增強復合材料(GFRP)、芳綸纖維增強復合材料(AFRP)以及玄武巖纖維增強復合材料(BFRP)等。

    目前以碳纖維布為代表的FRP片材已經成為一種重要的結構加固材料,在各類民用及工業建構筑物的改造加固工程中得到了廣泛的應用。

    近年來,FRP材料在新建結構中的研究和應用也已成為土木建筑領域的研究熱點。由于FRP不同于傳統建筑材料的物理和力學特性,其用于新建結構具有很大的技術優勢和發展空間,主要體現為:

    1)重量輕、強度高。密度約為14-21kN/m3,約為鋼的1/6~1/4,應用于大跨結構中時,可極大減輕結構自重。FRP材料的強度/重量比通常可達鋼材的4倍以上,使得FRP大跨結構的極限跨度比傳統結構大2~3倍。

    2)良好的耐腐蝕性,可用于港口工程、地下工程、橋梁、化工建筑等有特殊環境下要求的建構筑物。

    3)成型方便,可設計性強,可以較方便地設計成筋、索、管及其他型材。

    4)FRP為線彈性材料,在發生較大變形后還能恢復原狀,對于承受較大動載和沖擊荷載的結構較為有利。

    FRP材料還具有非磁性、絕緣(CFRP除外)、熱膨脹系數小等其他優勢,在一些特殊結構中能夠發揮其他建材難以取代的作用。

    FRP加固補強橋梁結構

    將FRP片材粘貼在混凝土構件表面,來提高和改善混凝土構件的受力性能。早在1980年,這項技術在我國的工程實踐中就曾嘗試過,但這項技術在我國的發展緩慢。上世紀80年代,瑞士聯邦實驗室的Meier等人對FRP板代替鋼板加固混凝土結構的技術進行了系統的研究,并在工程中進行了應用。1991年用CFRP板加固了瑞士的Ibach橋。FRP片材加固混凝土結構技術已經日趨成熟,逐漸成為一種應用廣泛的結構加固方法。

    FRP片材包括纖維布和FRP板。纖維布由連續的長纖維編織而成,通常為單向纖維布,使用前不浸潤樹脂,施工時用樹脂浸潤粘貼于結構表面。FRP板是則將纖維在工廠中浸潤樹脂、固化預成型,一般采用拉擠或層鋪制成,也是用樹脂將其粘貼于結構表面進行加固。

    這項應用是目前發展最為成熟的一項技術。經過10多年的發展已經形成了從纖維材料、樹脂材料以及工程應用的一系列產業。

    FRP筋混凝土及預應力混凝土橋梁

    FRP也可以制成筋材、索材和網格材,在混凝土和預應力混凝土結構中直接代替鋼筋和預應力鋼筋,通常為拉擠或拉纏工藝制成。由于它們具有輕質高強、抗腐蝕、非磁性、抗疲勞等優點,可用于強腐蝕環境、沿海、堿漬地區的工程,以及有無磁性要求的工程。近年來,FRP筋及預應力FRP筋混凝土結構成為發展超耐久性工程結構的主要趨勢。

    在北美、北歐等西方國家,由于冬季的除冰鹽對橋梁結構中鋼筋腐蝕所帶來的嚴重危害已成為困擾基礎設施工程的主要問題,FRP配筋和FRP預應力筋混凝土結構的研究和應用發展較早且較快,并且有大量的產品。但我國目前還缺少較為完善的FRP筋產品,但在一些地鐵、隧道和港口的建設中已經開始大量應用,但絕大多數為進口產品或國外知識產權的產品。

    FRP輕質橋梁

    在嘗試用FRP建造大跨度橋梁的同時,FRP制成的中小跨度的輕質橋梁在實際應用中獲得了很好的效果。FRP輕質橋的結構形式可根據實際需要進行設計和加工,其中桁架結構和梁板結構居多。因為FRP重量輕,所以運輸吊裝方便,有時可以在起重設備不便利的情況下采用人工吊裝。通常FRP輕質橋梁在工廠加工制作好,只需運輸到現場吊裝即可完工,施工速度很快。

    由于FRP可著色,可設計性強,可以制成具有豐富色彩和形式新穎的結構,形成具有獨特景觀特色的輕型橋梁。此外,FRP輕質橋梁在工業建筑、腐蝕性環境以及軍事舟橋中的應用也很多,結構形式主要以桁架為主。

    目前全世界已經建成了近100座FRP輕質橋梁,但我國國內僅有幾座試驗性質的橋梁,還沒有形成相應的產業。

    FRP橋面板

    FRP橋面體系是FRP型材在橋梁中應用的主要形式之一,它與傳統的鋼筋混凝土橋板相比有以下優勢:在工廠中加工成型,重量輕,運輸安裝方便;能夠抵抗除冰鹽、海水、空氣中氯離子的侵蝕,維護費用低;恒載小,可減少支撐結構和下部結構的荷載;為彈性結構,設計通常為撓度變形控制,偶爾超載變形可恢復;疲勞性能好。

    目前為止,全世界采用FRP結構和FRP組合結構的橋梁已超過100座;其中大約60%為老舊橋梁的翻新,材料絕大部分為GFRP。并且有幾十家FRP橋板供應商,但我國還沒有相應的產品。

    FRP組合構件

    FRP組合構件是將復合材料與傳統的建筑材料,如混凝土、鋼材等進行組合形成的新型構件形式。常見的有FRP-混凝土組合梁和FRP管混凝土。這些構件中FRP既能受力,又能作為模板,便于施工,還可以保護內部的混凝土和鋼筋,具有多重功能。

    通過合理設計和組合的FRP組合構件具有非常優越的力學性能,目前許多發達國家都在開展相應研究,并在一些工程中進行了是試點應用,取得了很好的效果。我國的相關研究也在開展,但還沒有大規模的工程應用。

    (文章來源:易柏易)





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