FRP復合材料在結構加固工程中的應用摘要:通過介紹FRP復合材料,因其輕質高強、高彈模、耐腐蝕性能好及抗沖擊性能好等一系列優點,在橋梁、地鐵及一些工業廠房等混凝土結構的加固與修復領域中,應用潛力巨大。關鍵詞:FRP復合材料;材料性能;結構加固 土木工程學科的發展,在很大程度上依賴于性能優異的新材料新技術的應用和發展。在已有結構的加固改造領域,不僅要求材料經濟美觀、便于施工,且要求施工后的結構承載力能夠明顯提高。而FPR復合材料以其優異的力學性能和廣泛的適用性發揮著越來越重要的作用。 FRP(fiber reinforced plastics)復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的共同優點是:輕質高強、高彈模、抗疲勞、耐腐蝕耐久性能好、熱膨脹系數低等。另外,FRP復合材料可以節省材料、自由裁剪、施工方便且速度快,雖然其前期投資較大,但維護成本低,經濟效益明顯。因此,FRP(片材)復合材料在土木結構加固工程中應用潛力巨大。1FRP復合材料的基本特性 隨著增強纖維材料的發展,碳纖維、芳綸纖維及玻璃纖維已經成為當前結構工程中加固補強的重要材料。一些典型的FRP(片材)復合材料的基本力學性能見下表。
FRP復合材料的性能各異,在拉伸強度及拉伸模量方面,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。關于其它方面的性能差異,這里不再贅述。2FRP復合材料在結構加固工程中應用領域2.1民用建筑、橋梁及工業廠房 FRP復合材料因其優異的力學性能,在民用建筑及工業廠房的加固中應用很多,主要有:①梁加固。加固的作用包括抗彎和抗剪。在進行抗彎加固時,FRP復合材料的纖維方向與梁的軸向一致,一般貼在梁的受拉側,已提高梁的承載能力。據有關試驗得出,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;在進行抗剪加固時,FRP復合材料的纖維方向與梁的軸向垂直;②板加固。一般對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復合材料進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。因為它們的彈模小,相對于碳纖維(彈模235Gpa),其延性較好;并且,在進行棱角打磨時一般只需要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約很多工時。2.2地鐵、隧道 因地鐵和隧道是一種在地下工作的結構,所以它的受力與地面結構是不一樣的。在洞頂和洞側,它都有土壓力的作用,而且也有凈空的要求,所以進行裂縫修補時,傳統的加固方法不可行,而用芳綸纖維布(不導電)進行加固維修就可以滿足它的各方面要求,因為在地鐵或隧道的拱頂或側壁的裂縫一般是多向且不規則的,這就要求修復材料必須具有良好的抗剪性能,而且還是一種不導電的材料,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展的結構,加固維修特別困難,傳統加固方法(如擴大截面法、粘鋼法)基本上很難解決這樣的問題,而采用輕質高強、耐腐蝕、耐久性能都很好的復合材料(尤其是芳綸纖維)進行加固,就是一種很好的方法。3幾種加固方法的比較3.1擴大截面法 這種加固方法是通過增大受力面積來提高結構的承載力,一般用在一些較小且對凈空沒要求不高的結構中。這種方法雖然具有成本較低的優點,但是增加了原結構的自重,同時減小了凈空,工期長,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,一般將鋼板貼在被加固的結構受力部位的外邊緣,同時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:①既可提高結構強度,又可提高剛度;②適應結構(鋼結構)又粘又鉚,適應節點加固;③延伸率大,適應沖擊、振動結構加固;④鋼板表面處理要求嚴格,粘結面易生銹;⑤厚鋼板端點處應力集中,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:①對鋼板的尺寸要求很嚴格?？箯潟r宜薄點,以保證它和原結構的變形協調;抗剪時不僅宜厚點,而且在錨固時應使端部鋼板延伸到應力較小區,防止應力集中造成對結構承載力的損害;②貼完后,必須對鋼板邊緣裂縫進行處理;③還要對鋼板進行防腐處理,這也是一項長期的任務。所以其造價很高,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格的地方。3.3FRP復合材料法 FRP復合材料法加固的特點:①高強度、高彈模,厚度薄、重量輕;②材料可任意長度,任意交叉,適應任意曲面和任意形狀結構;③耐腐蝕,抗疲勞性能好;④施工簡便,與混凝土結合密實;⑤材料防潮要求嚴格,且不宜加固節點區域。 在目前的FRP材料加固市場中,碳纖維占的比例最多。碳纖維是一種導電、易發生脆性破壞的材料,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;同為高強高彈模的芳綸纖維不存在這樣的局限,能經常承受沖擊載荷,芳綸纖維的極限破壞形式為塑性破壞,而且還是它的優勢所在,其在抗剪方面也有很大的優勢,在加固墩子時一般也是利用它優異的抗剪性能,但芳綸纖維在裁剪時須用專門的陶瓷剪刀。4FRP復合材料的選擇4.1環境影響 在高堿度和高潮濕度的地區,宜選擇碳纖維復合材料,不宜選擇玻璃纖維復合材料;在溫度變化較大的地區,玻璃纖維的熱膨脹系數與混凝土相似,宜選擇玻璃纖維;玻璃纖維和芳綸纖維是良好的絕緣體,而碳纖維是可導電體,為避免鋼筋的潛在電流腐蝕,碳纖維材料不應與鋼筋直接接觸。4.2荷載影響 對于經常承受沖擊或振動荷載的結構,應優先選擇芳綸纖維和玻璃纖維復合材料,它們的韌性、抗沖擊性能都比碳纖維復合材料好;對于要求耐蠕變和疲勞的結構,應優先選擇碳纖維復合材料,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保護層影響 保護層的厚度和類型應根據FRP復合材料的要求選擇。對環境的抗力(如潮濕、溫度、沖擊、曝曬等)、施工現場抗力、人為破壞的抗力等,應采取有效的保護措施,以免使FRP復合材料的力學性能減退。保護層通常采用兩種方法:①在FRP復合材料外加厚樹脂膠層,提供有彈性的保護層;②在FRP復合材料外粉抹一層高強水泥砂漿,保護FRP復合材料不受損害。5結語 在我國,自現在及今后相當長的一段時期,各類橋梁及房屋建筑結構的維修、加固、改造將成為建設工程的側重點。目前國內常用的加固方法主要有纖維布復合材料加固、粘鋼板、擴大截面等方法,由上述分析可知,FRP復合材料加固法具有非常明顯的優勢,并且具有良好的經濟效益,必將在結構工程中得到廣泛的應用?！緟⒖嘉墨I】⑴李惠強.建筑結構診斷鑒定與加固修復(M).武漢:華中科技大學出版社,2001.⑵侯發亮.建筑結構粘結加固的理論與實踐(M).武漢:武漢大學出版社,2003.
FRP復合材料的性能各異,在拉伸強度及拉伸模量方面,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。關于其它方面的性能差異,這里不再贅述。2FRP復合材料在結構加固工程中應用領域2.1民用建筑、橋梁及工業廠房 FRP復合材料因其優異的力學性能,在民用建筑及工業廠房的加固中應用很多,主要有:①梁加固。加固的作用包括抗彎和抗剪。在進行抗彎加固時,FRP復合材料的纖維方向與梁的軸向一致,一般貼在梁的受拉側,已提高梁的承載能力。據有關試驗得出,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;在進行抗剪加固時,FRP復合材料的纖維方向與梁的軸向垂直;②板加固。一般對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復合材料進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。因為它們的彈模小,相對于碳纖維(彈模235Gpa),其延性較好;并且,在進行棱角打磨時一般只需要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約很多工時。2.2地鐵、隧道 因地鐵和隧道是一種在地下工作的結構,所以它的受力與地面結構是不一樣的。在洞頂和洞側,它都有土壓力的作用,而且也有凈空的要求,所以進行裂縫修補時,傳統的加固方法不可行,而用芳綸纖維布(不導電)進行加固維修就可以滿足它的各方面要求,因為在地鐵或隧道的拱頂或側壁的裂縫一般是多向且不規則的,這就要求修復材料必須具有良好的抗剪性能,而且還是一種不導電的材料,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展的結構,加固維修特別困難,傳統加固方法(如擴大截面法、粘鋼法)基本上很難解決這樣的問題,而采用輕質高強、耐腐蝕、耐久性能都很好的復合材料(尤其是芳綸纖維)進行加固,就是一種很好的方法。3幾種加固方法的比較3.1擴大截面法 這種加固方法是通過增大受力面積來提高結構的承載力,一般用在一些較小且對凈空沒要求不高的結構中。這種方法雖然具有成本較低的優點,但是增加了原結構的自重,同時減小了凈空,工期長,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,一般將鋼板貼在被加固的結構受力部位的外邊緣,同時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:①既可提高結構強度,又可提高剛度;②適應結構(鋼結構)又粘又鉚,適應節點加固;③延伸率大,適應沖擊、振動結構加固;④鋼板表面處理要求嚴格,粘結面易生銹;⑤厚鋼板端點處應力集中,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:①對鋼板的尺寸要求很嚴格?？箯潟r宜薄點,以保證它和原結構的變形協調;抗剪時不僅宜厚點,而且在錨固時應使端部鋼板延伸到應力較小區,防止應力集中造成對結構承載力的損害;②貼完后,必須對鋼板邊緣裂縫進行處理;③還要對鋼板進行防腐處理,這也是一項長期的任務。所以其造價很高,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格的地方。3.3FRP復合材料法 FRP復合材料法加固的特點:①高強度、高彈模,厚度薄、重量輕;②材料可任意長度,任意交叉,適應任意曲面和任意形狀結構;③耐腐蝕,抗疲勞性能好;④施工簡便,與混凝土結合密實;⑤材料防潮要求嚴格,且不宜加固節點區域。 在目前的FRP材料加固市場中,碳纖維占的比例最多。碳纖維是一種導電、易發生脆性破壞的材料,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;同為高強高彈模的芳綸纖維不存在這樣的局限,能經常承受沖擊載荷,芳綸纖維的極限破壞形式為塑性破壞,而且還是它的優勢所在,其在抗剪方面也有很大的優勢,在加固墩子時一般也是利用它優異的抗剪性能,但芳綸纖維在裁剪時須用專門的陶瓷剪刀。4FRP復合材料的選擇4.1環境影響 在高堿度和高潮濕度的地區,宜選擇碳纖維復合材料,不宜選擇玻璃纖維復合材料;在溫度變化較大的地區,玻璃纖維的熱膨脹系數與混凝土相似,宜選擇玻璃纖維;玻璃纖維和芳綸纖維是良好的絕緣體,而碳纖維是可導電體,為避免鋼筋的潛在電流腐蝕,碳纖維材料不應與鋼筋直接接觸。4.2荷載影響 對于經常承受沖擊或振動荷載的結構,應優先選擇芳綸纖維和玻璃纖維復合材料,它們的韌性、抗沖擊性能都比碳纖維復合材料好;對于要求耐蠕變和疲勞的結構,應優先選擇碳纖維復合材料,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保護層影響 保護層的厚度和類型應根據FRP復合材料的要求選擇。對環境的抗力(如潮濕、溫度、沖擊、曝曬等)、施工現場抗力、人為破壞的抗力等,應采取有效的保護措施,以免使FRP復合材料的力學性能減退。保護層通常采用兩種方法:①在FRP復合材料外加厚樹脂膠層,提供有彈性的保護層;②在FRP復合材料外粉抹一層高強水泥砂漿,保護FRP復合材料不受損害。5結語 在我國,自現在及今后相當長的一段時期,各類橋梁及房屋建筑結構的維修、加固、改造將成為建設工程的側重點。目前國內常用的加固方法主要有纖維布復合材料加固、粘鋼板、擴大截面等方法,由上述分析可知,FRP復合材料加固法具有非常明顯的優勢,并且具有良好的經濟效益,必將在結構工程中得到廣泛的應用?！緟⒖嘉墨I】⑴李惠強.建筑結構診斷鑒定與加固修復(M).武漢:華中科技大學出版社,2001.⑵侯發亮.建筑結構粘結加固的理論與實踐(M).武漢:武漢大學出版社,2003.