1、毕业设计（论文）图书分类号：密 级：毕 业 设 计 (论 文 )FRP 在工程结构中的应用与发展Applications and development of fiber-reinforced polymer in engineering structuresFRP 在土木工程中的应用与发展摘要FRP ( 纤维增强复合材料) 近年来在混凝土结构加固中得到广泛的应用, 并作为一种新型高性能结构材料受到结构工程界的广泛关注, 国内外有关研究和工程单位开展了大量的研究和实践应用。本文介绍了结构工程中常用的FRP 材料性能和形式, 分析了其优点与不足, 并介绍了FRP 加固结构、FRP 配筋和预应力F
2、RP 筋混凝土结构、FRP 结构与FRP 组合结构以及FRP 在桥梁结构、大跨空间结构和智能结构中的应用与发展, 以期促进我国土建结构工程中对这一毕业设计（论文）新型高性能材料应用和研究工作的开展。关键词 纤维增强复合材料; 混凝土; 结构加固; 组合结构;大跨结构; 智能结构Applications and development of fiber-reinforced polymer in civil engineeringAbstractIn recent years, FRP ( fiber-reinforced polymer/plastic) has been widely uti
3、lized for strengthening concrete structures due to its high tensile property. FRP has attracted much attention by the civil and construction industry since it is considered as a new type of high performance structural material. Many research works and actual applications of FRP to civil structures w
4、ere carried out by both domestic and international organizations. In this paper, an introduction is given on the properties and different forms of FRP frequently used for structural applications, including the statements on the advantages and drawbacks of the material. Moreover, a brief review is gi
5、ven on the application and future development of FRP used for strengthening structures, FRP reinforcements and prestressed tendons for concrete structures, FRP composite structures and other FRP structures, such as bridges,large-span structures and intelligent structures. This paper is mainly aimed
6、at promoting future research and application of FRP for civil structures in China.Keywords fiber-reinforced polymer/plastic; concrete; structural strengthening; composite structures; large-span structure; intelligent structure1概述纤维增强复合材料( fiber reinforced polymer/plastic, 简称FRP) 是由毕业设计（论文）纤维材料与基体材料按
7、一定比例混合并经过一定工艺复合形成的高性能新型材料。这种材料从20 世纪40 年代问世以来, 在航空、航天、船舶、汽车、化工、医学和机械等领域得到广泛的应用。近年来, FRP 以其高强、轻质、耐腐蚀等优点, 开始在土木与建筑工程结构中得到应用, 并受到工程界的广泛关注。复合材料由增强材料和基体构成, 根据复合材料中增强材料的形状, 可分为颗粒复合材料、层合复合材料和纤维增强复合材料等。FRP 只是复合材料中的一种。常用的FRP 的基体为树脂、金属、碳素、陶瓷等, 纤维种类有玻璃纤维、硼纤维、碳纤维、芳纶纤维、陶瓷纤维、玄武岩纤维、聚烯烃纤维、PBO( 聚对亚苯基苯并双口恶唑) 纤维以及金属纤维
8、等。目前工程结构中常用的FRP 主要为碳纤维( carbon fiber) 、玻璃纤维( glass fiber) 和芳纶纤维( aramid fiber) 增强的树脂基体, 分别简称为GFRP、CFRP和AFRP。FRP 作为结构材料出现于1942 年, 美国军方用手糊的GFRP 制作雷达天线罩。20 世纪5060 年代 FRP 才开始用于民用建筑中。1961 年, 英国Smethwick 的一座教堂的尖顶采用了GFRP ; 1968年, 英国的工程师用GFRP 板和铝质骨架在利比亚港口城市班加西设计并建造了一个穹顶, 防止空气中氯盐对结构的侵蚀; 同年, 英国Wollaston 又建成了一
9、座全GFRP 折板结构的仓库; 1970 年, 英国Liverpool 建成了一座GFRP 连续梁的人行天桥, 跨径10 m, 宽1.5 m。它们分别为文献记载中较早将FRP 应用于建筑和桥梁结构中的实例, 这些FRP 结构都是手糊工艺制成。我国于1958 年就开始探索在混凝土构件中用玻璃纤维束代替钢筋。到20 世纪7080 年代FRP 在结构工程中的应用与研究逐渐增多。1972 年在云南建造了一个直径为44 m 的球形GFRP 雷达天线罩;1982 年在北京密云建成一座跨径20.7 m 的GFRP 蜂窝箱梁公路桥, 设计荷载等级为汽- 15、挂- 80, 并进行了现场荷载试验, 该桥为世界上
10、第一座FRP 公路桥。此后, FRP, 尤其是价格比较便宜的GFRP( 俗称玻璃钢) , 在工程结构中的应用越来越多。但这些应用大多数都是附属性、临时性的构件, FRP 材料的优越性能没有得到充分发挥, 即使用FRP 作为结构材料也多是尝试性的, 没有形成规模。同时, 多数的结构工程师不了解FRP 材料, 也大大限制了它的应用和推广。近十年来, 尤其在美国北岭地震和日本阪神大地震后, FRP 材料( 主要是片材) 加固补强混凝土结构技术在工程中得到了很好的应用。随着这项技术在世界各地的推广和发展, FRP 材料的轻质高强、耐腐蚀、施工性能好等优越性能被工程界逐渐认可, 开始以各种形式应用于各类
11、土木与建筑结构工程中。目前, FRP 材料在工程结构中的应用和研究十分活跃,已逐渐形成一个新的学科研究热点。本文对FRP 材料在土木与建筑结构工程中应用与研究情况进行介绍, 并探讨今后可能的发展趋势, 以期促进FRP 材料在我国结构工程领域应用和研究工作的开展。2 FRP 材料的特点FRP 材料的性能与传统结构材料有很大差别, 了解和掌握FRP 材料的优缺点, 才能在工程结构应用中充分发挥它的优势, 避免其不足。2.1 FRP 优点毕业设计（论文）2.1.1 有很高的比强度即通常所说的轻质高强,因此采用FRP 材料可减轻结构自重。在桥梁工程中,使用FRP 结构或FRP 组合结构作为上部结构可使
12、桥梁的极限跨度大大增加。理论上, 用传统结构材料桥梁的极限跨度在5000 m 以内, 而上部结构使用FRP结构可达8000 m 以上, 有学者已经对主跨长达5000 m的FRP 悬索桥进行了方案设计和结构分析。在建筑工程中, 采用FRP 材料的大跨空间结构体系的理论极限跨度要比传统材料结构大23 倍, 因此,FRP 结构和FRP 组合结构是获得超大跨度的重要途径。本文作者提出的“ FRP 编织网大跨结构体系”就是一种利用其轻质高强性能的新型结构形式。在抗震结构中, FRP 材料的应用可以减轻结构自重, 减小地震作用。另外, FRP 材料的应用也能使结构的耐疲劳性能显著提高。2.1.2 有良好耐
13、腐蚀性FRP 可以在酸、碱、氯盐和潮湿的环境中长期使用, 这是传统结构材料难以比拟的。在美国每年因钢材腐蚀造成的工程结构损失高达700 亿美元, 近1/6 的桥梁因钢筋锈蚀而严重损坏; 加拿大用于修复因老化损坏的工程结构的费用达490 亿加元; 我国目前因钢材锈蚀而造成的损失也在逐年增加。而在化工建筑、盐渍地区的地下工程、海洋工程和水下工程中, FRP 材料耐腐蚀的优点已经得到实际工程的证明。一些发达国家已经开始在寒冷地区和近海地区的桥梁、建筑中较大规模地采用FRP结构或FRP 配筋混凝土结构以抵抗除冰盐和空气中盐分的腐蚀, 极大地降低了结构的维护费用, 延长了结构的使用寿命。2.1.3 具有
14、很好的可设计性FRP 属于人工材料,可以通过使用不同的纤维材料、纤维含量和铺陈方向设计出各种强度指标、弹性模量以及特殊性能要求的FRP 产品。而且FRP 产品成型方便, 形状可灵活设计。2.1.4 具有很好的弹性性能应力应变曲线接近线弹性, 在发生较大变形后还能恢复原状, 塑性变形小, 有利于结构偶然超载后的变形恢复。2.1.5 FRP 产品便捷适合于在工厂生产、运送到工地、现场安装的工业化施工过程, 有利于保证工程质量、提高劳动效率和建筑工业化。2.1.6 其它优势包括透电磁波、绝缘、隔热、热胀系数小等, 使得FRP 在一些特殊场合能够发挥难以取代的作用, 如雷达设施、地磁观测站、医疗核磁共
15、振设备结构。2.2 FRP 缺点与之对策2.2.1 FRP 的各向异性与传统结构材料不同, FRP 制品通常为各向异性, 沿纤维方向的强度和弹性模量较高, 而垂直纤维方向的强度和弹性模量很低。由于FRP 的各向异性,在受力性能上还有许多不同于传统结构材料的现象,如拉伸翘曲现象, 这些都会增加FRP 结构的分析与设计难度。2.2.2 FRP与钢材相比与钢材相比,大部分FRP 产品的弹性模量较低,大致与混凝土和木材在同一数量级。因此, FRP 结构的设计通常由变形控制。可通过设计FRP 构件的截面、合理地与混凝土等材料组合以及采用预应力等方法控制结构的变形, 补偿刚度毕业设计（论文）的不足。FRP
16、 材料的剪切强度、层间拉伸强度和层间剪切强度仅为其抗拉强度的5%20%, 而金属的剪切强度约为其拉伸强度的50%。这使得FRP 构件的连接成为突出的问题。FRP 结构可采用铆接、栓接和粘接,但不管哪种连接方式, 连接部位往往都容易成为整个构件的薄弱环节。因此在FRP 结构设计中, 一方面要尽量减少连接, 另一方面要重视连接的设计。2.2.3 FRP与混凝土相比较与混凝土相比较,一般的FRP 材料的防火性能较差, 主要是由于多数树脂在高温下会软化, 在树脂达到软化温度时( 通常为70左右) 力学性能会大大降低, 达到玻璃化温度( 通常为300左右) 时性态就会发生转变。但在FRP 的树脂材料中可
17、掺入阻燃剂, 提高其抗火性能。目前掺入阻燃剂的环氧树脂复合成的CFRP, 表面再进行防火处理, 其效果已经可以与混凝土结构相媲美了。一些研究已经表明FRP 材料本身的抗疲劳性能优于传统结构材料。但值得重视的是, 初始缺陷和工作环境对FRP 材料抗疲劳性能的影响非常显著。因此实际工程中的FRP 结构整体的抗疲劳性能还需要进行深入的研究。2.2.4 FRP 材料的长期性能和耐久性FRP 材料的长期性能和耐久性是很多工程师和使用者所十分关心的问题。目前许多FRP 产品供应商都通过快速老化试验来证明其产品的寿命在35年以上, 甚至达到70 年。但是FRP 材料诞生也不过60 多年, 应用于土木工程中也
18、仅40 余年。还应注意的是, 耐久性不仅仅是材料老化, 还包括温度和湿度变化的影响、FRP 的蠕变和应力松弛以及GFRP 与混凝土碱性反应等问题, 而且在实际环境下这些因素是共同作用、相互影响的。文献的调研以及我国的应用实例中, 有FRP 结构因耐久性而失效的例子,也有应用20 年以上的工程实例。因此对FRP 结构的耐久性还需要进行更为深入和广泛的研究。经济性也是所有工程师和使用者都很关心的问题。2.2.5 FRP的价格仅从材料价格上看, FRP 结构和FRP 组合结构与钢筋混凝土结构相比没有竞争力, 但由于自重轻,并考虑到FRP 材料耐腐蚀所带来的低廉的维护费用,采用FRP 材料的综合经济效
19、益是值得重视的。1986年建成的重庆交院桥, 采用GFRP 箱梁, 建造成本比钢桥省了50% 。以美国的短跨桥梁为例, FRP 结构的日常维护费用仅为钢筋混凝土结构的1/5, 改造维修费用仅为钢筋混凝土结构的1/2。另外, 由于FRP 目前在工程结构中还处于初期应用阶段, 初期费用是偏高的, 随着应用量增大, FRP 产品生产规模扩大, 其成本势必大大降低。以我国CFRP 布加固混凝土结构为例, 其价格从初期2000 元/m2 降低到目前500 元/m2 左右, 就是一个很好的例证。3工程结构加固补强将FRP 片材粘贴在构件表面受拉, 可以增强构件的受力性能。早在20 世纪80 年代, 这项技
20、术在我国的工程实践中就曾尝试过: 云南海孟公路巍山河桥的加固中采用了外贴GFRP 内夹高强钢丝的方法, 此后在湖南溆浦大江口桥、上海宝山飞云桥、广东官汕线郭屋楼桥、韶关地区风村桥以及南京长江大桥引桥等处, 都采用环氧树脂粘贴玻璃布进行了加固,4 FRP 筋和预应力FRP 筋混凝土结构毕业设计（论文）FRP 筋中纤维体积含量可达到60%, 具有轻质高强的优点, 重量约为普通钢筋的1/5, 强度为普通钢筋的6 倍, 且具有抗腐蚀、低松弛、非磁性、抗疲劳等优点。目前用FRP 筋代替钢筋可利用其良好的耐腐蚀性, 避免锈蚀对结构所带来的损害, 减少结构维护费用; 还较多地应用于有无铁磁性要求的特殊工程中
21、; 在桥梁工程中, FRP 索还可用作悬索桥的吊索及斜拉桥的斜拉索, 以及预应力混凝土桥中的预应力筋。作为混凝土构件中配筋的FRP 筋要通过表面砂化、压痕、滚花或编织等工艺增强其与混凝土间的粘接力; 用作预应力FRP 筋的索一般较柔软, 具有一定的韧性。在北美、北欧等西方国家, 由于冬季的除冰盐对桥梁结构中钢筋腐蚀所带来的严重危害已成为困扰基础设施工程的主要问题, FRP 配筋和FRP 预应力筋混凝土结构的研究和应用发展较早且较快。20 世纪70 年代末FRP 筋开发成功, 并应用于工程中; 80 年代末, 德国、日本相继建成FRP 预应力混凝土桥。目前已有多种FRP 筋、索和网格材产品以及配
22、套的锚具, 并编制了相关的规范和规程, 在桥梁结构和建筑结构中都得到了较多的应用。图2 为国外工程中应用的实例。图2 FRP 配筋混凝土在桥梁和建筑中的应用Fig.2 FRP r einfor ced concr ete applications in br idge and building我国这方面的研究还刚开始, 已初步研制出FRP筋产品和预应力锚夹具。在FRP 筋混凝土方面, 针对FRP 筋与混凝土之间的粘接试验方法, 混凝土强度、FRP 筋的埋长和直径、FRP 筋外部约束和表面变形以及混凝土保护层厚度等因素对FRP 筋与混凝土间粘接性能的影响进行了初步研究, 以及FRP 筋和预应力F
23、RP 筋混凝土构件受力性能的试验研究。FRP 筋及预应力FRP 筋的另外一个应用对象是岩土工程, 它已用于加筋土中。GFRP 因其具有价格低廉、方便安装和耐久性强等特点, 已被广泛应用于潮汐变化的干湿交替的挡土墙、地基锚杆及喷射混凝土筋等工程。FRP 筋直到拉断均表现为线弹性, 没有普通钢筋那样的屈服平台, 因此构件的破坏带有一定的脆性,因此在FRP 筋不能简单地当成钢筋进行计算, 必须针对其性能采用合理的设计方法。此外, FRP 筋无法现场成形, 因此像箍筋等形状较为复杂的配筋, 需事先设计好后由工厂加工。5 结语本文介绍了FRP 这一高性能新型结构材料的特点和在土木与建筑工程结构中的发展及
24、应用情况。目前国外发达国家的工程领域对FRP 材料的开发和应用毕业设计（论文）十分重视, 对这种高性能材料开展了大量研究, 组织过近百次各类国际学术交流会议, 成为一个非常活跃的研究领域, 并且在实际应用方面也已有很多的实例, 一些国家也已制定了各种应用的相应规范和技术标准。尽管FRP 材料不能大面积代替传统钢材和混凝土材料, 但作为一种高性能材料, 它必将成为传统结构材料的必要补充, 使得以往工程中难以解决的一些问题迎刃而解, 给土木与建筑工程带来新的发展契机, 并将显示不可忽视的综合经济效益。我国近年来在该领域的研究和应用工作发展迅速, 但主要以结构加固为主, 其他方面的工作相对较为滞后。
25、希望通过本文, 使工程师们对FRP 材料有更多的认识, 在未来的几年里我国在FRP 材料研究和应用方面能有较快的发展, 提升我国土木和建筑结构的水平。参考文献1 沈观林. 复合材料力学 M . 北京: 清华大学出版社, 19962 蔡国宏. 先进复合材料在桥梁中的应用现状和发展前景3 沃丁柱. 复合材料大全 M . 北京: 化学工业出版社,20004 邹祖讳. 复合材料的结构与性能 M / 材料科学与技术丛书( 第13 卷) . 吴人洁等译. 北京: 科学出版社, 19995 冯鹏. 新型FRP 空心桥面板的设计开发与受力性能研究 D . 北京: 清华大学工学博士学位论文, 20046 杨允表
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