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建筑工程领域中FRP的应用

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  【摘要】FRP复合材料能适应现代工程结构向大跨、高耸、重载、高强和轻质发展以及承受恶劣条件的需要,符合现代施工技术的工业化要求,因此正被越来越广泛地应用于桥梁、各类民用建筑、海洋和近海、地下工程等结构,本文对其应用进行了分析。
  【关键词】建筑工程;FRP;应用
  
  1 建筑的FRP的概述
  FRP的材料普遍应用,这种材料强度很高,接近高强预应力钢筋。与传统结构材料相比,FRP具有高强、轻质、耐腐蚀和施工方便等优点。FRP复合材料能适应现代工程结构向大跨、高耸、重载、高强和轻质发展以及承受恶劣条件的需要,符合现代施工技术的工业化要求,因此正被越来越广泛地应用于桥梁、各类民用建筑、海洋和近海、地下工程等结构[FRP就是纤维增强复合塑料,根据采用的纤维不同分为玻璃纤维增强复合塑料(GFRP),碳纤维增强复合塑料(CFRP),硼纤维增强复合塑料等。纤维增强复合材料是由增强纤维和基体组成。纤维(或晶须)的直径很小,一般在10μm以下,缺陷较少又较小,断裂应变约为千分之三十以内,是脆性材料,易损伤、断裂和受到腐蚀。基体相对于纤维来说,强度、模量都要低很多,但可以经受住大的应变,往往具有粘弹性和弹塑性,是韧性材料。 根据纤维的长短,FRP可分为短纤维增强复合塑料和长纤维(或称连续纤维)增强复合材料塑料。根据纤维性能可以分为高性能纤维复合材料和工程复合材料。它的特性主要是:1)轻质高强。相对密度在1.5~2.0之间,只有碳钢的1/4~1/5,可是拉伸强度却接近,甚至超过碳素钢,而比强度可以与高级合金钢相比。因此,在航空、火箭、宇宙飞行器、高压容器以及在其他需要减轻自重的制品应用中,都具有卓越成效。某些环氧FRP的拉伸、弯曲和压缩强度均能达到400Mpa以上。2)耐腐蚀性能好。FRP是良好的耐腐材料,对大气、水和一般浓度的酸、碱、盐以及多种油类和溶剂都有较好的抵抗能力。已应用到化工防腐的各个方面,正在取代碳钢、不锈钢、木材、有色金属等。3)电性能好。是优良的绝缘材料,用来制造绝缘体。高频下仍能保护良好介电性。微波透过性良好,已广泛用于雷达天线罩。4)热性能良好。FRP热导率低,室温下为1.25~1.67kJ/(m•h•K),只有金属的1/100~1/1000,是优良的绝热材料。在瞬时超高温情况下,是理想的热防护和耐烧蚀材料,能保护宇宙飞行器在2000℃以上承受高速气流的冲刷。5)可设计性好。可以根据需要,灵活地设计出各种结构产品,来满足使用要求,可以使产品有很好的整体性。可以充分选择材料来满足产品的性能,如:可以设计出耐腐的,耐瞬时高温的、产品某方向上有特别高强度的、介电性好的,等等。6)工艺性优良。可以根据产品的形状、技术要求、用途及数量来灵活地选择成型工艺。工艺简单,可以一次成型,经济效果突出,尤其对形状复杂、不易成型的数量少的产品,更突出它的工艺优越性。
  2 建筑工程领域中FRP的应用
  近十几年来 国际上已开发了多种高性能非金属增强材料\纤维增强复合材料,这些新型材料就是---FRP型增强材料包括: 玻璃纤维、芳纶纤维: GFRP、碳纤维;不同纤维材料通过一定的制作工艺与特定的树脂材料复合而成相应的纤维增强复合材料 其最显著的特性,抗腐蚀能力强即: 耐久性好、具有很高的材料抗拉强度且自小,弹性变形能力和抗疲劳能力强,但筋的较钢筋GFRP低,较高的电阻和较低的磁感应。其主要应用为:1、可以无限制地得到,它的乱向短纤维加入混凝土中,可大大提高混凝土的抗裂性、延性和承载力。 将筋配置在混凝土内 可取代钢筋 从而混凝土CFRP,结构即使处于较恶劣的环境下,也没有被腐蚀的危险 ,如果制成索即绞线去代替钢绞线,制CFRP作先张法或后张法预应力混凝土结构 更是建筑程师们一直在寻找的用制成的布或薄板。CFRP贴于混凝土结构的外表面其加固效果十分理想, 不仅可大大提高受弯、 受剪或受扭以及受压承载力而且能减少裂缝宽度,甚至可提高外包柱的延性和抗震性能。 同时,索是钢质土层锚杆岩石锚杆, CFRP的优质代用品,它不受酸碱介质的侵蚀 使用期间不会发生更换之类的事故。2、材料上的应用。预应力索绞线,可取代钢绞线建成预应力结构或单独使用于锚杆及体外预应力结构或加固结构中。CFRP布薄板可用于既有混凝土结构工程的加固,也可用于钢结构砌体结构和木结构工程的加固.CFRP 制品与传统的结构材料混凝土--- FRP钢材或木材粘结,组合形成组合结构;FRP拉挤型材,可做成工字形槽形的管形,FRP箱形等基本型材,形成轻质楼板、桥板、应用制成杆件建造各种空间结构, FRP如网架、网壳以及拱壳和穹等;形成大跨空间建筑结构体系。3、热膨胀系数与混凝土相近由于这一优点,在环境温度发生改变时,FRP与混凝土协同工作,两者间不会产生比较大的温度应力。施工方便FRP密度仅为钢材的25%左右,而且FRP产品非常适合于在工厂生产、现场安装的工业化施工过程,有利于保证工程质量。这样,当建筑结构中采用FRP时,施工非常方便,可降低劳动力费用。当用于旧有结构的维修加固时效果更为明显。
  3 建筑工程领域中FRP的发展
  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,所以,更好的促进我国土建结构工程中对这一新型高性能材料应用和研究工作的开展。由于FRP的生产加工制作工艺较为复杂,一般采用专门的长线挤压台座才能完成,所以材料造价比较昂贵;与混凝土相比,一般FRP材料的防火性能较差;与传统结构材料不同,FRP材料通常表现为各向异性,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很低。在我国,自现在及今后相当长的一段时期,各类桥梁及房屋建筑结构的维修、加固、改造将成为建设工程的侧重点。目前国内常用的加固方法主要有纤维布复合材料加固、粘钢板、扩大截面等方法,由上述分析可知,FRP复合材料加固法具有非常明显的优势,并且具有良好的经济效益,必将在建筑工程中得到广泛的应用。FRP产品还有一些其它优势,如透电磁波、绝缘、隔热、热胀系数小等等,这使得FRP结构和FRP组合结构在一些特殊场合能够发挥难以取代的作用。(FRP)加固钢筋混凝土中存在的问题,提出分析配方的新方法。并采用将FRP钢筋植入混凝土中,然后通过拉力从自由端将其拉出的方法有效地估计了发展可以避免快速失效的FRP钢筋的确切长度。在利用FRP的利用中,将其利用在玻璃钢中,由于玻璃钢在高频作用下仍能保持良好的介电性能,其体积电阻率大于1014Ω.cm,介电强度一般为15kv/mm。此特性在大型建筑工程中有较广泛的应用,如地铁轨道沿线的桥架。对于经常承受冲击或振动荷载的结构,应优先选择芳纶纤维和玻璃纤维复合材料,它们的韧性、抗冲击性能都比碳纤维复合材料好;无论从哪个方面来讲,它都促进了其发展。它还不受电磁的作用,又不反射无线电波,但却能透过微波,这些是金属材料无法比拟的特点。因此,它是电器、雷达工业等必不可少的材料。可以看出,玻璃钢良好的电性能在高速公路机电设备外罩的开发和制造中值得推广应用。
  
  参考文献:
  [1]侯发亮。建筑结构粘结加固的理论与实践(M)。武汉:武汉大学出版社,2008年
  [2]胡孔国, 岳清瑞,考虑二次受力碳纤维布加固混凝土构件正截 面承载力计算方法;冶金工业部建筑研究总院院刊, 2008年
  [3]朱健;童谷生;万军;;浅谈FRP在土木工程中的应用研究[J];山西建筑;2006年03期


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