玻璃纤维筋

玻璃纤维筋（共7篇）

玻璃纤维筋 篇1

0 引言

玻璃纤维筋混凝土工程在国外已得到广泛的应用,进入21世纪以来,地铁建设发展迅猛,采用盾构法施工的隧道越来越多,盾构机始发时必须先破除盾构推进范围内的围护结构,盾构机方可顺利始发。玻璃纤维筋的出现,使得盾构直接切削围护结构推进成为现实,并已在国内外多个地铁车站成功使用。盾构始发井在盾构推进范围内的围护结构钢筋笼采用玻璃纤维筋代替钢筋,盾构机始发时无需凿除桩体,采用盾构机直接切割围护结构。

1 工程概况

1.1 地质概况

盾构始发井端头盾构隧道位于细砂土层、稍密卵石层及密实卵石土层中,隧道上部地段为回填土、软土、粉土,见图1。

1.2 设计概况

隧道埋深约8.5 m,隧道直径为6 280 mm。盾构始发井洞门围护结构采用人工挖孔桩,围护桩桩长18 m,桩径1 200 mm;主筋均为22Υ25 mm,箍筋为Υ8@200;玻璃纤维筋围护桩在盾构机推进范围内采用主筋22Υ25和箍筋为Υ8@200的玻璃纤维筋,与钢筋搭接长度1.2 m～1.4 m。

2 玻璃纤维筋特点

1)GFRP筋的抗拉强度超过钢筋,并且在达到GFRP筋的抗拉强度之前,几乎没有塑性变形产生;2)GFRP筋具有良好的抗腐蚀性能;3)容重小,GFRP筋的容重仅为钢材的25%左右;4)GFRP筋的热膨胀系数与混凝土相近,当环境温度发生变化时,GFRP筋与混凝土能协同工作,两者不会产生大的温度应力;5)GFRP筋弹性模量约为普通钢筋的25%,GFRP筋中纤维含量通常为70%～80%;6)该材料抗拉强度明显大于钢筋,弹性模量远远低于钢筋。

3 GFRP筋施工规范及检验标准

1)GFRP筋与钢筋之间及GFRP筋之间采用绑扎方式连接,钢筋笼吊装时用钢丝绳卡双扣加固;2)GFRP筋与钢筋的搭接按照设计图纸设置,GFRP筋之间的搭接按照40d设置;3)搭接验收标准:允许误差-100 mm～+100 mm;4)GFRP筋表面不得有裂纹、结疤和纤维露出,表面缺陷的深度和高度不得大于所在部位尺寸的允许偏差;5)其他同国家相关施工规范中规定。

4 玻璃纤维筋桩施工

1)测量放样,在钢筋笼加工平台上准确放出盾构切削范围,并设置明显标记,放置下部加固钢管。2)按设计图纸铺设下部GFRP筋,用2.0 mm镀锌铁线绑扎GFRP筋。3)安装纵向玻璃纤维筋桁架。4)按设计图纸铺设上部GFRP筋并绑扎。5)在GFRP筋与桁架钢筋间安装钢丝绳卡,并用扭力扳手进行检查,扭力不小于螺栓扭力为50 N。6)安装加固钢架,并进行检查。7)混凝土灌注。

5 盾构机始发施工

盾构隧道施工过程中,盾构机始发或到达是关键的施工工序之一。为了确保盾构机始发或到达人员及机器作业的安全。传统做法是在盾构始发或到达前,采用注浆、降水等工法对端头土体进行加固,再采用人工凿除围护结构并切割其中的钢筋,凿除围护结构不仅作业环境极其艰苦,同时由于桩体的开凿破坏、土体的暴露,易出现土体塌方,导致地表下沉并危及地下管线和附近的建筑物,特别是在大深度情形下危险性更大。这一施工过程不仅工序复杂,工期长,而且需严密的施工组织,以防止发生危险和对人身造成伤害。采用玻璃纤维(GFRP)筋替代钢筋的围护结构施工中,盾构始发前采用端头降水,同时待洞门密封满足要求时,无需凿除围护结构,推动刀盘至掌子面,利用刀盘对围护桩直接进行切割,保证盾构机顺利始发,节约成本,缩短施工工期。避免了上述的诸多工序和影响人身安全的危险因素。同时也提高了施工效率,节省了工程造价。

6 施工监测

6.1 地表沉降横向沉陷槽断面测点布置

地表沉降横向沉陷槽断面测点布置示意图见图2。

6.2 地表沉降槽曲线

地表沉降槽曲线见图3。

6.3 地表沉降数据分析

从图3可以看出,最大沉降值不超过10 mm,远小于预期,左右线分别始发相互影响不是特别明显。分析原因如下:1)盾构施工引起的地表沉降是由多种因素产生的,主要是由力学效应、几何效应和固结沉降产生,而采用玻璃纤维(GFRP)筋作为围护结构内筋,强度上没有降低,且盾构掘进时,可以直接切割,将施工中几何效应和固结沉降效应降低很多。2)盾构机刀盘直接切割玻璃纤维(GFRP)筋,有效的缩短了围护结构破除时间,也减少了对土体和围护结构的扰动,对控制地表沉降也有一定的作用。3)盾构机刀盘直接切割玻璃纤维(GFRP)筋时,保持了围护结构内外压力平衡,围护结构和土体压力并没有释放,处于相对稳定状态,也相应的减小了地表沉降。

7 经济性比较

通过采用玻璃纤维筋代替钢筋单个洞口成本分析表明,纤维筋围护桩比钢筋桩的综合成本节省约13万元,节省工期约1个月。从总体来说,玻璃纤维筋桩比钢筋桩的综合成本低,整体经济效益良好,简化施工工序,提高了施工效率。

8 结语

工程实践证实,采用玻璃纤维筋替代钢筋的围护结构,既可以节省成本、同时也缩短施工工期,减少了对地面环境的干扰,特别是减少了灾害性事故的发生,改善了施工环境,也为以后类似工程积累了宝贵的施工经验。

摘要：通过玻璃纤维筋在地铁盾构始发井围护结构中施工的应用,介绍了利用盾构机对围护结构直接进行切割,从而保证了盾构机顺利始发,实现了节约成本,缩短工期,提高工程经济效益的目的。

关键词：玻璃纤维筋,围护结构,盾构

参考文献

[1]玻璃纤维筋(GFRP筋)在盾构端头井围护桩中的应用研究用户报告[R].

[2]梁炼.钢纤维混凝土的发展及其应用[J].山西建筑,2007,33(13):167-168.

玻璃纤维筋 篇2

1 泥水平衡盾构的设备型式

1.1 工程背景

本工程是广州市轨道交通九号线某标段盾构工程,选用海瑞克泥水平衡盾构进行掘进。工程地质条件以软弱砂层、粘土层为主,隧道断面下半部存在少量灰岩,且硬度较大。两台盾构的始发段均存在典型的上软下硬段,隧道顶部是粉细砂层和少量粘土层,隧道断面范围内主要是砂层和粘土层,隧道断面底部是强风化和中风化炭质灰岩。泥水平衡盾构始发时就掘进上软下硬地层,对始发风险的控制要求更加严格。

1.2 盾构结构型式及刀具配置

海瑞克Ø6 250型泥水平衡式盾构采用气压调节系统进行辅助支撑开挖面的稳定,盾构在结构上采用双仓结构,前仓是土仓,后仓是气压仓,土仓内的受压泥浆通过分隔挡板门连到气仓。土仓内完全充满受压的泥浆后就会产生压力,通过调节气压仓内的气压来调节土仓的支撑压力。其结构工作原理图如图1所示。

1-气、液分界面;2-气仓;3-土仓

根据本工程的地质特点及盾构的结构特点,盾构刀具配置采用中心鱼尾刀+双刃滚刀作为主切削刀的配置形式。中心鱼尾刀中心点高出刀盘面板350mm,最低点高出刀盘面板140mm,双刃滚刀刀刃高出刀盘面板175mm,刀盘自身厚度为580mm。刀盘部分结构尺寸简图2所示。

1-盾构前体;2-双刃滚刀;3-中心鱼尾刀

2 主体结构与围护结构的优化

本工程中,首次在海瑞克泥水盾构机型中采用破除玻璃纤维筋围护结构的工艺,在围护结构与主体结构施工之前要做好优化设计,针对盾构的结构型式做好相关的优化方案。

2.1 加厚始发洞门侧墙的厚度

盾构始发井设置在中间风井位置,原主体结构侧墙厚1 000mm,据图2所示的盾构刀盘与刀具的结构尺寸,当中心鱼尾刀已经碰壁必须要转动刀盘掘进时,洞门密封橡胶帘板仍搭接在刀盘上面,刀盘未处于密封环板的密封之内,土仓无法形成有效的密封,泥水平衡盾构无法掘进。

按照盾构的结构尺寸及洞门密封橡胶帘板的尺寸,经过设计审核,将始发洞门端的侧墙加厚至1 400mm,确保刀具碰壁时,橡胶帘板已经脱离刀盘位置,通过橡胶帘板能够将土仓形成一个密闭仓,相关位置关系如图3所示。

1-侧墙;2-固定环板;3-扇形压板B;4-橡胶帘板;5-前体;6-刀盘;7-滚刀;8-中心鱼尾刀;9-玻璃纤维筋围护结构连续墙

从图3可以看出,加厚了侧墙之后,理论上刚好能够满足泥水盾构始发的要求,但是考虑到围护结构连续墙施工偏差、盾构姿态偏差等因素,仍有可能形成土仓密闭不了的情况。为此,需要将盾构再向前平移,确保橡胶帘板搭在盾构前体上。为了实现此要求,根据盾构刀具的结构特点,提前将中心鱼尾刀位置所处的围护结构凿开一个足够鱼尾刀进去的直径1 400mm、深175mm的坑,这样就可以将盾构再向前平移至滚刀碰壁时为止,确保橡胶帘板搭接在盾构前体上,并保证有足够的安全距离,如图4所示。

1-侧墙;2-固定环板;3-扇形压板B;4-橡胶帘板;5-前体;6-刀盘;7-滚刀;8-中心鱼尾刀;9-玻璃纤维筋围护结构连续墙

2.2 紧贴围护结构外施工一道素混凝土连续墙

本工程中,海瑞克泥水平衡盾构第一次始发穿越玻璃纤维筋,按照施工组织设计,采用玻璃纤维筋围护结构连续墙后,由于不需要洞门凿除而取消了原端头加固的方案。按始发方案,左线盾构先始发,在掘进第一道玻璃纤维筋的过程中,环流运行顺畅,从泥水处理设备中分离出来的玻璃纤维筋碎片多为100～300mm长,然而当掘进第二道玻璃纤维筋时,出现环流运行不畅、堵塞排泥管口的情况。海瑞克泥水盾构的排泥口位置布置如图5所示。经过分析及经验判断,可能是有玻璃纤维筋堵塞在排浆管口。

1-V32阀;2-排浆管路;3-闸阀;4-排浆口;5-格栅;6-碎石机;7-土仓;8-气仓;

经专业人员加压进仓清理,有大量的玻璃纤维筋堵塞在排浆口处,其中最长的达到1 550mm,这说明刀具在掘进过程中未能将玻璃纤维筋全部破断,导致较长的玻璃纤维筋碎片堵塞在排浆口,影响环流运行。经过分析得出,因为取消了端头加固,导致围护结构后方土体无法满足盾构掘进时为围护结构墙提供足够的反作用力,盾构在掘进第二道玻璃纤维筋时,由于墙体只剩下200mm左右的厚度,失去反作用力的支撑,出现墙体垮塌,刀具无法破断玻璃纤维筋。

针对以上问题,右线始发之前在始发端围护结构外施工1道C10素混凝土连续墙(图6),为盾构掘进围护结构时提供足够的反作用力,确保在掘进第二道玻璃纤维筋时不出现墙体垮塌情况,确保盾构刀具能够破断玻璃纤维筋。右线掘进过程中,环流运行一直比较畅通,未再出现排浆口堵塞严重的情况,泥水设备中分离出的玻璃纤维筋也较破碎,优化方案取得良好效果。

2.3 优化始发段掘进参数

盾构始发段掘进参数的设定要考虑盾构推力、掘进速度、切口水压等多个方面。其中盾构推力要考虑始发反力架可承受压力、破除玻璃纤维筋围护结构的强度、围护结构连续墙后土体的反作用力以及切口水压的设定值等多方面因素,而切口水压的设定值要考虑橡胶帘板的可承受压力。掘进速度不宜过快,要采用慢磨的方式将玻璃纤维筋尽可能地破断,以保证环流系统运行的顺畅。本工程始发段的掘进推力不大于8 000kN、掘进速度5～10mm/min、切口水压设定为80kPa。掘进参数的变化需要根据工况的变化情况进行随动,而非一成不变,需及时根据反馈信息进行调整,确保掘进的顺畅运行。

3 结语

海瑞克泥水平衡盾构因其结构和工艺特点的不同,在掘进穿越玻璃纤维筋围护结构的过程中也会产生不同的问题。本工程通过两台海瑞克泥水平衡盾构掘进穿越玻璃纤维筋围护结构的实例,解析了掘进过程中产生的问题和优化方案的处理,并取得了实际的效果,为同类型盾构在类似工况下的掘进提供了可借鉴的成功经验。

摘要：盾构始发穿越玻璃纤维筋围护结构已经成为一项比较成熟的技术,成功案例也很多,但都是土压平衡盾构。对于泥水平衡盾构,因其工艺特点和设备结构上的不同,为了提高掘进效率,最大限度降低始发风险,有必要优化其穿越玻璃纤维筋围护结构的工艺,减少玻璃纤维筋对环流系统运行的影响,确保盾构始发段掘进的顺利。

预应力碳纤维筋损失试验 篇3

关键词：碳纤维筋,预应力,损失,计算公式

1 碳纤维筋材料特性

1.1 试件制作规范

试验中所采用的CFRP筋的直径为9.5 mm,共制作了3根套筒灌胶粘结锚具拉伸试件,其中3根试件两端钢套筒长度为110 mm,根据日本JSCE-1997和ACI440.3R-04的建议[1,2,3,4],纤维塑料筋自由段长度与直径的比值l/d在40～70之间,本文的碳纤维筋的l/d值为47。在CFRP拉伸试件的制作过程中,首先,调和适量树脂;其次,必须设置对中螺栓和对中胶圈,保证CFRP筋试件拉伸时只受到单向轴力的作用[5,6,7]。

1.2 试件制作

CFRP筋为各向异性材料,其抗剪能力较弱,本试验采用粘结型锚具,这种锚具的套筒内外表面均带有螺纹,在套筒内注入粘结剂实现碳纤维筋的锚固,再利用固定螺母将套筒固定到构件上。参考本课题组前期试验结果,本试验采用环氧树脂作为粘结剂,由环氧树脂、固化剂和金刚砂按一定质量配合比配制而成,制作后的试件如图1所示。

为增强粘结材料与CFRP筋材之间的摩擦力,其内表面加工有螺纹;为使套筒牢固的固定于纤维筋试验仪螺栓之上,其外表面也加工有螺纹通过固定螺帽使其不发生相对滑移,两端纤维筋插入无缝钢管的入口处加了对中胶圈,使纤维筋都处于无缝钢管的中部,降低实验误差,对中胶圈见图2,金刚砂试样如图3所示。本次试验中自主研发的“简易适用于纤维筋拉伸强度试验的装置”已经获得国家专利委员会的批准,专利号:201220335176.6。

2 材料性能试验结果分析

2.1 CFRP筋拉伸试件的破坏形态

本试验中3根9.5的CFRP筋试件均为纤维拉断破坏,破坏时可以清晰的听到纤维丝被拉断的声响,拉断后呈爆炸放射状。破坏形态如图4所示。各拉伸试件均未发生锚固段的粘结滑移破坏,说明试验采取的锚固措施稳定可靠。

2.2 CFRP筋的材料性能

CFRP筋的抗拉弹性模量按下式计算:

其中,Δσ,Δε分别为CRFP筋的应力增量和应变增量;ΔF为荷载增量;Af为CFRP筋的横截面积。CFRP筋的应力—应变曲线,如图5所示。由图5可知,碳纤维筋应力—应变图形基本呈线性关系,说明了CFRP筋线弹性的材料特点。拉伸试件的最终破坏形式表现为承载力突然丧失,故CFRP筋混凝土受弯构件将表现为脆性破坏。CFRP筋的材料性能指标如表1所示。

3 预应力损失分析

由于本试验采用先张法进行预应力的张拉,故取摩擦损失σl2=0;本项目预应力梁在实验室常温下试验,忽略温度变化带来的预应力损失,取温度损失σl3=0;当试件锚固在张拉体系上时,CFRP筋在锚具内发生滑移,致使被拉紧的CFRP筋内缩α引起了预应力损失σl1,混凝土结硬时体积收缩,或混凝土在预应力产生预压力方向上的徐变,引起构件长度的变短,则预应力CFRP筋也会发生内缩,因此会出现预应力收缩与徐变引起的损失。

3.1 预应力损失试验

本试验主要针对预应力短期损失和中长期损失,共设计6组试件,预应力短期损失试验的碳纤维筋长4 000 mm,在其两端分别制作套灌胶粘结型锚具,锚固端伸出350 mm,张拉端伸出650 mm,中间自由段长2 600 mm。两端各嵌入木模220 mm,梁长3 000 mm,见图6。

预应力碳纤维筋短期应力损失试件共4组,J-1和J-4为一个张拉锚固体系;J-2与J-3张拉锚固在另一个台座体系上。将预应力CFRP筋张拉至31 k N,持荷9 d后有效预应力如表2所示。

各预应力碳纤维筋持荷9 d的损失试验结果如表3所示。

碳纤维筋在长期荷载下,预应力筋松弛试验设备如图7所示。

如图7所示,本试验超张拉5%,形成稳定的锚固体系,待读数稳定后记录荷载值。监测并记录234 d。试验室温度处于8℃～18℃之间,保持一个相对稳定环境,定期记录压力传感器的力的荷载值,并记录CFRP筋上的应变值是否稳定,松弛试验结果见表4。

3.2 预应力损失计算

3.2.1 锚具损失

参考钢筋混凝土锚具损失计算方法,由锚具引起的损失按下式计算:

其中,α为张拉端锚具变形和纤维筋内缩值,mm;l为张拉端至锚固端之间的距离,mm;Ef为预应力CFRP筋的弹性模量,N/mm2。

由试验及理论得具体预应力损失值σl1见表5。

MPa

3.2.2 混凝土收缩与徐变引起的损失

本试验参照钢筋混凝土梁由收缩与徐变引起的预应力筋损失σl5,本试验梁中的收缩与徐变引起的损失可按下列公式计算:

其中,σpc为预应力筋在受拉合力点对混凝土法向产生的压应力;fcu'为混凝土立方体抗压强度;ρ为受拉区预应力筋的配筋率。

3.2.3 应力松弛引起的预应力损失

通过监测并记录234 d,室内温度处于8℃～18℃之间,基本上保持一个相对稳定环境。碳纤维筋松弛试验结果见表3,表4。碳纤维筋的松弛损失率是时间对数一元线性函数,CFRP筋的松弛损失较小,通过一组试验数据发现松弛率与时间对数值有良好的线性关系。由试验数据进行线性回归得到松弛损失拟合计算公式,并推算出在500 d后松弛损失率为7.13%,1 000 d后松弛损失率为7.61%,见表6。

4 结语

1)自主研发碳纤维筋拉伸试验仪,测试得到了碳纤维筋的强度和弹模。2)通过分析得知试验梁无摩擦损失与温度损失,本试验梁预应力损失主要有锚固损失、混凝土收缩与徐变引起的损失和应力松弛损失。3)本文给出了先张法混凝土的锚固损失、混凝土收缩损失和混凝土徐变损失三种情况下的建议公式,通过长期监测应力松弛并由一元线性回归,推导得到了碳纤维筋在长期荷载作用下的松弛率随时间对数变化的建议公式。

参考文献

[1]王鹏.CFRP筋(碳纤维筋)产品及其工程探析[J].公路交通科技,2011(6):12-19.

[2]薛景伟.碳纤维筋加固在桥面铺装中的应用[J].公路交通科技,2012(11):6-15.

[3]冯丽.我国碳纤维的发展现状及建议[J].纺织科技进展,2012(1):23-27.

[4]张新元.高性能碳纤维的性能及其应用[J].棉纺织技术,2011(4):13-19.

[5]郝庆多,王勃,欧进萍.纤维增强塑料筋在土木工程中的应用[J].混凝土,2006(9):38-44.

[6]杨小平.碳纤维复合材料在新能源产业中的应用进展[J].新材料产业,2012(2):17-23.

玻璃纤维筋 篇4

我国是地震多发地区,随着社会进步和经济增长,高层建筑越来越多,轻质、高强、高阻尼、高耐久性是未来建筑材料发展的一个重要方向[1]。 混凝土结构阻尼系数小,欲提高其抗震能力,有效的手段之一是利用纤维筋与混凝土共同制备复合材料。 纤维筋混凝土(FRP)可以大幅度提高混凝土的抗震能力[2],目前已在一些场合得到了应用,国内外学者也对此建立了一些数学模型[3,4,5]。 但由于混凝土结构受震过程中的影响因素多变复杂[6],因此,往往不能准确描述混凝土结构的抗震能力。 此外,关于混凝土的阻尼特性与制备条件的关系仍缺乏足够的数据针对上述问题,本研究对纤维筋混凝土在不同制备条件下的阻尼性能变化情况进行了探讨,并对构件阻尼比和材料损耗因子变化的原因进行了初步分析, 以期为提高建筑物抗震防震能力提供基础数据,并为进一步拓宽纤维筋混凝土在地震多发地区和高层建筑中的应用奠定基础。

1试验

1.1原材料

本试验采用42.5级普通硅酸盐水泥; 砂为中砂,Ⅱ区级配;石子为连续级配,粒径5~10mm;纤维筋分为碳纤维筋和玻璃纤维筋,采用深圳某公司产光面纤维筋和带肋纤维筋。

1.2试件设计

制备60mm×60mm×900mm、80mm×80mm×100 mm、100mm ×100mm ×1200mm三种尺寸的试件, 由于前两种构件在纵筋配筋率的比较中无法获得最好试验效果, 故取100mm×100mm×1200mm大尺寸构件作为纵筋配筋率比较梁。 在配筋率为0.6% 0.9% 、1.2% 、1.5% 、1.8% 、2.1% 和2.4% 的条件下, 构件沿梁全长封闭配箍,箍筋间距为100mm、150mm 200mm三种,箍筋采用8号钢丝。 试件设计情况如表1所示。

1.3试验方法与数据处理

(1)阻尼比

通过悬臂梁的自由振动衰减法对不同因素影响下的纤维筋混凝土构件的阻尼比进行测试,试验装置如图1所示。 加速度幅值的时程曲线通过NI数据采集系统记录, 每个试件至少20个连续加速度幅值的时程在实时谱中被记录下来, 根据公式(1),计算出每个试件的阻尼比。

式中:ak与ak+1表示相邻周期的加速度幅值。

(2)损耗因子

采用自主研发的三点弯曲梁式大尺寸材料阻尼测试装置(专利号:ZL 20062002001.2)进行纤维筋混凝土材料的阻尼测试, 试验设备如图2所示。 试验过程: 正弦信号由信号发生器发出,200N激振器在功率放大器的控制下作用于纤维筋混凝土梁简谐交变力,试件加载为跨中简谐拉压加载,力由梁底部的力传感器测出,而梁中点的位移由梁上方的激光位移传感器测出,力和位移信号由数据采集系统自动记录于计算机内。 将实测的力、位移数据和通过傅立叶变换计算出的位移滞后于力的相位角 δ 代入公式(2)并进行计算,得到纤维筋混凝土材料的损耗因子。

式中:δ 为激励力与位移的相位差,rad。

2分析与讨论

2.1纵向配筋率

纵向配筋率对纤维筋混凝土构件的阻尼比和材料损耗因子的影响如图3所示。 从图3中可以看出,纵向配筋率对两者的影响一致。 随着配筋率从0.6%变化到2.4%,阻尼比先增大后减小,在配筋率为0.9%时达到峰值,即阻尼比为1.65%,损耗因子为3.4%; 当纵向配筋率继续增大到1.2%~2.4%时, 阻尼比逐渐减小, 且当配筋率在1.8%~ 2.4%之间时,阻尼比减小的幅度趋于稳定。 这可能是由于在配筋率较小时,构件的截面抗弯刚度较小,此时混凝土与纤维筋之间的摩擦对提高阻尼比有一定的贡献,随着配筋率的提高,纤维筋与混凝土之间的摩擦力也随之增大,引起阻尼比增大[7];但随着配筋率增加到一定程度时,构件的截面抗弯刚度增加已基本达到混凝土材料的极限情况,但纤维筋本身的力学性能劣于混凝土材料,因此,造成纤维筋混凝土的阻尼比和损耗因子反而略有降低。

2.2箍筋间距

箍筋间距对混凝土阻尼比和损耗因子的影响如图4所示。 从图4中可以看出, 阻尼比和损耗因子都随箍筋间距的增大而逐渐减小。 这可能是由于箍筋间距越小,构件中的箍筋数量就越多,相应的箍筋(8号钢丝)与混凝土接触的截面积就越大, 在自由衰减过程中, 箍筋会与混凝土产生摩擦消耗的能量就越多[8],自然衰减的速率就快,于是产生阻尼比和损耗因子较大的结果。 此外,由于箍筋与纤维筋之间是通过细钢丝绑扎在一起的,在振动过程中引起力的方向由单向转变为多向[9], 箍筋间距越小, 力越分散, 造成了阻尼比和损耗因子的增大。

2.3筋材类型

筋材种类对阻尼比和损耗因子的影响如图5所示。 从图5中可以看出,使用玻璃纤维筋和碳纤维筋时,混凝土构件的阻尼比在1.25%左右,损耗因子在2.75%左右,大致相当;使用光圆钢筋时,混凝土构件的阻尼比为1.53%,损耗因子为3.10%,比纤维筋混凝土构件的阻尼比和损耗因子要大很多。 因此,可以确定构件的阻尼比和损耗因子与筋材的种类有一定关系。 分析认为可能与材料的表面粗糙度有关[10],当使用玻璃纤维筋和碳纤维筋时,由于其表面是光圆的,与混凝土截面的摩擦大致相同,而钢筋虽然也是光圆的,但钢筋的表面比纤维筋的表面要粗糙得多,与混凝土界面的摩擦自然就大,引起构件的阻尼比和损耗因子比纤维筋混凝土构件的大。 为进一步研究筋材表面粗糙度对构件阻尼比和损耗因子的影响,选用光圆玻璃纤维筋、光圆钢筋和带肋玻璃筋三种纤维筋,考察不同筋材表面形式对构件阻尼比和损耗因子的影响, 结果如图6所示。 从图6中可以看出,由于光圆玻璃纤维筋、光圆钢筋和带肋玻璃纤维筋三者表面粗糙程度不同,光圆玻璃纤维筋表面很光滑,在自由振动的过程中与混凝土界面的摩擦较小,消耗的能量少,故阻尼比和损耗因子就小; 而光圆钢筋表面有微小的凹孔, 这样与混凝土界面的摩擦比光圆玻璃纤维筋的大, 阻尼比和损耗因子自然就大;而带肋玻璃纤维筋的表面更加粗糙,在浇筑混凝土构件时,混凝土与带肋纤维筋之间的接触面积比光圆纤维筋和光圆钢筋的接触面积要多,其摩擦的面积更大,带肋纤维筋与混凝土截面的摩擦也更大, 消耗的能量多,因而构件的阻尼比和损耗因子都是最高的。

2.4构件尺寸

混凝土构件尺寸对阻尼比和损耗因子的影响如图7所示。 从图7中可以看出,构件尺寸对阻尼比和损耗因子影响不大,在相同加载频率下,不同构件的损耗因子变化不大,但加载频率对纤维筋混凝土构件的阻尼性能和损耗因子有一定影响[11]。 影响构件阻尼比的主要因素为混凝土内部的摩擦、混凝土开裂时的摩擦、混凝土内部胶凝材料(如水泥) 水、石子和砂的摩擦振动等[12,13,14],与构件的尺寸关系不大。 随着加载频率的增加,纤维筋混凝土材料的损耗因子逐渐减小,这可能是由于当纤维筋混凝土构件在高频正弦交变荷载下,由于力变化的速率过快,纤维筋与混凝土界面的摩擦不如在低频荷载下充分,所消耗的能量少,造成纤维筋混凝土材料的损耗因子小,而在低频荷载下,一方面纤维筋与混凝土界面的摩擦大,所消耗的能量也大,另一方面梁在低频荷载下的变形缓慢, 所耗散的能量多,造成纤维筋混凝土构件损耗因子大[15,16]。 并且在试验过程中发现,随着加载频率的增加,材料损耗因子减小的速率有一定程度的下降。

3结论

(1)混凝土构件的阻尼比和损耗因子与纵向配筋率、箍筋间距、筋材表面粗糙度等因素有关,与构件尺寸关系不大;在纵向配筋率为0.9%时,构件的阻尼比和损耗因子最大, 分别为1.65%和3.4%;构件的阻尼比和损耗因子随着箍筋间距的缩小和表面粗糙度的增加而增大。

玻璃纤维筋 篇5

随着城市建设规模的不断增大, 有利促进了土木工程施工材料的迅速发展, 日益增长了对建筑工程质量的要求。而建筑材料种类不断增多, 使具有抗疲劳、强度高等特点的纤维塑料增强筋这一新型材料广泛应用于土木工程中。

2纤维增强塑料筋概述

纤维增强塑料筋属于复合型建筑材料, 一般有有机与无机两类, 在结构上主要是增强和基体材料, 其重要构成基础就是高性能纤维, 是将较高承重力赋予纤维增强塑料筋的关键。合成树脂通常被认为是基体材料, 材料中的混杂纤维等有机纤维比玻璃纤维、金属纤维等无机纤维多, 目前玻璃、钢纤等纤维增强复合材料广泛应用于建筑行业中。纤维增强塑料筋尽管只有较小密度, 较轻质量, 而具有较高强度, 可超越钢筋十倍以上, 可明显降低施工劳动强度。在桥梁建筑方面具有重要表现, 在抗拉度上也具有显著优势, 可使桥梁结构提高极限跨度, 达到减震效果。此外, 外界温度几乎不会影响纤维增强塑料筋, 而产生变形等问题, 能够切实保护好并达到良好稳定性的建筑结构, 使建筑实用价值发挥得更加明显。

3土木工程中纤维增强塑料筋的应用

3.1桥梁工程建设。美国近年来采用纤维增强塑料筋的设计建造的第一座桥构造科学合理, 桥梁质量只有10%的水泥桥面质量。 建造的这座桥, 为在施工中采用复合材料及纤维增强塑料筋打下了坚实的基础。另外, 日本、加拿大等其它发达国家在桥梁等重要工程建设中也相继采用纤维增强塑料筋。该类桥梁建造成功使纤维增强塑料筋与应用于桥梁设计施工的可行性得到充分验证, 在土木工程施工中, 对各施工环节加强管理, 采取现场监督指导方式, 可使桥梁应用纤维增强塑料筋建造的目标得以实现。

3.2海洋工程建设。因海水中具有较高的盐分, 可严重腐蚀各类工程建筑, 在目前建设海洋工程的过程中, 普遍采用15厘米钢筋混凝土对土木建筑工程进行防腐设计, 但这只能保证建筑工程的使用寿命在20年左右, 相对于海洋工程发展的要求存在较大的差距。所以, 在海洋工程建筑方面具有较强耐腐蚀性能的纤维增强塑料筋而逐渐成为首选施工材料, 使海洋工程建设中的难题得到有效解决, 为促进海洋事业发展发挥了十分积极地作用。此外, 因海风中也具有较高的盐分, 在第一定程度上容易腐蚀破坏周边陆地建筑, 并逐渐产生早期劣化现象, 进而对建筑工程寿命产生十分不利的影响。 所以, 在沿海建筑中应用纤维增强塑料筋, 可对建筑工程中海风中盐粒子的破坏作用进行一定抵御。在海洋工程建筑中, 很多发达国家已广泛采用纤维增强塑料筋, 不只是使资源得到明显节约, 使建筑成本得到降低, 使海洋腐蚀问题得到有效解决, 进而促进海洋事业的健康发展。

3.3岩土工程建设。岩土工程与土壤之间具有十分密切的关系, 岩土工程的锚杆受含有机物、水等物质的土壤中的腐蚀作用较强, 高抗拉强度钢筋是应用于岩土工程中的锚杆是重要材料, 复试后的锚杆, 容易造成钢锚杆锚固工程难以达到的作用, 而比较严重的情况, 将造成安全事故。所以, 近二三十年, 发达国家逐渐将钢筋锚杆采用纤维增强塑料筋代替, 锚杆采用纤维增强塑料筋构造, 在地质比较恶劣情况下, 可使其抗腐蚀、抗拉强度等性能得到有效发挥, 而无需采取其它措施进行防护。此外, 因构成纤维增强塑料筋材料所具有的特殊性, 以及比较轻便等特点, 便于运输, 尤其在具有复杂地形区域岩土工程建筑中更为适合。因此, 在岩土工程建筑中, 可将其在临时基坑支护锚杆等工程中进行应用, 进而达到岩土工程建筑的实际要求, 以利于促进岩土工程的可持续发展。

3.4特殊工程建设。土木工程涉及比较广泛的范围, 不仅涉及岩土、海洋等工程建筑, 还涉及非导电与非磁性结构工程等特殊工程。 一是应用于在建设非导电与非磁性结构工程中, 若采用钢筋等材料建设施工, 对钢筋采用绝缘防护措施就需要比较复杂的施工环节。 但纤维增强塑料筋的电绝缘性与非磁性绝佳, 可达到工程建筑实际要求, 并能有效解决该问题, 特别是应用于军事方面, 能够在机场及敏感军用设施中广泛应用, 有效避免受到雷达及电磁的干扰影响, 以保证军事信息的可靠安全。二是对建筑材料而言, 高寒环境工程具有较高的要求, 需要较高的维护和保养成本, 也具有较大难度。采用纤维增强塑料筋建设高寒工程建筑中的基础设施, 可使维护项目明显减少, 不但可把建筑工程质量在一定程度上提高, 还能明显缩短施工建设工期, 使成本得到有效节约, 进而达到高寒工程耐用性及长时间使用的要求, 对高寒地区资源达到更为科学合理地开发, 使我国经济社会得到快速发展。三是应用于防护地质灾害工程。因自然灾害具有较大的预见难度, 且后果严重影响人们生产生活, 加强建设防护地质灾害工程的建设意义十分重要。随着应用预应力锚固支护技术近年来成为对山体滑坡进行有效治理的一种主要方法, 但不能避免山体对钢筋锚固的影响, 而腐蚀锚固后将降低其防护作用。所以, 在防护地质灾害工程中应用纤维增强塑料筋可有效解决该问题, 从而发挥好该材料的重要作用。

4结论

综上所述, 社会发展不断提高对土木工程的质量要求, 传统材料性能已难以达到预期建筑效果。所以, 纤维增强塑料筋因具有与众不同的优势而备受关注, 而广泛用于建筑工程中的重要材料, 尤其在特殊建筑工程中, 其特性优势得到充分展现, 对于促进各领域发展具有非常明显的效果。因此, 在土木工程中加强纤维增强塑料筋的普及应用具有具有十分重要的意义。

摘要：随着城市建设规模的不断增大, 有利促进了土木工程施工材料的迅速发展, 也日益增长了对建筑工程质量的要求, 尤其是在桥梁、机场等比较重要的项目建设中。科技的进步使土木工程建筑材料得到极大丰富, 重要项目建设也更倾向于选择轻便、腐蚀性强的建筑材料。作为新型材料的纤维增强塑料筋, 备受土木工程技术研究领域的关注, 并逐渐成为一个研究热点。所以, 在土木工程中加强纤维增强塑料筋应用技术的研究就显得尤为重要。本文较深入地探讨了纤维增强塑料筋的特点及应用优势, 对于促进我国土木工程建筑领域的健康发展具有十分积极的意义。

关键词：土木工程,纤维塑料增强筋,建筑材料

参考文献

[1]高宏, 朱心部, 张继文.FRP筋体外预应力混凝土梁的疲劳性能研究[J].徐州建筑职业技术学院学报, 2013, 15.

[2]吴桂芹, 马立国, 周新刚.FRP筋及其增强砼的耐久性与寿命预测[J].烟台大学学报, 2014, 19.

[3]郑百林, 张伟伟, 贺鹏飞.增强混凝土中FRP包覆筋研究[J].复合材料学报, 2013, 9.

[4]马建锋, 李波, 丛绍运.浅谈FRP在土木工程领域中的研究与应用[J].科技信息, 2015, 10.

玻璃纤维筋 篇6

钢筋混凝土结构在当前土木工程中最为常用, 具有强度高、便于就地取材、可塑性强等优点, 但钢筋混凝土结构中的钢筋锈蚀问题也是不容忽视的一点, 钢筋一旦发生锈蚀就会对结构的耐久性造成严重的影响, 据统计, 由于钢筋锈蚀的原因造成的钢筋混凝土结构破坏比例在60%以上, 不仅由此增加了大量的研究经费, 而且一旦维修不及时就有可能造成严重的事故。针对钢筋易锈蚀这一问题, 随着科技的发展, 一种纤维增强塑料筋开始在土木工程中得到不断推广, 具有轻质高强、耐腐蚀、抗疲劳等优点, 在混凝土结构中有望作为普通钢筋的替代品, 从而从根本上解决由于钢筋锈蚀而造成的耐久性差的问题, 因此具有非常广阔的应用前景。

1 纤维增强塑料筋及其优点

纤维增强塑料筋由高性能纤维与基体材料构成, 其中纤维是主要受力材料, 具有加劲作用, 纤维按照材料不同可以分为玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维以及混杂纤维等, 而基体材料起到粘接、保护以及传递剪力的作用。根据纤维种类的不同制成的纤维增强塑料筋也就可以分为玻璃纤维增强塑料筋、碳纤维增强塑料筋、芳纶纤维增强塑料筋以及混杂纤维增强塑料筋等, 实际工作中需要根据实际情况选择。

纤维增强塑料筋由于主要材料是各种纤维, 因此其比重极小, 与钢材相比只占其1/6左右, 在相同的直径条件下, 纤维增强塑料筋的强度对重量比和刚度对重量比可达到钢筋的十几倍, 由于这样的特点, 使得结构的布筋工作劳动强度大幅降低, 节约人力成本, 而且其轻质高强的特点也使得结构本身的自重大幅减轻, 提高结构的抗震能力, 尤其对于大跨度斜拉桥及各种悬索桥来说使用纤维增强塑料筋有助于提高桥梁结构的极限跨径, 使建筑具有更大的设计空间, 而且具有节材的特点。对于纤维增强塑料筋来说其热膨胀系数根据纤维的种类、纤维的含量以及基体树脂的种类不同而有差异, 一般来说, 纵向热膨胀系数与纤维有关, 而横向热膨胀系数与树脂有关, 纵向热膨胀系数往往低于横向热膨胀系数, 而且, 纤维增强塑料筋的热膨胀系数与混凝土十分接近, 因此在温度发生变化时, 纤维增强塑料筋与混凝土结构二者基本可做到同等幅度的膨胀和收缩, 因此二者之间的粘接面基本不会受到破坏, 确保了纤维增强塑料筋与混凝土实现协同工作。然而, 纤维增强塑料筋也不是在各个方面均强于普通钢筋, 不同纤维成分的增强塑料筋的力学性能具有较大差别, 且纤维增强塑料筋本身属于脆性材料, 其拉伸应力与应变具有正比例关系, 在材料达到抗拉强度极限之前不会如普通钢筋那般产生塑性改变, 因此不利于结构的安全性。

2 纤维增强塑料筋在土木工程中的应用

2.1 在桥梁工程中的应用

使用纤维增强塑料筋用于桥梁的建造, 可利用其良好的力学性能, 增强桥梁的耐久性, 且有助于降低桥面的重量。近年来, 美国应用纤维增强塑料筋等复合材料建造了世界上第一座复合材料桥, 通过合理的设计以及科学的施工管理, 使得这座桥梁可以满足安全性、适用性和耐久性的要求, 且桥身重量只有普通水泥桥面的十分之一, 对于抵抗地震等自然灾害具有重大意义。而后, 一些建筑业较为发达的国家, 如日本、加拿大等国也陆续使用纤维增强塑料筋进行桥梁的设计和建造, 取得了成功, 例如加拿大的joff桥、日本的飞翔桥等等, 这些都充分证明了纤维增强塑料筋在桥梁设计施工中应用的可行性。使用纤维增强塑料筋来替代普通钢筋的桥梁施工过程中, 由于其与传统的钢筋混凝土结构有较大的不同, 因此其施工管理和现场监督就显得格外重要。

2.2 在海洋工程中的应用

在海洋工程中, 由于海水的侵蚀作用较为强烈, 虽然在钢筋混凝土结构中混凝土在一定程度上可作为钢筋的保护层, 但由于混凝土结构中存在的毛细孔洞可使海水不断渗透, 造成对钢筋的腐蚀, 当前, 为了延缓这种腐蚀作用, 通常的做法是采用15厘米以上厚度的混凝土作为保护层, 并同时采取其他防腐措施, 这样的结构可将耐久年限提高到20年左右, 但仍然无法满足海洋工程对耐久性的要求。在这样的情况下, 使用耐腐蚀性能较强的纤维增强塑料筋来替代普通钢筋是具有现实意义的。理论上来说, 海水对于这种复合材料基本上不具备破坏力, 因此在跨海桥梁、港口、水道等结构中使用纤维增强塑料筋作为防裂筋可有效解决海水中氯离子的侵蚀作用, 具有非常好的效果。

2.3 在岩土工程中的应用

在岩土工程中, 锚杆是一种极为常见的加强措施, 常作为独立结构用作基坑临时支护以及作为土钉墙的组成部分, 实际工程中常用高抗拉强度钢筋及钢绞线等制作锚杆, 虽然初期可体现出非常好的锚固效果, 但随着钢材料的锈蚀使得锚固工程被破坏, 失去功效, 严重时还可能发生安全事故。为此, 采用纤维增强塑料筋来替代钢筋制作锚杆, 可不需要其他任何防腐措施, 因此简化了施工工艺, 具有结构简单, 重量轻、易于安装、使用寿命长等优点, 因此可满足岩土工程的设计和使用要求。

2.4 在特殊工程中的应用

第一, 在非导电和非磁性结构工程中, 如果使用钢筋就必须对钢筋进行绝缘和屏蔽处理, 而纤维增强塑料筋本身不具备任何导电性和导磁性, 因此可有效用于军事设备等特殊场合中。

第二, 在高寒地区基础工程中, 对于工程的维护成本较高, 使用纤维增强塑料筋代替普通钢筋用作混凝土结构, 可基本实现工程的免维护。

第三, 在地质灾害防治工程中, 采用预应力技术被认为是极为有效的, 但预应力钢筋会发生锈蚀, 因此存在一定的安全隐患, 用预应力纤维增强塑料筋替代预应力钢筋、钢绞线可妥善解决这类问题。

3 结束语

综述所述, 在土木工程领域中对于工程的安全性和耐久性要求不断提高的前提下, 使用纤维增强塑料筋来替代传统的建筑材料, 优势明显, 具有非常广阔的应用前景, 相信随着土木工程学科的不断进步, 这种复合材料在土木工程中会得到越来越广泛的应用。

参考文献

[1]涂锐.纤维增强塑料筋在土木工程中的应用[J].江西建材, 2014 (23) :1.

玻璃纤维筋 篇7

关键词：纤维增强聚合物筋,力学性能,混凝土结构,研究,应用

1 前言

钢筋混凝土结构现已经成为世界上应用最广泛的结构形式。但是由于在钢筋混凝土的使用中, 钢筋锈蚀常常造成结构耐久性差, 不仅影响结构功能的正常发挥, 还会严重降低结构的使用寿命。据国外资料介绍[1], 目前美国的近60万座钢筋混凝上桥梁中, 有近10万座钢筋腐蚀严重。英国、德国、前苏联、日本等国每年均花巨资用于混凝上结构的耐久性修复, 其中钢筋锈蚀占相当大的比例。华盛顿林肯纪念馆、杰佛逊纪念馆, 柏林议会大厦等重要建筑物都曾发现钢筋锈蚀引起的损坏现象。可见钢筋锈蚀是世界范围内广泛存在、严重威胁结构物安全的一个耐久性问题。

为了解决钢筋混凝土中的钢筋锈蚀问题, 提高结构耐久性, 国内外学者自20世纪60年代开始致力于研究各种保护钢筋混凝上结构免受腐蚀的措施, 总体来说可分为增加钢筋保护层厚度、采用钢筋表面涂层、采用不锈钢筋、采用纤维增强聚合物筋、混凝土中掺加钢筋阻锈剂、混凝上表面涂覆封闭、电化学防护等等。经过近50年的分析研究, 无论是从防腐性能、经济性、施工性还是从生产的难易程度等来考虑, 纤维增强聚合物筋代替钢筋被一致认为是较理想的解决办法。

2 纤维增强聚合物筋的类型及发展

纤维增强聚合物 (Fiber Reinforced Polymer简称FRP) 筋是以纤维为增强材料, 以合成树脂为基体材料, 并掺入适量辅助剂 (如交联单体、引发剂、促发剂、蚀变剂、阻燃剂、阴聚剂、填料、颜料等) 经拉挤成型技术和必要的表面处理形成的一种新型复合材料。在纤维增强聚合物筋中, 常用的纤维有玻璃纤维 (GFRP) , 碳纤维 (CFRP) 、阿拉米德纤维 (AFRP) ;常用的基体材料有不饱和聚醋树脂、环氧树脂、乙烯基醋树脂。这些FRP筋中, GFRP筋研制最早。早在1942年, 美国橡胶公司将玻璃纤维和碳酸树脂复合、固化, 制成了玻璃纤维增强塑料。1970年, 欧洲首先开始将玻璃纤维增强塑料制成GFRP筋应用于混凝土结构, 并开展了一些有关的初步试验研究。CFRP筋是美国联合碳化物公司在1959年开发的, 该公司生产了以人造丝为原料的世界上第一种高弹模的碳纤维增强塑料。AFRP筋是美国杜邦公司于1972年开发生产的, 它也具有轻质、高强、高弹模等特点, 而且价格比碳纤维便宜。

3 FR P筋的生产工艺

纤维增强聚合物筋按加工成型方法可分为编织型、绳索型、拉挤型等。由于拉挤型具有作业速度快、质量控制好、生产成本低等特点, 已成为国内外大多数公司生产纤维增强聚合物筋的普遍方法。拉挤型FRP筋生产工艺过程见图1所示:

作为混凝土结构配筋用的FRP筋, 其外形可做成光圆、螺纹、矩形及工字形等, 这也是国外较常用的四种形式的FRP筋。此外, 也可直接将FRP筋制作成网板用于板的配筋, 或直接将连续纤维制作成FRP板用于各种结构的加固。

4 FR P筋的力学性能

FRP筋中纤维的体积含量一般为60%～70%, 质量比约为70%～80%, 纤维含量越高, FRP筋的强度也越高, 挤压成型也越困难。表1为几种纤维增强聚合物筋与高强钢丝的物理力学性能对比。作为一种新型复合材料, FRP筋与普通钢筋或高强钢丝相比具有以下特点:

⑴抗拉强度高。顺纤维方向抗拉强度远大于普通钢筋, 但均匀性差, 各向异性, 抗剪和抗多轴向力强度低。

⑵耐腐蚀性能好。FRP筋不会生锈, 且具有良好的耐腐蚀性, 特别适合于海洋工程和新建化工厂。

⑶密度小。从表1可以看出, 各种FRP筋的密度一般仅为钢筋的16%～25%, 有利于减轻结构自重。

⑷弹性模量较低。FRP筋的弹性模量约为钢筋的25%～75%。

⑸热胀系数与混凝土比较接近。

⑹抗疲劳性能优良。根据试验资料, CFRP筋与AFRP筋的抗疲劳性能要明显优于钢筋;GFRP筋的抗疲劳性能略低于钢筋, 但能够满足结构构件对抗疲劳的要求。

⑺电磁绝缘性好。可广泛应用于雷达站、医院、机场等对抗电磁干扰有特殊要求的建筑物。

⑻塑性变形小。图2为FRP筋、普通钢筋与预应力钢丝的σ-ε曲线。从变化曲线可以看出, 在达到极限抗拉强度之前FRP筋的σ-ε曲线基本呈线性关系, 无塑性变形发生。

⑼热稳定性较差。一般来说, FRP筋的弯曲强度在温度超过200℃后明显下降, 因此在一些特殊的建筑中需要考虑温度对FRP筋的影响。

⑽存在徐变断裂现象。FRP筋在持续高荷载作用下会因徐变断裂而破坏, 当持续荷载产生的拉应力达到极限抗拉强度的75%～80%时, FRP筋的使用寿命会受到影响, 如果拉应力在极限抗拉强度的60%以内时, 徐变引起断裂的可能性极小, 其影响可以忽视。

5 FR P筋的应用现状[2,3,4,5,6]

FRP筋的应用主要有以下几个方面:

⑴由于FRP筋轻质高强及抗腐蚀性好, 常用做混凝土桥梁大梁和板中的配筋或外部加固筋。

⑵用做斜拉桥的拉索。

⑶用做预应力筋。由于FRP筋具有较小的弹性模量及低松弛性能, 可以降低由于混凝土徐变和收缩引起的预应力损失, 还可减小由于预应力筋松弛引起的预应力损失。

⑷用于码头结构、混凝土槽道及喷射混凝土。

⑸由于FRP筋的非磁性, 可用于雷达站结构中。

⑹由于重量较轻携带方便, 可用于极地考察站结构的建设中。

⑺可用做水泥路面的传力杆, 因为普通钢筋传力杆的腐蚀会引起混凝土路面的剥落, 降低路面的使用性和耐久性。

⑻用做地锚。

国外对纤维增强聚合物筋的研究和应用都比较早。日本已将FRP筋用于混凝土桥梁的梁板配筋 (包括普通受力筋和内外预应力筋束) 以及悬索桥和斜拉桥上的斜拉索、栈桥和堤岸墙等海洋结构加固及混凝土渠道、地锚和喷射混凝土配筋等。建筑工程方面应用实例有一些民用建筑的主梁配筋及南极洲观察站结构配筋等。日本是第一个将CFRP绞线和AFRP筋作为混凝土桥梁预应力筋的国家。1988年, CFRP绞线首先在日本249号国道位于石川县的先张预应力混凝土板式公路桥新宫桥上作预应力筋。该桥所用的CFRP绞线公称断面积为76mm2, 重158kg/km, 弹性系数为1.32×105～1.47×105MPa, 张拉强度达1840MPa。

在1988～1992年4年期间, 日本国内用FRP筋修建了一系列工程, 不同类型的FRP筋性能和试验研究以及所需锚固系统都已完成。为探测采用FRP力筋的预应力混凝土构件的承载力和耐久性, 做了静载及疲劳试验。

北美在FRP筋的研究和应用方面也比较领先, 美国已经设计和施工了多项供研究及示范用的工程实例。较为著名的有南佛罗里达大学所做的桩试验、美国海军的码头和驳岸工程、联邦公路管理局的预应力大梁试验和密歇根州的桥梁工程。1994～1996年间, 美国海军在加州Hueneme港的海军设施工程服务中心设计并建造出由FRP预应力桩和上承板构成的码头。设计人员在桩和墩的设计中都使用了预应力FRP筋, 把FRP筋用在结构的一些预应力部位的同时, 考虑了打桩过程中对混凝土约束的刚度要求。迄今工程结构性能良好, 该项工程设计目标是75年内不需修缮。美国联邦公路管理局的研究计划包括制订FRP预应力大梁的桥面板设计指南, 以CFRP筋束为基础, 已于2000年初完成。加拿大在FRP筋的应用方面比较突出的工程有曼尼托省的Taylor桥、亚伯达省的Crowchild桥和魁北克省的Joffre桥。

欧洲在FRP筋的研究的应用方面做了大量的工作。1986年, 德国第一次将GFRP筋应用于塞尔多夫的乌伦贝克两跨连续梁街道公路天桥。慕尼黑的迪威达系统国际公司重点开发研制了用于岩土工程的GFRP筋条和CFRP筋条。1995年英国建造的人行天桥是欧洲第一座全部用GFRP配筋的人行桥;瑞士温特图尔的Storchen斜拉桥 (全长124m) 用了2根35m长的CFRP拉索, 在提契洛地区的双跨箱梁长69m, 采用4根梁体外张拉预应力CFRP拉索;荷兰某预应力钢筋厂研制了名“为碳应力”的碳纤维线材 (#5.3mm) 用于预应力混凝土基础上, 解决了桥墩附近预应力钢筋因河中涡流而腐蚀的问题;丹麦的Herning斜拉桥是迄今为止全部采用CFRP斜拉索已建成的最长的桥梁。

我国对于FRP筋的研究才刚刚起步, 仅有郑州大学、同济大学、哈尔滨工业大学等开始进行了研究, FRP筋应用于工程实际也还比较少。江苏大学西山人行天桥是国内第一座采用CFRP索建造的斜拉桥, 全桥长度 (30+18.4) m, 宽度5.0m, 设计荷载3.5kN/m2, 为独塔双索面桥, 索塔两侧各布置4对拉索。斜拉索采用日本三菱公司生产的Leadline型直径8mm的CFRP棒材。该桥采用3种类型的斜拉索, 共16根, 包括2束16-D8、2束11-D8、6束6-D8。深圳的地铁工程采用了美国HughesBrother生产的GFRP筋作为盾构法掘进竖井的混凝土墙, 从目前的使用情况来看, 其性能完全能满足要求。

6 FR P筋的研究现状[7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17]

6.1 FR P筋的粘结锚固性能研究

为了保证FRP筋与混凝土能良好地协同工作, 要求FRP筋与混凝土有优良的粘结锚固性能, 这里主要介绍下FRP筋粘结锚固性能研究的典型成果。

20世纪80年代开始国外学者就对FRP筋的粘结锚固强度进行研究。1987年Ralph A Chapman和Surendra PShah通过立方体中心拔出试验对不同埋置深度和不同养护时间 (1～28d) 的FRP光圆筋和FRP螺纹筋的荷载滑移特征进行了对比研究, 建立了FRP筋早期粘结强度的修正公式。1987年和1991年Pleimann进行了一系列FRP筋混凝土立方体中心拉拔试验, 提出了FRP筋的锚固长度计算公式。1992年Chaallal通过混凝土立方体中心拉拔试验研究了GFRP筋与普通混凝土及高强混凝土之间的粘结性能。并建议GFRP筋在普通混凝土和高强度混凝土中的锚固长度可近似取为20倍GFRP筋直径。1993年Vicki L Brown和Charles L Bartholomew通过试验对FRP筋与混凝土之间的粘结强度进行了研究。1996年M R Ehsani和Hsaadat manesh对48个梁式试件、18个拔出试验和36个弯钩试验进行的静载试验, 推导并修正了计算有弯钩和无弯钩的GFRP筋锚固长度的理论计算公式, 建议了混凝土保护层厚度和GFRP筋位置影响的约束参数。Zenon Achillide和Kypros Pilakoutas通过130个立方体拔出试件, 研究了不同类型FRP筋的粘结性能及粘结滑移曲线, 探讨了影响粘结应力的各种因素。

国内也有部分学者对FRP筋的粘结锚固性能进行了研究。同济大学的薛伟辰等通过立方体中心拔出试验和梁式试验对FRP筋与普通混凝土、纤维混凝土、水泥浆和环氧树脂之间的粘结锚固性能进行了试验研究, 试验研究表明, FRP筋与低强度普通混凝土的粘结强度与钢筋相比降低较小, 仅为6%左右, 而对于强度较高的混凝土, 其粘结强度降低达21%～23%;FRP筋与环氧树脂的粘结强度很高, 这为FRP筋用于预应力混凝土结构时的锚具研制提供了参考;FRP筋的粘结强度取决于核心位置处纤维塑料与表面外缠肋之间的粘结强度。郑州工业大学高丹盈利用拉拔试验和梁式试验得到了FRP筋与混凝土粘结性能的试验结果, 根据结果分析了混凝土强度、锚固长度、FRP筋直径、混凝土浇筑深度对粘结性能的影响, 并提出了FRP筋锚固长度的计算公式。

6.2 FR P筋混凝土受弯构件受力性能研究

FRP筋的较低弹性模量 (约为钢筋的25%～75%) 和线性变形特征决定了如果在混凝土构件中要想充分发挥其强度, 构件就会产生过大的挠度或裂缝, 并且构件在破坏时是完全脆性的。因此国内外学者对于FRP筋混凝土受弯构件的挠度、抗裂度及延性研究较多。有关学者进行的6根FRP筋混凝土梁加载试验表明, FRP筋混凝土梁的结构性能在很多方面类似于钢筋混凝土。加载过程中首先在FRP筋混凝土梁的跨中截面出现裂缝, 并且随着荷载的增大, 裂缝垂直向上延伸, 最后贯穿整个截面。但是由于FRP筋的弹性模量低, FRP筋混凝土梁的挠度要比相应的钢筋混凝土梁大3～4倍, 裂缝宽度也相应大得多。

高丹盈等通过对62根FRP筋混凝土梁的弯曲试验研究, 分析了FRP筋混凝土梁的正截面性能:FRP筋混凝土梁裂缝间距和宽度随着FRP筋配筋率的增加而减小。FRP筋的类型对裂缝间距和宽度有一定影响;在使用荷载作用下, FRP筋混凝土梁的挠度较同条件下的钢筋混凝土梁大;FRP筋的配筋率对抗裂承载力的影响十分有限, 可以忽略;当FRP筋的配筋率在一定范围内, FRP筋混凝土超筋梁的极限抗弯承载力随着配筋率的增大而增加;FRP筋混凝土梁受拉破坏的荷载挠度曲线以截面初裂为界限点分为两个线性阶段, 正截面开裂前, 荷载挠度曲线基本为线性, 梁截面刚度较大;正截面开裂后, 荷载挠度曲线出现转折点, 随着荷载增加, 纯弯段正裂缝发展, 剪跨段斜裂缝产生并向梁的受压加荷点扩展, 梁的刚度较截面开裂前减少。

由于FRP筋塑性变形小, 其配筋构件在破坏前没有足够的延性, 往往不能满足抗震设计要求。有关学者提出了混杂配筋的概念, 并通过对8根梁的弯曲对比试验得出如下结论:混杂配筋混凝土梁的延性不如钢筋混凝土梁, 但是可以控制其延性系数在3以上, 因此只要合理控制配筋率Af/As (Af为FRP筋截面面积, As为钢筋截面面积) 的值, 其延性可以满足抗震设计要求。

6.3 FR P筋的耐久性能研究

混凝土结构物通常设计年限均要求达到50至100年, 在这段时间里, 在各种不同的环境中, FRP筋是否有足够的耐久性能呢?因些我们有必要对FRP筋混凝土结构的耐久性能进行系统的研究。目前国内外关于FRP筋的耐久性研究还很少, 对FRP筋耐久性认识不够, 这里主要介绍目前国内外的一些FRP筋耐久性的试验和理论研究进展。

FRP筋在氯化物的环境下不会腐蚀, 但是实际工程往往会出现许多不同的恶劣环境, 如果FRP筋会在这些环境中腐蚀, 那么当使用它作为混凝土结构的加强筋就必须进一步考虑。Taketo Uomoto的研究表明, 在酸性环境中, 当温度达到80℃时, 才可能观察到FRP筋的退化, 而在40℃以下, GFRP筋与CFRP筋都不会发生退化现象;在强紫外线情况下FRP筋暴露3年的时间, 其中GFRP筋的强度下降1%～19%, CFRP筋的强度下降9%～17%;在经过300次冻融循环后, GFRP筋强度只下降8%, 而CFRP筋几乎没有任何影响;当温度从-10℃增加到60℃时, FRP筋的强度和模量分别下降20%和30%, 但是FRP筋结构所处温度在350℃以内时, 强度下降均在25%以内。同济大学的周长东等对火灾高温下的GFRP筋的力学性能重点进行了研究, 研究表明, 随着温度的升高, GFRP筋的强度和弹性模量均会下降, 强度受温度的影响更明显, 在温度高于270℃时, GFRP筋的强度急剧下降;当GFRP筋经历高温再恢复到室温后, 在温度低于190℃时, GFRP筋的强度可以恢复至室温时的强度, 在温度高于190℃时, GFRP筋的强度不能恢复;GFRP筋的基体材料在温度低于190℃时, 逐渐受热玻化而失去粘结时, 基体材料将会碳化和热分解, 其粘结性能不能再恢复;并建议在GFRP筋混凝土结构强度设计时, 为了安全起见, 取230℃时的GFRP筋的抗拉强度为其极限抗拉强度。Clarkej和Sheard的FRP筋加速腐蚀试验研究表明, 在强碱性环境中, GFRP筋的耐久抗拉强度比原有极限抗拉强度下降0～75%, 而其抗拉刚度在多数情况下下降0～20%, 并会在长期的持续拉伸应力下由于应力断裂而失效, 而CFRP筋的影响不大。国外有关学者的研究表明, 把FRP筋浸渍在各种各样的盐溶液中, 与没有浸渍的FRP筋相比并没有明显的差异, 这说明FRP筋具有很好的耐盐性。

以上所有研究均是在比正常使用时所处环境更加恶劣的条件下得出的结论, 正常使用情况下, FRP筋应用到混凝土结构, 除了暴露在外时, 紫外线会影响到它的性能以外, 在耐久性能上没有特殊的问题。但是由于FRP筋的热稳定性较差, 其应用于高温环境中的混凝土构件中时, 还不得不考虑对其采取保护措施来降低FRP筋周围的温度。

7 需进一步研究的问题

7.1 FR P筋的抗火性能

FRP筋的抗火性能不如普通钢筋, 因而到目前为止, FRP筋常被用于桥梁结构或不需要进行抗火设计的建筑结构中, 这是制约FRP筋在土木工程中大量应用的一个重要因素。虽然目前采用理论分析的方法可以计算出FRP筋的耐火极限, 但如采用防火保护的方法保护FRP筋达到规定的耐火极限时不发生破坏, 其需要的防火保护层厚度非常不现实, 难以被工程设计人员接受。所以, 如何提高FRP筋的抗火能力, 将是以后继续研究的一个热点。另一个值得注意的问题是FRP筋在经历高温时, 基体材料会散发出对人体有害的气体, 这又在材料改性方面向对研究人员提出了新的挑战。

沙特国王大学的测试表明[17]:在350℃时, CFRP筋只有其正常温度下承载能力的35%、抗拉弹性模量的40%, 而AFRP筋则分别为15%和40%。Sakashita等人分别对用AFRP、CFRP、GFRP和钢板加固的钢筋混凝土梁进行受热性能的研究, 先把所有的试件在100℃的温度中加热3h, 接着持续加热升温至1000℃, 再加热3h, 同时让梁受弯, 并监测梁跨中的竖向变形, 结果见表2。

7.2 预应力FR P筋锚、夹具的研制

为了充分利用FRP筋抗拉强度高的特性, 对FRP筋混凝土结构施加预应力显然是一种有效的手段, 这样一方面可以充分利用FRP筋的材料特性, 又能有效减少FRP筋混凝土梁的挠度变形, 还可以推迟裂缝的出现和减小裂缝开展的宽度。

锚、夹具的研制是预应力FRP筋应用的关键问题。但由于FRP筋的抗剪强度和抗挤压强度都很低, 这样普通预应力钢筋的锚、夹具不再适用, 否则会因为横向强度低而导致锚固区的过早实效, 预应力FRP筋的锚、夹具需专门研制。由于FRP筋的轴向抗拉强度与横向压缩强度之比高达20:1, 这就给锚、夹具的研制带来很大困难;同时, 又由于纤维材料种类的不同和FRP筋的力学性能不同, 相应的预应力锚、夹具也有所区别。但是, 设计良好的锚、夹具应沿着FRP筋的纵向有均匀的接触应力, 避免在其两端出现应力集中现象;而且应使工程设计人员有一定的设计灵活性, 包括可以方便地进行设计状况的变更。

目前比较常用的锚具系统主要有锲块锚、灌浆锚和套管锚三种类型, 性能基本能够满足工程的需要, 但是在极限状态下锚具经常先于材料破坏, 表明这方面还有待进一步的提高。

另一方面, 迄今为止还没有一种锚具系统能保证所有FRP筋达到最佳的预应力传递。这个问题也给各位学者以后的研究提出了挑战。

7.3 热塑性FR P筋的研制

采用通常的基体材料如聚酯、环氧树脂、乙烯基酯等生产出的FRP筋均为热固性FRP筋。由于这些热固性基体材料的分子结构易受热分解, 所以热固性FRP筋的弯折部分存在纤维弯折和应力集中现象, 其强度将减少50%～60%, 所以其成型后形状不能改变, 更不能随意弯折。热固性FRP筋的这种特点对其应用带来一定的限制, 如很难制作箍筋、弯起钢筋、大曲率的曲线预应力筋或折线预应力筋等;更不能在施工现场进行FRP筋端部的弯钩制作和FRP箍筋的成型, 必须在工厂预制, 这也给施工造成不便。

近几年来, 国外一些学者已开始研制、生产热塑性FRP筋, 这也将在国内成为一个新的研究热点。热塑性FRP筋能够灵活地适应混凝土结构对钢筋弯曲性能的要求, 而且在加热和压力的作用下可以重新成型, 这将极大地推动其在混凝土结构中的使用。

8 结语

随着科学技术的进步, 世界各国对土木工程的要求越来越高。在某些条件下, 传统的建筑材料已经很难满足这种要求。FRP筋的高强、轻质、耐腐蚀、抗疲劳、抗磁性、电绝缘性、徐变小、比重小、低弹性模量等性质, 能够满足这种要求, 奠定了其在土木工程中应用的基础。但FRP筋的价格、脆性、锚固等因素仍然阻碍了它的广泛应用。

不过从总体上讲, 由于FRP筋作为一种新型的有发展潜力的建筑材料, 其本身具有许多优点, 并不是要完全取代传统的建筑材料—钢材与混凝土, 而是作为传统建材的一个重要补充, 推动世界各国现代土木工程技术的不断进步。以后随着FRP材料性能的改善, 以及研究工作的不断深入和计算方法的不断改进, FRP筋在混凝土结构中的应用将会更加广泛。

参考文献

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[2]山下武秋.新素材 (炭素纤维复合材) を用いた桥[J].土木施工, 1989, (5) :1-2.

[3]张强, 朱华民, 译.FRP材料在日本预应力混凝土桥梁及其它结构中的应用[J].国外桥梁, 1996, (3) :31-35.

[4]Charles W Dolan.FRP Prestressing in USA[J].Con-creteInternational, October, 1999.

[5]Jens Christoffersen, Lar Hauge.Use of Non-corrodi-ble Reinforcement in Concrete Bridge[C]//Current and Future Trends in Bridge Design, Con-struction and Main-tenance.Singapore, 1999.