FRP在桥梁中的应用综述

FRP在桥梁中的应用

摘要:对FRP材料及其产品形式进行了介绍,给出了几种纤维的主要性能指标,深入探讨了FRP在桥梁中的应用,提出了FRP复合材料在我国大规模发展中存在的问题,对FRP复合材料在桥梁中的应用及其研究方向提出一些见解。

关键词:纤维增强聚合物(FRP),主要性能,桥梁工程,应用。

1研究背景

长期以来，钢筋混凝土或预应力混凝土结构一直存在由于钢筋锈蚀引起的结构过早退化或结构功能不足的缺点。近些年来，纤维增强聚合物(Fiber Rein-forced Polymer，简称FRP)已经成为解决上述结构问题的一种可行途径。FRP材料从20世纪40年代问世以来，在航空、船舶、汽车、化工、医学和机械等工业领域得到了广泛的应用，因其具有轻质、高强、耐腐蚀等优良性能，目前已成为土木工程领域的一种新型结构材料，并给土木工程领域带来许多新的发展契机。迄今为止，国外已进行了较多的有关FRP的试验研究和工程应用，并编制了相关的结构设计与施工指南。

2 FRP的简介

2. 1 FRP的特点、工作原理及基本性能

2.1.1 FRP的特点

FRP是一种复合材料，主要由纤维丝、树脂以及添加剂等成分组成，它们是影响FRP的物理、化学及力学性能的主要因素。纤维在FRP中起加劲作用，是受力主体。树脂主要起粘结和传递剪力的作用，将纤维束结成整体，既能保护纤维免受机械破坏和化学腐蚀，又能使纤维整体受力，给纤维丝提供横向支撑。为改善树脂的物理和化学性能，通常在树脂基体中加入一些添加剂。由于所采用的纤维不同，FRP又可分为玻璃纤维增强复合塑料(GFRP)、碳纤维增强复合塑料(CFRP)、芳纶纤维增强复合塑料(AFRP)等。在桥梁加固工程中，可根据每种纤维复合材料的力学性能来选择符合工程实际的材料。几种常用纤维复合材料的力学性能见表1。

表1 几种常用纤维复合材料的力学性能见表

FRP应用在桥梁工程中的优点主要有：

(1) FRP的密度较小，在同等直径下，FRP的重量只有钢筋材料的五分之一，甚至更小。

(2) FRP具有良好的抗拉强度，其中FRP筋的抗拉强度要比普通钢筋高很多。FRP的应力一应变曲线始终是直线，不存在明显的屈服台阶。

(3) FRP具有良的抗疲劳性能，其中碳纤维复合材料与芳纶纤维复合材料的抗疲劳性能要比钢筋高出许多。

⑷FRP的耐腐烛性能非常好。

FRP的缺点：

(1)由于FRP是一种脆性材料，因此其抗冲击初性较低。

(2)FRP缺乏相应的塑性转动能力，不能进行弯矩重分布。

(3)FRP筋的弹性模量与钢筋相比，大约是钢筋的25%~75%，如果将FRP应用于混凝土结构当中，如果不施加预应力，就会对结构挠度产生很大的影响。

(4)通常FRP的横向承载力都比较低，比较容易被剪断。

(5)在持续的高荷载作用下，FRP还存在徐变断裂破坏的可能性。

(6)由于FRP的生产工艺比较复杂，且目前的应用还处于探索阶段，因此，生产成本相对较高。但是随着应用技术的不断成熟，其成本也存在很大下降空间。

2.1.2 FRP的工作原理

在桥梁加固工程中，FRP的工作原理与钢筋混凝土材料的工作原理基本相似，只是将结构内部的钢筋转变为结构外部粘贴的FRP。这种材料的加固原理是利用专用的树脂类黏结胶，将FRP材料粘贴在待加固的桥梁结构表面，使纤维材料、树脂胶与结构有机地结合起来，形成一个完整的结构体系来共同承受荷载。FRP 的高强度抗拉性能，能够有效提升被加固结构的承载力及抗震能力。研究证明，FRP的桥梁加固作用，可以使被加固结构的抗弯承载力提高60%以上，使被加固结构的抗剪承载力也得到同样的提升。

2.1.3FRP的基本性能

(1)物理性质。FRP的比重很小，为普通钢材的1/6~1/4，单向FRP的热膨胀系数在纤维纵向和横向上不同，差别大小取决于纤维和树脂的类型以及纤维体积率。

(2)力学性能。FRP中不同的纤维组成和含量决定了其具有不同的力学性能。单一类型纤维组成的FRP受拉性能的特点是直到破坏仍保持线弹性的应力-应变关系，顺纤维向抗拉强度高；FRP的弹性模量相对于钢材较低，特别是GFRP；FRP 材料的抗压强度低于其抗拉强度，CFRP、AFRP及GFRP的抗压强度分别为其抗拉强度的78%、20%和55%；FRP材料的抗压弹性模量也比其抗拉弹性模量小，CFRP、AFRP及GFRP的抗压弹性模量分别为其抗拉弹性模量的85%、100%和80%。 (3)持时特性。FRP在持续荷载作用下，经历一段时间后会发生突然的破坏，这种现象称为徐变断裂，也是FRP特有的性能。研究发现，在3种纤维中，玻璃纤维对徐变断裂最敏感，阿拉米德纤维居中，碳纤维最不敏感；FRP徐变断裂的强度比与时间对数值之间存在线性关系，根据推断，持荷50年的CFRP、AFRP及GFRP 棒材的徐变断裂强度与短期极限强度之比分别为0.91、0.47和0.3。FRP在保持长度不变时，其应力会随时间而逐渐降低，这种现象称为应力松弛。在3种FRP 中，CFRP的松弛率很小，而AFRP的松弛率很大。FRP具有优越的抗疲劳性能，这是因为纤维间内力可以再分配，纤维与基体的复合可以缓和裂纹扩展。CFRP 和AFRP棒材的疲劳强度远高于高强钢丝，GFRP的抗疲劳性能略低于钢筋，高温高湿会降低FRP的疲劳性能。

(3)耐久性能。FRP是非金属材料，在腐蚀环境中的耐久性一般要显著优于钢筋，从而成为替代钢材用于腐蚀环境中的最佳选择。但研究发现，不同FRP 对酸、碱、盐、高温、潮湿、紫外线等环境条件具有一定的敏感性，处于这些环境中时，FRP的力学性能(如抗拉强度、弹性模量)会有一定程度的衰减，设计时所用的材料性能应考虑这种下降。环境条件对不同FRP的影响是独特的，CFRP 和AFRP的耐酸、碱、盐的性能很好，GFRP在酸性和碱性环境中易发生腐蚀；作为FRP重要组成部分的树脂以及芳纶纤维丝易受潮湿环境和紫外线照射影响。美国ACI 440。1R-035FRP筋混凝土结构的设计及施工指南6给出了不同类型FRP 在不同环境条件下的折减系数，其中在侵蚀环境条件下，CFRP、AFRP及GFRP的