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1、第六章 FRP在土木工程中的应用,一、FRP材料及制品(Fiber Reinforced Polymer) 由高性能纤维与基体材料复合构成 常用纤维种类 碳纤维（组成CFRP） 玻璃纤维（组成GFRP） 芳纶纤维（组成AFRP） 基体材料 树脂基体、金属基体、陶瓷基体和碳素基体,FRP材料的优越性能 轻质高强 耐腐蚀性好 抗疲劳 弹性好 抗冲击,透电磁波 绝缘 导电 热胀系数小 适合工业化,常用纤维的主要力学性能与钢材对比,常用树脂的性能, FRP制品 片材（布和薄板） 棒材（筋和索） 型材 夹层板和蜂窝板,FRP片材,全称：聚对苯撑苯并双口恶唑纤维,是含有杂环芳香族的聚酰胺家族中最有发展前途
2、的一个成员，被誉为21世纪超级纤维,FRP棒材和索,FRP筋,方形CFRP螺旋箍,圆形CFRP螺旋箍,井式CFRP复合箍,FRP型材,FRP夹层板和蜂窝板,二、FRP在工程结构中的应用 FRP片材加固补强 FRP筋混凝土结构及预应力混凝土结构 FRP结构及 FRP组合结构 桥梁中的FRP结构和FRP构件 FRP大跨结构体系 结构健康监测,1、工程结构加固补强 柱：抗压承载力加固和抗震加固 梁、柱：抗剪加固 梁、板：抗弯加固 节点及受扭加固 剪力墙和薄壁柱加固 特种结构加固（隧道、输水洞、烟囱等） 腐蚀环境下构件：耐久性修补加固,FRP片材包裹混凝土柱，约束混凝土，提高承载力,FRP片材包裹混凝
3、土柱，约束混凝土，提高延性,U形箍包裹，提高其抗剪承载力。,厂房框架梁、板加固,FRP粘贴混凝土梁、板表面，承受拉力，提高抗弯承载力,FRP粘贴混凝土梁表面，承受拉力，提高抗扭承载力,FRP片材粘贴钢筋混凝土框架梁柱节点附近，承受拉力，提高节点的承载力,FRP片材配合锚固系统粘贴在墙体和薄壁柱的表面，提高抗剪、抗压以及平面外抗弯承载力,FRP片材加固特种结构,FRP片材耐久性加固,FRP加固的主要破坏形式 纤维断裂材料的极限强度 界面剥离界面的极限强度 混凝土的脆性破坏超筋和剪切破坏 设计中应注意的问题： 合理的加固方式 合理的加固量 必需的构造措施,纤维破坏,纤维剥离,FRP加固相关设计规范
4、 纤维复合材料加固修复混凝土结构技术规程 （上海市地方标准，已实行） 碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程 （行业标准，已实行） 钢筋混凝土结构加固技术规程 （行业标准，已实行） 土木工程用高性能纤维复合材料应用技术规范 （国家规范，编制中）, 应用FRP筋代替钢筋 应用FRP筋或FRP索代替预应力钢丝、钢绞线,2、FRP筋混凝土结构及预应力混凝土结构,底板配FRP筋的混凝土基础,预应力FRP筋混凝土轨枕,（1）FRP筋的类别 FRP筋基材为聚酯、环氧等。FRP筋中纤维占60%65%。基材对FRP筋的抗拉强度没有贡献。 通过不同的加工方法，FRP筋可加工成不同的种类，主要有以下几种：表面进行砂
5、化处理的GFRP筋；与钢绞线相似并在7股之间用环氧粘结的CFRP预应力筋；为加强与混凝土的粘结表面进行刻痕处理的FRP筋；为加强粘结表面进行处理并把截面制成矩形的FRP筋等。,方形CFRP螺旋箍,圆形CFRP螺旋箍,井式CFRP复合箍,（2）FRP筋的性能 FRP筋具有轻质高强、抗腐蚀、低松弛、非磁性、抗疲劳等优点。由于FRP筋具有较好的抗腐蚀能力，可用于遭受腐蚀性介质侵袭的结构中；FRP筋具有非磁性，可用于有特殊要求的结构如雷达站中；FRP预应力筋低松弛且弹性模量较小，可以降低由于混凝土徐变和收缩和普通预应力筋松弛引起的预应力损失。 在混凝土结构中使用FRP筋也存在一些缺点。FRP筋为线弹性
6、脆性材料，没有明显的屈服平台，延性较差。目前FRP筋的应用尚处于初级阶段，因而费用较高。与混凝土相似，FRP筋存在高应力下的徐变脆断的问题。,（3） FRP筋的设计 由于FRP筋的材性与钢筋有显著的区别，因而在用FRP筋进行结构设计时，应注意以下几点：,由于FRP筋为脆性材料，因而构件可能没有相应的塑性转动能力，同时也不可能进行弯矩重分布； 应考虑到FRP筋可能断裂对构件强度的不利影响； 由于FRP筋为弹性模量较小的脆性材料，用于计算构件承载力的公式必须经过修改方可使用； 如果FRP筋受到损伤，其强度会有较大的降低； FRP筋的变形能力比普通钢筋明显偏小，因而在设计使用时应使结构的变形要求小于
7、FRP筋的变形能力； 应注意到使用FRP筋构件的侧向抗力较差。,（4）FRP筋的应用 混凝土桥梁大梁和板中的配筋或外部加固筋（轻质高强及抗腐蚀性好） 用做斜拉桥的拉索 用做预应力筋 由于FRP筋的非磁性，可用于雷达站结构中 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,3、FRP结构及FRP组合结构 应用FRP型材作为基本构件，组成结构 应用FRP型材充当模板与钢材、混凝土组合受力形成基本构件。 FRP-混凝土组合结构是将FRP产品与混凝土，通过受力形式上的组合，充分发挥各自力学特性共同工作来承担荷载的结构形式。其中，以FRP拉挤型材与混凝土
8、组合形式为主。,FRP拉挤型材是将纤维束和树脂采用拉挤成型，其单向受力性能好，可制成工字形、槽形、矩形、箱型等截面形式，既可直接作为受力构件，也可以与其他材料组合受力。相比传统材料，FRP拉挤型材初始费用较高，但用于组合结构可达到一个较优性价比。此外，FRP型材可兼为模板，便于施工。,4、桥梁中的FRP结构,从上世纪70年代开始，FRP材料就开始在桥梁工程中尝试应用。英国、美国和以色列最先应用这种新型材料作为桥梁结构中的主要构件，当时大多采用的是GFRP。,世界上第一座FRP公路桥(北京密云),FRP桥梁的显著优势：,（1）自重轻，架设速度快 （2）抗腐蚀能力强且不透水 （3）抗超载和抗疲劳
9、（4）抗震性能好 （5）可实现更大跨度 （6）外表美观，色泽持久 （7）独特的功能性,FRP人行桥,FRP人行桥,FRP夹心桥面板,FRP夹心桥面板,趋势：,(1)采用FRP筋、索作预应力混凝土桥梁的力筋、斜拉桥的拉索或吊拉组合结构中的部分吊索，最能发挥其轻质高强的优良特性，将成为FRP复合材料在桥梁中应用的重点。 (2)FRP在桥梁梁体和柱体(含拱肋)中的应用。宜采用FRP复合材料与高强混凝土组合结构，以便充分发挥两种材料的优点，降低成本，减轻自重，提高跨越能力。 (3)FRP预应力加固旧桥，所需费用不高，效果可观，是值得首先推广应用的领域。,5、FRP大跨结构体系 FRP轻质高强可以实现更
10、大的跨度,FRP网架,FRP轻型屋盖体系,FRP大跨编织网结构 由纤维增强复合材料板条编织成一定形状，并通过平面外整体张拉使其具有一定几何刚度，从而能承受屋面的竖向荷载，并具有很好的建筑效果。 编织网面的几何构成是编织网承受外荷载的基础，其包括网面平面编织方式和板条层叠关系两部分，不同的几何构成对结构的力学行为会产生一定的影响。,平面编织方式,平面编织方式一：平铺式,平面编织方式二：圆形边界辐射式,平面编织方式三：方形边界辐射式,平面编织方式四：圆形边界内接式,平面编织方式五：方形边界辐射式+内接式编织,编织网面根据板条的层叠情况，可以分为完善编织和非完善编织两种情形。 如果对于任意一根板条，
11、在此板条在与其他板条相交的交点中任取两个相邻的交点，如果此板条在这两个交点处的上下关系都是相反的，那么这种平面编织就是完善编织；否则为非完善编织。,板条层叠关系,1,2,3,4,试验表明，在FRP大跨编织网体系中，FRP板条基本上处于单向受拉的理想应力状态，因此可以充分发挥FRP轻质高强的特点，使整体结构具有较高的承载力储备和较大的变形能力。因此FRP编织网体系在大跨结构体系中具有良好的应用前景。 但是，FRP大跨编织网结构中板条存在滑动、分离和压紧等现象。板条的这些行为对整体结构有何影响，还需要继续进行深入的研究。,6、FRP健康监测 CFRP具有导电性，应用这个特性可以实现自监测的结构。,
12、1.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模较高， 而垂直纤维方向的强度和弹模很低。有关产品资料表明，两个方向的抗拉强度相差可达25 倍， 抗压强度相差可达5 倍，模量相差可达13 倍。此外，纤维方向的抗拉强度比抗压强度高30%。,三、FRP材料的缺点,2.与钢材相比较，除CFRP外的其它FRP 产品的弹性模量较低：大约为钢材的1/201/2，大致与混凝土和木材在同一数量级。弹模低是FRP 作为结构材料最大的劣势，在设计中要充分考虑这个特点。 3.与钢材相比，FRP 材料强度有较大的离散性。钢材屈服强度的离散系数约为0.1， 而FRP产品拉伸强度的离散系数约为0.15。,4.FRP 结 构可以采用铆接、栓接和粘接，但不管那种连接方式，连接部位都是整个构件的薄弱环节。（抗剪强度低） 5.与混凝土相比，一般FRP 材料的防火性能较差。临界温度为300左右，而且部分 树脂材料有可燃性。目前采用环氧树脂的 FRP 材料，在树脂中掺入阻燃剂，表面进行防火处理，其效果已经可以与混凝土结构相当。 6. GFRP 与混凝土碱性反应造成的耐久性下降。,