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1、复合材料在土木工程中的应用现状郑代华 ? 杨庆生( 北方交通大学土木建筑工程学院, 北京 100044)摘? 要? 从一些工程实例出发对复合材料在土木工程中的应用现状作一概述, 指出复合材料具有的优点及将此应用于土木工程中所存在的限制和所需解决的力学问题.关键词? 复合材料? 土木工程? 杂交材料? 杂交结构? 力学性能分类号? TB33Application of Composite Materials in the Civil EngineeringZheng Daihua ? Yang Qingsheng(College of Civil Engineering and Architec
2、ture, Northern Jiaotong University, Beijing 100044)Abstract ? The article gives a summary for application for composite materials in the civ -il engineering on the basis of several projects. It also points out the advantages of com - posite materials, the limitation of their application in the civil
3、 engineering and the me -chanic questions needed to be answered.Key words ? composite materials ? civil engineering ? hybrid materials ? hybrid struc -tures? mechanic properties伴随着世界航空航天与军工生产而发展起来的复合材料由于具有良好的性能, 其应用范围愈来愈广泛. 作为钢、 木及混凝土等常规建筑材料的代用品 ( 或补充) 在土木工程中的应用正日益扩大. 复合材料具有传统的建筑材料无法相比的优点: ? 抗化学反应和化
4、学腐蚀; ? 高 的比强度( 可用轻质材料来减少工期和降低工程复杂性) ; ? 良好的抗震性能. 虽然复合材料很早就应用于建筑结构中 ( 如麦杆和成型的泥砖等) , 但是由于缺乏必要的硬件设施( 如力学测试方法和评价准则、 设计规范等) 及很高的设计费用, 使其在土木工程中的应用受到限制. 本文 主要论述复合材料在土木工程应用领域中的新进展, 介绍一些工程实例, 并指出其在土木工程的应用中存在的限制和需解决的主要力学问题.1 ? 杂交材料 ? 纤维增强混凝土纤维增强水泥和混凝土很早就应用于土木工程中, 但是水泥对纤维的腐蚀是影响这种材料发展的关键, 近年来发展了一种用 E 玻璃纤维、 Aram
5、id 纤维、 Kelver 纤维、 碳纤维等增强的本文收到日期 1998 -11 -17? 郑代华 男 1975 年生 硕士生? email bfxb center. njtu. edu. cn1 9 9 9 年 8 月 第 23 卷第 4期? ? ? ? ?北? 方? 交? 通? 大? 学? 学? 报 JOURNAL OF NORTHERN JIAOTONG UNIVERSIT Y? ? ? ?Aug. 1999? Vol. 23 No. 4FRP( fiber -reinforced plastic) 筋代替低碳钢筋, 制成 FRP 增强混凝土? 这种由复合材料和混凝土形成的组合材料, 称
6、杂交材料. 通常的梁或柱等主要受力构件是在受拉/ 受压区配置一定量的低碳钢钢筋, 由于低碳钢在通常的冻化或化学反应等条件下很快地腐蚀, 引起钢筋的膨胀并 在混凝土中引起拉应力最终使混凝土开裂和破坏. 人们曾尝试用加入防水混合物、 非渗透膜及环氧保护层来解决这一问题, 都未能取得成效1. 而用纤维增强的 FRP 筋代替低碳钢筋浇筑成的混凝土梁/ 柱, 具有良好的抗腐蚀、 抗冲击性能和电、 热绝缘性能. 一般讲, 它的承载变形特 性和传统的钢筋类同, 先传递到棒材的表面上, 而它的重量只有传统钢筋的 1/ 4, 其受热膨胀阻止在水泥基体中, 价格与用环氧树脂涂覆的钢筋相同. 若用高强混凝土 2,
7、其强度比低碳钢钢筋提高 90%, 其裂缝宽度亦在设计允许范围内.最近落成于加拿大加尔各里市的 Centre -Bedding Trail 桥, 采用碳纤维复合材料预应力增 强混凝土大梁 3. 德国的 Ulenbergstrasse 大桥( 1986 年完工) 为两跨公路桥, 每跨均超过 20m,采用玻璃纤维增强预应力混凝土大梁, 被德国视为复合材料在土木工程中应用的一个里程碑4. 日本的一预应力高速公路桥 Bachigawa -Minam- i Bashi 桥在外梁中配有 8 根# 8 的碳纤维 FRP 筋用来将预应力传递至混凝土梁. 另外, 由于复合材料自重小且具有优越的耐腐蚀性, 在海洋结
8、构的构件中也得到了广泛的应用. 日本 Sumitomo 化学工业公司于 1992 年建成一座由Aramid 纤维增强的复合材料结构预应力混凝土码头.由于 FRP 筋比钢筋的刚度小, FRP 筋混凝土梁比钢筋混凝土梁的变形大. FRP 筋混凝土 梁屈服时由于纤维的脱胶和断裂而将大约 50% 的屈服强度作为声音信号释放, 这可发展成一种智能结构5, 即在 FRP 筋中嵌入光纤传感器, 将结构内的应变、 应力及破坏状态传感至终端计算机中, 为结构的维护和维修提供了准确良好的依据. 位于 Leverkusen 的 Schiessbergstrasse桥的 27 个预应力梁腹中均嵌有光纤传感器, 方便了
9、该桥的维护. Vermont 大学正建造一座五 层( 面积为 65 000 m2) 的 Stafford 办公大楼, 光纤传感器嵌于结构的地板、 柱、 墙和天花板上,它将提供结构整体性、 微震反应( 如交通) 和宏震反应( 如地震) 、 混凝土中 FRP 筋的应力应变和当地风压、 偏日照引起的热变形. 这对了解建设期间混凝土养护时的应力、 预测结构内出现 的应力和内变形具有极其重要的参考价值.2 ? 复合材料构件和全复合材料结构复合材料构件在土木工程中的应用亦初见雏形. 日本东京 Shinagawade 的 Sea Fort 大厦 为 23 层的框架钢结构, 在其临海一侧的板墙采用了纤维增强复
10、合材料面板. 在一些对静电和电磁很敏感的建筑中, 复合材料由于其良好的抗电磁干扰的能力而用于诸如医院、 机房等建筑中. 例如: 美国休斯顿 Comaq 计算机公司的全天候复合材料电磁调试大楼, 得克萨斯州的圣安 东尼奥医院安装有由复合材料制成的专用房间( 内有核磁共振设备) . 复合材料构件在土木工程中的其它应用场合还包括桅杆、 桩、 管道、 塔等. 其中以管道应用最为成功, 如美国的?玻璃纤维压力管道标准?. 复合材料交通信号灯由于质轻、 抗腐蚀、 抗风震等特性而被应用于美国的一些高速公路边. 全复合材料结构由于质轻、 可预制、 施工方便等优点愈来愈受到重视, 位于英国 Twains 河和
11、Severn 河交汇处的 Bonds Mill 桥是世界上同类型桥梁中首座采用复合材料建造的. 它能通过40 t 的卡车, 设计寿命超过 30 年. 位于苏格兰的 Aberfeldy 桥是一座双塔人行索桥, 总长 113 m, 主跨 63 m, 桥面宽 2. 23 m 的全复合材料结构. 其主要由玻璃纤维增强复合材料制成,97第 4 期? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 郑代华等: 复合材料在土木工程中的应用现状双面拉索采用 Kevlar 缆绳, 桥面缚有尼龙增强橡胶, 于 1992 年投入使用. 1997 年建成的美国密西根 Southfield市的 Rouge 河上的一座三跨( 每跨为
12、 20 m) 的双车道公路桥是美国的第一座全复合材料桥梁.3 ? 杂交结构 ? 用复合材料外包法修复、 加固、 翻新原有结构由于混凝土和钢价格低廉、 具有很好的结构特性. 它们是目前使用最广泛的建筑材料, 然 而在潮湿或海洋环境中, 或处于具有化学腐蚀的环境中时, 结构常产生所谓的? 混凝土癌?6,这将导致混凝土的膨胀、 开裂和剥落. 工作荷载和车流量的增加也使许多桥梁发生了小规模或灾难性的破坏. 另外, 一些具有历史意义的建筑亦已达到它们的使用寿命. 据估计, 在澳大利亚, 由于? 混凝土癌?引起的损失将近 20 亿美元, 到 2010 年将相当于澳大利亚的整个建筑预 算. Duncker
13、和Rabbat 曾作了一篇关于美国桥梁状况的报道7: 在 50 万座高速公路桥中, 大约有20 万座处于危险状态, 有13万座的桥梁的允许工作荷载大大减少, 5 000 座已经被封锁. 每年大约有 150 200 座桥梁倒塌, 维修的费用将近 900 亿美元. 如何修复这些桥梁, 已成为迫切 解决的问题. 在西欧和其它一些国家, 采用钢板加固原有结构的方法已经发展到了一个相当高的水平. Ladner、 Prolong 和 Weder7通过实验观察表明: 钢板在外露条件下( 即使不处于海洋或腐蚀环境中) , 也会由于风化作用而产生一种? 锈蚀现象?. 15 年后, 其锈蚀裂缝的直径可达10 mm
14、. 并且在一些建筑如桥梁的修复中, 只能采用有限的起重设备, 在箱形梁内部只能采用 手工安装就位. 通常用于加固的钢板的跨度为 6 8 m, 所以在加固大跨度的桥梁时只能采用钢板搭接方式. 若选用高强复合材料, 其跨度可达 300 m, 其连接方式亦可简单化. 还可以通过红外线观察使施工质量得以保证( 这在钢板的加固中是无法做到的) . 因此, 采用既经济又实用的用复合材料外包修复或加固原有结构的方法正日益引起人们的重视. 这种经过复合材料加 固修复的结构, 称杂交结构.德国的 Kattenbusch 大桥是第一个采用 FRP 层合板来加固桥梁的工程实例 8. 这是一座主跨为 45 m( 共
15、9 跨) , 边跨为 36. 5 m( 共 2 跨) 的多跨连续箱形梁. 使用期间在连接点的反弯 矩处及地板处出现了裂缝. 后来对每一个节点采用20个玻璃 FRP 层合板( 320 mm ? 50 mm ?30 mm) 1987 年得以修复. 实验表明: 其裂缝宽度减至50%, 疲劳荷载下的应力减少 36% . 瑞士联邦材料测试与研究实验室( EMPA) 1991 年成功修复了瑞士 Lucerne 的 Ibach 大桥2. 这座桥由于在腹板上钻孔等原因, 其中的一预应力筋被破坏, 长达 39 m, 最后用碳纤维薄板增强技 术加固修复.美国 Delware 州的一预应力混凝土连续箱形梁在梁的底部
16、存在着纵向裂缝 8, 这是由于在当初建设时没有在预应力预制梁的底部截面采用交互增强措施, 最后采用碳纤维粗麻片进 行包裹, 取得了很大的成功. 德国的 Meissen 市的一教堂的歌德式屋顶由 A 字形的木桁架组成, 屋顶和中殿墙处的裂缝达 4 cm. O. Kempe 发明了一种用纤维缠绕的办法制成的 CFRP 包裹桁架的拉伸连接, 用以减少木桁架上拉杆连接处的力和 A 字形基点的力9.杂交结构在日本也得到了广泛的应用, 且日本所使用的方法和欧洲一些国家有所不 同10. 日本的 Mitsubishi 化工厂和 Ohbayashi 公司于 1986 年成功合作用 FRP 薄板外包加固结构柱和烟囱. 位于日本南部的Hata 高速公路桥由于后建了一个很大的挡风墙使桥面的受力增加, 考虑到结构的安全性需要加固. 后来在 110 m2的混凝土桥面外包了两层分别和路面平 行和垂直的碳纤维薄板, 试验表明: 其拉伸应变比钢板加固要减少 30% 50%.98北? 方? 交? 通? 大? 学? 学? 报? ? ? ? ? ? ? ?
