FRP混凝土结构研究进展.pdf

1 2 低温建筑技术 2 0 1 6年第 3期 总第 2 1 3期 DOI 1 0 ． 1 3 9 0 5 ／ j ． e n k i ． d w j z ． 2 0 1 6 ． 0 3 ． 0 0 5 F R P混凝土结构研究进展 范耀源 广州大学土木 工程学院 。 广州5 1 0 0 0 6 【 摘要】 为解决钢筋混凝土结构中钢筋锈蚀的问题 ， 建议将纤维增强复合材料 F R P 掺入混凝土中制成 F R P混凝土， 使 F R P具有的轻质高强、 耐腐蚀和耐疲劳等优 良性能应用于混凝土结构修复加固工程中。从应力一 应变关系、 长期荷载下性能和抗震性能等方面阐述 F R P约束混凝土力学性能在国内外的研究进展 ， 从设计方法、 计算模型和动力特性等方面分析了F R P约束混凝土研究中亟待解决的问题， 为 F R P修复加固混凝土结构的科学 研究与工程应用提供了参考意见。 【 关键词】 纤维增强复合材料； 混凝土 ； 力学性能； 研究进展 【 中图分类号】 T U 5 2 8 ． 5 8 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 2 0 1 6 0 3 0 0 1 2 0 3 钢筋混凝土结构 自1 9世纪中叶开始投入使用以 来， 凭借其可模性好、 原材料易得、 安全系数高等突出 优点， 被广泛应用于土木工程的各个领域。但在实际 生产使用过程中， 结构 中的钢筋在受到 自然环境的影 响和其他人为因素的作用下容易出现锈蚀的状况， 随 之换来的代价是 日渐增加 的巨额加固维修费用。据 统计美国每年要花费2 2 0亿美元的资金用于修复加固 因钢筋锈蚀 而产生安全 问题 的桥梁 ⋯。 针对以上 问题迫切要求有一种经济实用的方法 加以解决， 这时工程师 自然会想到 如果采用一种耐 锈蚀的材料代替钢筋掺入混凝土中， 那么问题就能从 根本上得到解决。纤维增强复合材料 F R P 的研发出 现 ， 为工程技术人员提供了解决该问题极具吸引力、 更 经济的研 究方案 。 F R P 材料是指由纤维材料与基体材料按一定 比 例混合后形成的高性能复合材料 ， 具有优 良的耐腐蚀 性 、 耐疲劳性和可设计性， 被誉为继混凝土材料后的 又一种新型重要结构材料。F R P混凝土应用于实际 工程后 ， 其力学特性、 加工工艺和结构性能研究就显 得非常的必要和紧迫。自8 0年代中期以来 ， 欧美等国 已陆续开始采用 F R P材料来代替钢筋应用于普通房 屋结构和桥隧结构 ， 取得了重要 的试验成果 ， 并促成 了更大范围 的工程应用 。 1 F R P混凝土结构力学性能研究现状 F R P混凝土 的力学 性 能主 要 包括 应 力 一应 变关 系、 纯弯和压弯构件力学性能 、 长期荷载下性能和抗 震性能 。 1 ． 1 应力 一应变关系 应力 一 应变关系的确定是研究 F R P混凝土结构 整体性能的先决条件， 国内外学者对此进行 了大量的 试验研究 ] 。相关试验结果表 明 F R P材料为线弹性 材料， 在达到极限抗拉强度前基本无塑性变形产生。 在轴心受压情况下， 核心混凝土的受力情况是 应力 随应变线性增加 ， } 昆凝土发生较 大侧 向变形然后屈 服， 形成 固定侧向约束力， 此时混凝土将进入三 向受 压的状态。如果 F R P材料可约束核心 区混凝土使之 不发生受压破坏 ， 混凝土的应力 一应变关系曲线将于 变形呈正相关关系； 反之 ， 混凝土的抗压强度无法再 得到提高 ， 则} 昆 凝土 的应力 一 应 变关 系在达 到某一极 限应变值时停止。然而如何确定其应力 一应变关系 计算模型成为接下来面对的关键问题。为此 ， 国内外 的学者也提出了不同的计算模型， 由于都是基于材料 的本构关系计算得出， 因此只可用来进行初期的数据 分析 ， 却不能掌握后期的准确变化规律。因而关于 F R P混凝土结构应力 一应变关系的研究， 仍然处于不 断探索发展的阶段。 1 ． 2 纯弯和压弯构件力学性能 混凝 土结 构 中构 件 的主要 受力 状 态为 纯弯 和压 弯状态。当 F R P材料应用于混凝土结构后这些构件 的力学性能变化情况 ， 将直接制约结构的整体性能。 我国的于清等人在研究 F R P混凝土结构纯弯构 件的荷载 一变形关系时， 采用数值分析的方法对结构 进行模拟 ， 并推导出 F R P混凝土结构中纯弯构件在不 同工况荷载作用下的承载力计算公式， 为研究压弯构 件的理论计算提供了参考 。 相关试验成果表 明 F R P混凝 土结构 中压 弯构件 的轴力 一弯矩关系主要受 F R P混凝土材料 自身的比 例构成和结构构件长细比等因素影响， 其延性随着荷 载偏心率的降低而增强， 承载能力则伴随构件长细 比 的减小而提高 ’ 。 1 ． 3 长期荷载下性能 经研究发现， F R P混凝土结构在长期荷载作用下 的工作性能同样不可避免受到混凝土 自身收缩和徐 变的制约。 范耀源 F R P混凝土结构研究进展 1 3 我国的陶忠等人开创 了 F R P混凝土结构在混凝 土徐变作用影响下的计算分析模型， 为研究其长期荷 载下工作性能提供了可能 。此外， 文献 [ 7 ] 研究了 F R P混凝土结构中偏心受压构件受到长期荷载作用 下产生变形影响因素分析。结果表明， F R P混凝土构 件在长期荷载作用下变形主要是 由荷载偏心率和长 期荷载比引起的， 而含 F R P率和混凝土的强度则对其 影 响不大。 1 ． 4抗震性能 现阶段为止， 国内外学者主要是以柱作为研究对 象开展了大量对 F R P约束混凝土结构和构件的抗震 性能试验研究 。研究结 果表 明 ， F R P材料 掺入混 凝土 后 ， 体现出了良好的延性 ， 在抵抗地震过程中展现突 出的耗能能力 。 此外 ， 范伟、 余流等人在进行 F R P对钢筋混凝 土 构件实验后分析指出， F R P筋加固钢筋混凝土柱的破 坏形式由原来的脆性剪切破坏变为延性弯曲， 较大程 度地提高了柱 的延性 ， 而且其作用效果 比箍筋更有 效 ， 这展现了 F R P材料在结构抗震领域应用所具有的 优越性 。除此之外， F R P材料也 已被广泛地应用高 耸结构加固工程中， 并能达到抵御地震的目的。 2 F R P混凝土结构 国内外 的应用现状 2 ． 1 美 国 F R P混凝土 的应用现状 美国混凝土协会早于 1 9 9 6年开始对 F R P筋的力 学性能、 设计方法、 试验应用等各研究方向进行了详 细探讨 ， 有关 F R P混凝土结构的设计准则和施工规程 也相继出台。1 9 6 0年， F R P材料首次运用于军工试验 站的混凝土结构加固工程中， 但工作性能受限于较低 模量的玻璃纤维而并未呈现出优越性。在随后的 2 O 年间， 全世界各地钢筋锈蚀问题的加剧引发了工程人 员的关注， 也促使 F R P材料应用于混凝土结构的设想 重新被审视并作更深层次的研究。伴随着理论试验 的逐渐成熟 ， F R P材料逐渐被广泛应用于各种住宅结 构 和桥 隧工程 中。 2 ． 2 欧洲 F R P混凝土应用现状 在 9 0年代初期， 欧洲的许多大学和研究学会开展 了一系列关于 F R P材料用于加固实际结构工程的合 作项 目， 主题是研究 F R P混凝土结构整体力学性能指 标 ， 并具体从结构特性、 设计方法、 经济角度等对 F R P 材料 开发进行 了研究 。 德国的斯图加特大学最早于 7 0年代初尝试将 F R P应用于混凝土建筑中， 却受限于低弹性模量的材 料性质而并未取得较大突破 。直至 2 0世纪 7 0年代 中 期德国的一些承办商合作生产出 G F R P棒材和用于后 张立拉所用 的锚具 ， 这些 就是后来 制作 的预应力构 件 的雏 形 。1 9 8 3年 ， 荷 兰 人 在 此 基 础 上 开 发 出基 于 A F R P的预应力 构件 ， 并开 始应 用 于高 速路 上 的隔音 墙和水力发 电厂的角梯上。1 9 8 6年德国修建了世界 上第一座使用 F R P后张预应力拉索的高速公路桥 ， 标 志着其在欧洲的发展已臻于成熟。 2 ． 3 我 国 F R P混凝土的应用现状 我 国关于 F R P材料 在 土木工 程领 域 的研究 及应 用与国外发达国家相比起步稍晚， 但在广大科研人员 积极努力下， 发展迅猛， 并取得可喜的研究成果。 在国内利用 F R P材料对桥墩柱进行修复加 固已 有所应用。如位于江苏省的双池桥 中两根钢筋混凝 土桥墩柱在使用过程中出现裂缝， 为保证桥梁的正常 使用， 工程人员在桥墩柱的裂缝部位采用外贴 C F R P 进行了修复加固。相比于传统 的加固技术 ， F R P加固 技 术的优 点是 对原 结构损 害很 小 、 无 需更 换截 面 ， 因 此与原结构协同工作程度高。尽管 F R P材料的市场 价格比传统钢材和混凝土要高 ， 但从经济效益 一工程 全寿命分析， 由于其比传统加固方法使用更少的劳动 力 ， 并能大幅度缩短工期， 综合而言经济效益明显更 优 ， 因此该 项技 术 的开发 与应 用具有 重大 的社 会 、 科 学和工程应用价值和意义。 3 亟待 解决的关键 问题 正如上述国内外研究成果和应用状况所展示， 近 3 0多年来， 广大工程界技术人员一直孜孜不倦投身于 F R P混凝土结构力学性能的研究 ， 取得了显著的理论 成果。但是， 作为一种尚处于探索阶段的新型混凝土 材料， 如果要像普通混凝土一样大范围的推广应用 ， 还有以下一些技术问题亟待解决 1 对于 F R P混凝土结构的设计 ， 至今并没有 制订 与其 相对 应 的设 计 规范 准则 ， 由于其 构造 、 受力 特点 、 性能要求均与普通高强混凝土都大为不 同， 因 而沿用普通高强混凝土的设计准则明显是不适用的。 2 对于 F R P混凝土结构的理论和实验研究 目 前大多研究其静力学性质， 鲜有动力方面性能方面的 研究资料 ， 无法获得构件在地震作用下的动力响应特 性 ， 亟待通过动力加载试验研究填补该方面的空白。 3 近年来大量试验研究 和理论分 析在 F R P材 料应用于混凝土圆柱方面形成了较为成熟的理论体 系。但实际工程 中常用 混凝土 柱截面 形式为矩 形 ， 受 截面形状限制 ， 需要更具针对性地进行分析， 亟需扩 展现有研究的层面， 建立更全方位完善的理论体系。 4 F R P加固技术的研究应用尽管已经取得了 一 定的试验理论成果， 但是， 由于各国的国情不 同， 不 能盲 目地照搬应用， 亟需建立一套适合我国国情的具 体的设计、 试验、 施工和验收等环节的规范和手册。 4结语 进入 2 1 世纪 ， 研发利用高性能材料代替传统材料 1 4 低温建筑技术 2 0 1 6 年第 3 期 总第2 1 3 期 D OI 1 0 ． 1 3 9 0 5 ／ j ． c n k i ． d w jz ． 2 0 1 6 ． 0 3 ． 0 0 6 高温存储 条件 下对橡胶 改性 沥青性 能影 响 刘博 东北林 业大学 土木工程学 院。 哈尔滨1 5 0 0 4 0 【 摘要】 以橡胶改性沥青为例 ， 分析不同存储时间和不同存储温度的条件下， 橡胶沥青性能的变化， 存储 时间定为 0 h 、 3 h 、 6 h 、 9 h 、 1 2 h 。存储温度定为 1 8 0 C、 1 9 0 ℃、 2 0 0 C、 2 1 0 C。评价橡胶改性沥青的指标分别是 针入 度、 延度、 软化点、 弹性恢复、 旋转粘度。结果表明 在高温条件和较长时间存储橡胶沥青时， 橡胶沥青的各项性能 呈现不同程度的下降， 在高温存储的条件下 ， 橡胶沥青的存储温度宜控制在 1 8 0～1 9 0 ％之间， 存储的时间应为 0 ～ 3 h。 【 关键词】 橡胶改性沥青 ； 存储时间； 存储温度； 性能 【 中图分类号】 T U 5 7 1 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 2 0 1 6 0 3 0 0 1 4 0 3 0 引言 随着国民经济的迅速发展， 汽车的保有量也逐年 递增。每年产生的废旧轮胎约有几百万条。废 旧轮 胎的处理成为大家关注的问题 ， 如果采用掩埋 的方 法 ， 对土地会造成破坏。采用焚烧 的方法， 会污染大 气空气 ， 造成的危害更加严重。因此废旧轮胎如何利 用成为大家关心 的热点。将废旧轮胎加工成橡胶粉 来制作橡胶改性沥青是处理废旧轮胎 的方法之一⋯。 橡胶沥青在应用于施工时， 既可以减少车辆在路面上 行驶产生的噪音 ， 又可以解决橡胶粉无法处置的问 题 ， 因此橡胶沥青的出现， 不仅解决了环保问题， 而且 还解决了在应用方面的问题。橡胶沥青中由于橡胶 粉的加入 ， 受不同条件的影响， 会呈现出不 同的性能。 橡胶沥青在施工过程中需要在高温存储罐 中存储 ， 以 减少粘度增加流动性， 使其容易喷出， 方便与矿质集 料拌合 ， 橡胶沥青在高温， 长时间存储条件下很有可 能产生离析， 使得其性能开始下降 。研究在高温存 储和长时间存储 的条件下 ， 橡胶改性沥青性能 的变 化 ， 以提出在高温存储的条件下 ， 橡胶改性沥青的最 佳存储条件。 应用于建筑结构达至结构的优化改进已成为推进经 济结构转型所关注的重要课题。在传统结构材料面 临更多挑战的今天， F R P材料具有的诸多优点更凸显 出其应用在土木工程领域的宝贵价值。然而， 至今对 该材料的研究成果还有所欠缺 ， 相关试验研究还存在 更进一步的完善探讨， 计算理论模型的建立仍需要进 一 步的确立 ， 直接限制了它在更多重要工程领域的应 用。除文中提到亟需解决的一些问题外 ， 目前在实际 应用 中还有很 多需 要应对 的技术难 题 ， 如 梁柱 节点 区 的锚 固 、 火灾 设计 方法 、 加 固后结 构 的疲 劳特性 研究 等。文中旨在抛砖引玉， 希望有社会责任感 的广大科 研和工程技术人员共同密切关注 ， 使 F R P混凝土结构 的研究 E t 益完善 ， 为更多高性能材料的推广应用， 走 持续发展的道路 以及推进经济结构转型的战略 目标 之成 功实现作出贡献 。 参考文献 [ 1 ] N a n n i A ． F R P r e i n f o r c e m e n t f o r c o n c r e t e s t r u c t u 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