纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在工程加固中的應(yīng)用和探討

李 延，何 遠(yuǎn)，竇 勇

（滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 滁州 239000）

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在工程加固中的應(yīng)用和探討

李 延，何 遠(yuǎn)，竇 勇

（滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 滁州 239000）

本文介紹了纖維復(fù)合材料研究現(xiàn)狀與工程中的應(yīng)用。對(duì)研究和應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)與分析，對(duì)復(fù)合材料的研究和應(yīng)用前景作出展望，為將來(lái)更加深入的研究和更廣泛的應(yīng)用打下了一定的基礎(chǔ)。

復(fù)合材料；研究；應(yīng)用；展望

一、概述

材料的發(fā)展是人類進(jìn)步的重要標(biāo)志之一，長(zhǎng)久以來(lái)人們研究制造材料的方法是通過(guò)材料科學(xué)家的努力制造出各種新材料，以達(dá)到獲得更優(yōu)異性能材料的目的，但是這種方法難度高且周期長(zhǎng)。同時(shí)，人們也發(fā)現(xiàn)將兩種以上的材料進(jìn)行復(fù)合能夠發(fā)揮兩種材料的優(yōu)點(diǎn)從而得到更高性能的材料，更突出的特點(diǎn)是可以對(duì)材料進(jìn)行設(shè)計(jì)使材料產(chǎn)生各向異性以完成特殊的功能。這無(wú)疑在某些方面是材料科學(xué)發(fā)展的一條捷徑。

二、材料性能

作為混雜材料之一的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料FRP(Fiber Reinforced Ploymer/Plastic)具有突出的優(yōu)越性能：

(一)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明FRP強(qiáng)度高可達(dá)3000Mpa以上，密度低，約為鋼材的1/5，鋁的1/4，其比強(qiáng)度和比模量都比鋼、鋁合金高出很多，是鋼的5倍，鋁合金的4倍，鈦合金的3.5倍。因此，用FRP制件在強(qiáng)度相同的條件下，可減輕構(gòu)件質(zhì)量和減小尺寸。這對(duì)土木工程抗震尤有意義。

（二）FRP的疲勞性能也具有明顯的優(yōu)勢(shì)。一般認(rèn)為疲勞破壞是由于在材料內(nèi)部存在著微小的裂紋，因而存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，在交變荷載作用下微小裂紋不斷發(fā)展又進(jìn)一步加大了裂紋的發(fā)展，減小了受力面積并加大了應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而使其在遠(yuǎn)小于其破壞強(qiáng)度的情況下破壞。但是纖維與基體的界面能夠阻止裂縫的開(kāi)展從而提高其抗疲勞性能。

（三）由于比模量高，F(xiàn)RP具有更高的自振頻率。使其與土木結(jié)構(gòu)的自振頻率有效錯(cuò)開(kāi)，從而不易發(fā)生共振。[5]同時(shí)由于基體界面良好的吸能作用使其具有較高的阻尼，降低加速度峰值，這些性能對(duì)于抗震具有重要的作用。根據(jù)有阻尼體系運(yùn)動(dòng)方程，有阻尼體系單質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)幅值是按指數(shù)函數(shù)規(guī)律衰減的，阻尼不斷消耗能量，使得震動(dòng)減弱直至消失。

幾種FRP材料的橫向縱向的力學(xué)性能見(jiàn)表1。

表1 常用纖維和樹(shù)脂的力學(xué)性能

三、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的研究與應(yīng)用

（一）混凝土加固工程中的應(yīng)用

在2005年，中國(guó)水利水電科學(xué)研究院結(jié)構(gòu)材料所曾會(huì)同北京中水科海利工程技術(shù)有限公司對(duì)秦屯泄洪閘使用FRP碳纖維布進(jìn)行了加固。該閘建于上世紀(jì)60年代，至今已運(yùn)行40余年，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了嚴(yán)重的老化，主要是閘墩的貫穿性裂縫凍融剝蝕混凝土碳化和剝落，嚴(yán)重地影響了結(jié)構(gòu)的安全。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)表明，在每個(gè)閘墩均存在沿弧門支臂方向的裂縫，裂縫的長(zhǎng)度為2.5m～4m不等，裂縫寬度為0.5mm～1.0mm，均為貫穿性裂縫，閘墩前水平向裂縫一般長(zhǎng)3m左右，從牛腿前部延伸至弧形閘門軌道處，裂縫寬度為7mm～10mm，均為貫穿性裂縫，豎向裂縫一般發(fā)生在牛腿的前后，從牛腿高程處基本裂至底部，縫長(zhǎng)超過(guò)3m，縫寬約5mm，也均為貫穿性裂縫，其它細(xì)微裂縫較多。該破壞造成的問(wèn)題主要是在結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)受壓區(qū)出現(xiàn)了拉應(yīng)力，以及橋墩沿水平裂縫的抗滑移失穩(wěn)。經(jīng)設(shè)計(jì)采用的加固措施是：對(duì)于貫穿性裂縫的修補(bǔ)，首先對(duì)裂縫內(nèi)部進(jìn)行化學(xué)灌漿，灌漿材料為改性環(huán)氧樹(shù)脂漿材，然后在膠材上沿垂直裂縫方向粘貼雙層碳纖維布進(jìn)行加固。對(duì)銹蝕的鋼筋則先進(jìn)行除銹處理，除銹后在鋼筋表面涂一層防銹漆，采用立模澆筑聚合物混凝土，回填處理鋼筋時(shí)開(kāi)的槽，3天后拆除模板，將混凝土表面打磨平整，然后在修復(fù)后的裂縫表面上，沿弧門推力方向粘貼雙層碳纖維布（CFRP），進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固處理。該閘經(jīng)加固后使用至今，經(jīng)驗(yàn)證效果良好。

在該加固工程中，加固理論是在受拉裂縫區(qū)以垂直裂縫方向粘貼FRP纖維布，因?yàn)橹骼瓚?yīng)力垂直于裂縫方向，將混凝土的拉應(yīng)力傳遞給FRP纖維布，由于FRP布的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于混凝土的拉應(yīng)力從而達(dá)到加固效果?？梢栽O(shè)想粘貼的纖維布在滿足荷載的前提下應(yīng)該盡可能的減少用量，一方面可以減少造價(jià)，另一方面利于提高結(jié)構(gòu)的整體性能。這就需要對(duì)FRP布的粘貼數(shù)量與方向進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（二）木結(jié)構(gòu)加固工程中的應(yīng)用

我國(guó)曾對(duì)天安門城樓大型木柱采用碳纖維布進(jìn)行加固，使用表明這種加固有效地提高了強(qiáng)度，延長(zhǎng)了使用年限。2000年，同濟(jì)大學(xué)預(yù)應(yīng)力研究所和上海同吉預(yù)應(yīng)力工程有限公司采用CFRP片材加固上海財(cái)經(jīng)大學(xué)24m跨度的木結(jié)構(gòu)，使用至今效果良好。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證該種加固方法可以提高木結(jié)構(gòu)的軸心抗壓能力20%～30%。其加固形式如下如圖1所示。

這種加固方法的原理是利用纖維布的握裹力來(lái)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的軸心抗壓承載力和極限變形，因?yàn)榱⒅谌驊?yīng)力作用下的強(qiáng)度與變形均大大提高了。

圖1

（三）FRP片材加固結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)研究

2005年，武漢大學(xué)土木建筑學(xué)院使用纖維片材加固地下管道的試驗(yàn)。地下管道加固試驗(yàn)的研究有兩個(gè)內(nèi)容，分別為地下管道受內(nèi)部液體壓力作用下的加固和地下管道受外部壓力下的加固。其受力與結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示：

圖2

這兩種實(shí)驗(yàn)的加固方法均為在管道內(nèi)壁粘貼FRP碳纖維布。試驗(yàn)結(jié)果[1]表明兩種情況下管道的承載能力均產(chǎn)生了明顯的提高，外壓力作用下極限承載力提高效果達(dá)到46.8%[3]，內(nèi)壓力作用下達(dá)到了24.2%[4]。

利用彈性力學(xué)理論[2]對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析，在上述實(shí)驗(yàn)中雖然粘貼纖維布的形式是相同的但是加固機(jī)理是不同的。我們將圓環(huán)取出一個(gè)微段分析其內(nèi)力，如圖3所示：

圖3

在彈性體小變形條件下，承受內(nèi)壓力圓環(huán)的內(nèi)力計(jì)算公式為壁拉應(yīng)力是外壁拉應(yīng)力的1.22倍。內(nèi)壁用FRP布加強(qiáng)后管道的破壞則由外壁強(qiáng)度來(lái)決定，這一結(jié)論也與試驗(yàn)相符合。這說(shuō)明在內(nèi)壓力下內(nèi)貼纖維布的方法是可行的。

在外壓力下，σφ的值為壓應(yīng)力，纖維布不能直接承受荷載，而其極限承載力確提高了46.8%。這是因?yàn)楫?dāng)管道發(fā)生較大的變形后管道上下的內(nèi)壁產(chǎn)生了拉應(yīng)力，纖維與混凝土和鋼筋共同工作從而提高了承載力。同時(shí)試驗(yàn)說(shuō)明在纖維用量相同的條件下保護(hù)層厚度，粘貼方式和施工工藝對(duì)承載力的提高也有明顯的影響，這是因?yàn)槌休d力的提高不只取決于加固材料的強(qiáng)度而且與內(nèi)力重分布有重要的關(guān)系。

通過(guò)上述分析，我們可以得出結(jié)論：該試驗(yàn)在利用FRP增強(qiáng)復(fù)合材料的高強(qiáng)抗拉能力沒(méi)時(shí)有對(duì)纖維與基體材料的協(xié)同工作和內(nèi)力重分布建立嚴(yán)格的理論。因此在進(jìn)行加固設(shè)計(jì)時(shí)，除了需要考慮加固材料的強(qiáng)度外，還應(yīng)該考慮塑性內(nèi)力重分布和保護(hù)層厚度、粘貼方式等因素才能滿足設(shè)計(jì)和研究的需要。

四、前景與展望

綜上所述，在將來(lái)的研究當(dāng)中應(yīng)該建立結(jié)構(gòu)的整體應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系，建立纖維最佳用量的計(jì)算模型。而且由于混雜材料的離散性比較大，粘貼和纏繞方式還不規(guī)范都急需建立相應(yīng)的計(jì)算公式和標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)本文可以看出現(xiàn)有的研究和應(yīng)用大多是碳纖維和環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行復(fù)合，這種復(fù)合材料存在著碳纖維材料剛度低沒(méi)有塑性流動(dòng)階段等缺點(diǎn)，由于強(qiáng)度太高和價(jià)格原因結(jié)構(gòu)體在彈性小變形階段直接使用FRP進(jìn)行加固是不經(jīng)濟(jì)的。但極限強(qiáng)度高可以設(shè)想將碳纖維和金屬基體混合后的材料將具有兩種材料共同的優(yōu)點(diǎn)。如果使用復(fù)合材料對(duì)工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行定向設(shè)計(jì)，增大其阻尼，并充分發(fā)揮其二次剛度將具有廣闊的前景。

[1]莊榮忠，楊勇新.FRP加固木結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀[J].四川建筑科學(xué)研究，2008，（5）：89-92.

[2]徐芝綸.彈性力學(xué)簡(jiǎn)明教程[M].北京：高等教育出版社，2009.

[3]章衛(wèi)松，陳尚建，劉逸敏.纖維材料加固鋼筋混凝土壓力管道的試驗(yàn)研究[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電，2005，（6）：56-58.

[4]劉逸敏，陳尚建，章衛(wèi)松.纖維材料加固鋼筋混凝土壓力管道的試驗(yàn)研究[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電，2005，（5）：67-69.

[5]周祖福.復(fù)合材料學(xué)[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2009.

TU337.9+4 < class="emphasis_bold">文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

A

1671-5993（2011）04-0065-03

2011-11-25

李延(1979-)，男，河南開(kāi)封人，滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木系教師。

何遠(yuǎn)(1971-)，男，河南開(kāi)封人，河南大建建筑設(shè)計(jì)有限公司工程師。

竇勇(1986-)，男，河南開(kāi)封人，河南大學(xué)土木建筑學(xué)院結(jié)構(gòu)工程碩士研究生。