芻議城建土木工程中高性能材料的重要性

李一棟 長江大學城市建設(shè)學院

芻議城建土木工程中高性能材料的重要性

李一棟 長江大學城市建設(shè)學院

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，我國土木工程建設(shè)也在高速發(fā)展，現(xiàn)階段的老式材料已經(jīng)不能滿足使用，而高性能新型材料的出現(xiàn)，則彌補了這一個空白；高性能新型材料在我國建筑工程的加固方面得到廣泛應用，本文結(jié)合工程實際對高性能新型在土木工程領(lǐng)域中的應用現(xiàn)狀作簡要分析。

高性能材料 優(yōu)缺點 建筑工程 重要性

纖維增強復合材料即高性能新型材料，是由纖維增強材料和基體材料按一定比例混合并經(jīng)過一系列工藝流程復合形成的高性能新型材料。這種材料近年來在建筑工程結(jié)構(gòu)中得到越來越廣泛的應用，目前是建筑工程業(yè)界關(guān)注的焦點。建筑結(jié)構(gòu)最常見的FR主要為碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維增強的樹脂基體。纖維增強復合材料以其高強度、質(zhì)量、耐腐蝕等特點受到建筑工程行業(yè)人士的青睞，但是其最為突出的應用體現(xiàn)在加固補強建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)中。

一、高性能新型材料優(yōu)點

高性能新型在建筑工程結(jié)構(gòu)的主要應用形式為纖維布，而纖維布主要用于結(jié)構(gòu)工程加固。高性能新型材料與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料相比，具有極其大的優(yōu)勢：

第一，輕質(zhì)高強。這種特性大大降低了結(jié)構(gòu)自重，在建筑工程中，若采用高性能新型材料的大跨空間結(jié)構(gòu)體系，其理論極限跨度是傳統(tǒng)材料結(jié)構(gòu)大2～3倍。在橋梁工程中相同條件下采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料，理論上的極限跨度在5000m以內(nèi)；如果換作使用高性能新型，極限跨度可達8000m以上。此外，在抗震結(jié)構(gòu)中，高性能新型材料因為輕質(zhì)高強，結(jié)構(gòu)自重大大減輕，能有效減小地震作用，且可顯著改善結(jié)構(gòu)的耐疲勞性能。

第二，耐腐蝕。纖維增強復合材料適用于不同的環(huán)境，在酸性、堿性、氯鹽和潮濕環(huán)境中均可使用。這也是纖維增強復合材料被廣泛用于化工建筑、海洋工程、鹽漬地區(qū)的地下工程和水下工程的原因之所在。據(jù)統(tǒng)計，我國每年有相當數(shù)量的橋梁因鋼材銹蝕而造成的損壞修復費用極高，而且這個維護費用正逐年攀升。

第三，可設(shè)計性強。纖維增強復合材料不同于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)材料，高性能新型的強度指標、彈性模量是可以根據(jù)工程需要而變化的，通過采用不同纖維材料、纖維含量以及鋪陳方式的改變等不同的設(shè)計工藝，生產(chǎn)出不同的高性能新型產(chǎn)品，以滿足特定工程的特殊性能要求。

第四，其他性能。高性能新型材料具有良好的彈性性能，高性能新型材料的應力應變曲線接近線彈性，塑性變形小，有利于偶然超載后的變形恢復；高性能新型材料可實現(xiàn)工廠化生產(chǎn)，現(xiàn)場安裝，有利于保證工程質(zhì)量、提高勞動效率和建筑工業(yè)化；除此之外，高性能新型材料還具有良好的絕緣、隔熱、熱膨脹系數(shù)小及透電磁波等，因此可用于一些特殊場合如雷達站、地磁觀測站、醫(yī)療核磁共振設(shè)備結(jié)構(gòu)等。

二、高性能新型材料的廣泛應用

第一，高性能新型片材加固混凝土結(jié)構(gòu)。第一種常見情況是纏繞加固混凝土柱。這種加固方式經(jīng)實踐證明是最有效的混凝土加固方式。第二種常見情況是通過在梁、板受拉面粘貼高性能新型片材能提高梁、板的受拉承載力，并有效控制裂縫。但是，值得注意的是，高性能新型片材的受拉作用不能及時發(fā)揮，往往要待受拉鋼筋屈服后方能起作用，而此時梁、板的撓度變形已很大，高性能新型片材并不能作為應急措施。

第二，高性能新型加固修復鋼結(jié)構(gòu)。其一，用于受彎構(gòu)件的加固。如果鋼梁沒有初始損傷，此時用高性能新型修復加固會一定程度的提高其承載能力，但是不對其剛度造成影響。如果受彎構(gòu)件本身已經(jīng)損傷，再用高性能新型加固修復，其剛度是能夠很大程度恢復的，最好的情況下可恢復未損傷狀況下鋼梁剛度的90%以上，鋼結(jié)構(gòu)極限承載力同時受到加固量和損傷程度影響。對損傷鋼梁采用高性能新型加固后，高性能新型材料在損傷部位與鋼梁將發(fā)生剝離破壞，從而從分發(fā)揮出高性能新型材料的高強作用。但是也有可能過早發(fā)生剝離破壞，在實際施工中，重點是把握好剝離破壞發(fā)生的時間，并采取措施延緩或避免剝離破壞的發(fā)生。其二，高性能新型布加固受拉構(gòu)件。這種方式可有效提高鋼構(gòu)件的屈服荷載和極限荷載，且破壞大多發(fā)生在斷面附近或高性能新型布端部的脫膠破壞，破壞極限是高性能新型不被拉斷。鋼構(gòu)件的極限承載能力隨脫膠的位置和程度的改變而改變。因此，膠粘劑在高性能新型用于受拉構(gòu)件的加固中起著十分重要的作用。高性能新型對于受壓構(gòu)件的加固中，一般情況下采用沿柱子環(huán)向粘貼高性能新型布，這樣粘貼效果好于縱向粘貼的加固，極限承載力可提高15%～18%。同時，采用環(huán)向高性能新型布加固，不會出現(xiàn)高性能新型布斷裂和鋼構(gòu)件與高性能新型布之間的剝離現(xiàn)象，最后破壞僅出現(xiàn)在鋼柱局部屈曲破壞；如果采用縱向加固，則會出現(xiàn)高性能新型布與鋼構(gòu)件之間的剝離破壞。

第三，高性能新型用于鋼結(jié)構(gòu)的加固應用還有好些方面。如采用高性能新型加固后，鋼結(jié)構(gòu)會存在疲勞損傷，那么它的剩余疲勞壽命均成倍增長，加固效果良好。但應注意到，對高性能新型加固鋼結(jié)構(gòu)采用高性能新型加固后，會改變鋼結(jié)構(gòu)原有受力狀態(tài)，原來全部荷載由鋼結(jié)構(gòu)承受，在加固后通過膠粘劑的傳遞，由鋼結(jié)減應力或正應力存在應力集中，容易引起膠層的破壞。為了避免膠層的剝離破壞，常采用把高性能新型板兩端做成45。角的方式以有效減小膠層的應力；也可把高性能新型布兩端固定，用以抵抗端部較大的正應力和減應力，同時，應著眼于開發(fā)性能高成本低、適用于鋼結(jié)構(gòu)加固的膠粘劑材料。

三、結(jié)論

高性能新型材料在我國的應用的領(lǐng)域主要為結(jié)構(gòu)的加固修補方面，在其它方面的應用相對滯后，技術(shù)也不是很成熟。而高性能新型材料作為一種新型的建筑材料，雖然目前其市場價仍然處于較高水平，對它的廣泛投入使用有一定程度的制約，但其綜合效益不可忽視，必將給建筑工程結(jié)構(gòu)帶來新的發(fā)展契機。因此我們?nèi)匀灰芯扛咝阅苄滦驮诮ㄖこ探Y(jié)構(gòu)中的應用，使得這種新型材料能廣泛的應用到各個領(lǐng)域。

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