第六章FRP在工程中的应用与发展.ppt

第六章第六章FRP在土木工程在土木工程中的应用中的应用一、一、FRP材料及制品材料及制品(Fiber Reinforced Polymer)        由高性能纤维与基体材料复合构成由高性能纤维与基体材料复合构成◆◆ 常用纤维种类常用纤维种类     碳纤维（组成碳纤维（组成CFRP））     玻璃纤维（组成玻璃纤维（组成GFRP））     芳纶纤维（组成芳纶纤维（组成AFRP））◆◆ 基体材料基体材料     树脂基体、金属基体、陶瓷基体和碳素基体树脂基体、金属基体、陶瓷基体和碳素基体uFRP材料的优越性能材料的优越性能轻质高强轻质高强耐腐蚀性好耐腐蚀性好抗疲劳抗疲劳弹性好弹性好抗冲击抗冲击透电磁波透电磁波绝缘绝缘导电导电热胀系数小热胀系数小适合工业化适合工业化常用纤维的主要力学性能与钢材对比常用纤维的主要力学性能与钢材对比常用树脂的性能常用树脂的性能◆◆ FRP制品制品       片材（布和薄板）片材（布和薄板） 棒材（筋和索）棒材（筋和索） 型材型材 夹层板和蜂窝板夹层板和蜂窝板FRP片材片材全称：聚对苯撑苯并双口恶唑纤维全称：聚对苯撑苯并双口恶唑纤维, ,是含有杂环芳香族的是含有杂环芳香族的聚酰胺聚酰胺家族中最家族中最有发展前途的一个成员，被誉为有发展前途的一个成员，被誉为2121世世纪超级纪超级纤维纤维 FRP棒材和索棒材和索FRP筋筋方形方形CFRP螺旋箍螺旋箍圆形圆形CFRP螺旋箍螺旋箍井式井式CFRP复合箍复合箍FRP型材型材FRP夹层板和蜂窝板夹层板和蜂窝板二、二、FRP在工程结构中的应用在工程结构中的应用u FRP片材加固补强片材加固补强u FRP筋混凝土结构及预应力混凝土结构筋混凝土结构及预应力混凝土结构u FRP结构及结构及 FRP组合结构组合结构u 桥梁中的桥梁中的FRP结构和结构和FRP构件构件u FRP大跨结构体系大跨结构体系u  结构健康监测结构健康监测1 1、工程结构加固补强、工程结构加固补强Ø 柱：抗压承载力加固和抗震加固柱：抗压承载力加固和抗震加固Ø 梁、柱：抗剪加固梁、柱：抗剪加固Ø 梁、板：抗弯加固梁、板：抗弯加固Ø 节点及受扭加固节点及受扭加固Ø 剪力墙和薄壁柱加固剪力墙和薄壁柱加固Ø 特种结构加固特种结构加固（隧道、输水洞、烟囱等）（隧道、输水洞、烟囱等）Ø 腐蚀环境下构件腐蚀环境下构件：耐久性修补加固：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片材包裹混凝土柱，片材包裹混凝土柱，约束混凝土，提高延性约束混凝土，提高延性U形箍包裹，提高其形箍包裹，提高其抗剪承载力。

抗剪承载力厂房框架梁、板加固厂房框架梁、板加固 FRP粘贴混凝土梁、板粘贴混凝土梁、板表面，承受拉力，提高表面，承受拉力，提高抗弯承载力抗弯承载力FRP粘贴混凝土梁表面，承受拉力，提高抗粘贴混凝土梁表面，承受拉力，提高抗扭承载力扭承载力FRP片材粘贴钢筋混凝土框架梁柱节点附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片材加固特种结构片材加固特种结构FRP片材耐久性加固片材耐久性加固FRP加固的主要破坏形式加固的主要破坏形式  • 纤维断裂纤维断裂——材料的极限强度材料的极限强度  • 界面剥离界面剥离——界面的极限强度界面的极限强度  • 混凝土的脆性破坏混凝土的脆性破坏——超筋和剪切破坏超筋和剪切破坏设计中应注意的问题：设计中应注意的问题：  • 合理的加固方式合理的加固方式  • 合理的加固量合理的加固量  • 必需的构造措施必需的构造措施纤维破坏纤维破坏纤维剥离纤维剥离FRP加固相关设计规范加固相关设计规范• 《《纤维复合材料加固修复混凝土结构技术规程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）（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）（行业标准，已实行）• 《《钢筋混凝土结构加固技术规程钢筋混凝土结构加固技术规程》》（行业标准，已实行）（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）（国家规范，编制中） • 应用应用FRP筋代替钢筋筋代替钢筋 • 应用应用FRP筋或筋或FRP索代替预应力钢丝、钢绞线索代替预应力钢丝、钢绞线2、、FRP筋混凝土结构及预应力混凝土结构筋混凝土结构及预应力混凝土结构底板配底板配FRP筋的混凝土基础筋的混凝土基础预应力预应力FRP筋混凝土轨枕筋混凝土轨枕（（1））FRP筋的类别筋的类别         FRP筋基材为聚酯、环氧等筋基材为聚酯、环氧等。

FRP筋中纤维占筋中纤维占60%～～65%基材对FRP筋的抗拉强度没有贡献筋的抗拉强度没有贡献        通过不同的加工方法，通过不同的加工方法，FRP筋可加工成不同的种筋可加工成不同的种类，主要有以下几种：类，主要有以下几种：①①表面进行表面进行砂化处理砂化处理的的GFRP筋；筋；②②与钢绞线相似并在与钢绞线相似并在7股之间用股之间用环氧粘结环氧粘结的的CFRP预应力筋；预应力筋；③③为加强与混凝土的粘结表面进行为加强与混凝土的粘结表面进行刻痕处刻痕处理理的的FRP筋；筋；④④为加强粘结为加强粘结表面进行处理表面进行处理并把截面制并把截面制成矩形的成矩形的FRP筋等方形方形CFRP螺旋箍螺旋箍圆形圆形CFRP螺旋箍螺旋箍井式井式CFRP复合箍复合箍（（2））FRP筋的性能筋的性能         FRP筋具有筋具有轻质高强、抗腐蚀、低松弛、非磁性、轻质高强、抗腐蚀、低松弛、非磁性、抗疲劳抗疲劳等优点由于等优点由于FRP筋具有较好的抗腐蚀能力，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；可用于遭受腐蚀性介质侵袭的结构中；FRP筋具有非筋具有非磁性，可用于有特殊要求的结构如雷达站中；磁性，可用于有特殊要求的结构如雷达站中；FRP预预应力筋低松弛且弹性模量较小，可以降低由于混凝土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。

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在混凝土结构中使用FRP筋也存在一些缺点筋也存在一些缺点FRP筋为线弹性脆性材料，没有明显的屈服平台，筋为线弹性脆性材料，没有明显的屈服平台，延延性较差性较差目前FRP筋的应用尚处于初级阶段，因而筋的应用尚处于初级阶段，因而费费用较高用较高与混凝土相似，与混凝土相似，FRP筋存在高应力下的筋存在高应力下的徐变徐变脆断脆断的问题（（3）） FRP筋的设计筋的设计        由于由于FRP筋的材性与钢筋有显著的区别，因而在筋的材性与钢筋有显著的区别，因而在用用FRP筋进行结构设计时，应注意以下几点：筋进行结构设计时，应注意以下几点：Ø由于由于FRP筋为脆性材料，因而构件可能没有相应的塑筋为脆性材料，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；性转动能力，同时也不可能进行弯矩重分布；Ø应考虑到应考虑到FRP筋可能断裂对构件强度的不利影响；筋可能断裂对构件强度的不利影响；Ø由于由于FRP筋为弹性模量较小的脆性材料，用于计算构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；件承载力的公式必须经过修改方可使用；Ø如果如果FRP筋受到损伤，其强度会有较大的降低；筋受到损伤，其强度会有较大的降低；ØFRP筋的变形能力比普通钢筋明显偏小，因而在设计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使用时应使结构的变形要求小于FRP筋的变形能力；筋的变形能力；Ø应注意到使用应注意到使用FRP筋构件的侧向抗力较差。

筋构件的侧向抗力较差（（4））FRP筋的应用筋的应用Ø混凝土桥梁大梁和板中的配筋或外部加固筋（轻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）质高强及抗腐蚀性好）Ø用做斜拉桥的拉索用做斜拉桥的拉索Ø用做预应力筋用做预应力筋Ø由于由于FRP筋的非磁性，可用于雷达站结构中筋的非磁性，可用于雷达站结构中Ø可用做水泥路面的传力杆，因为普通钢筋传力杆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用性和耐久性3、、FRP结构及结构及FRP组合结构组合结构         应用应用FRP型材作为基本构件，组成结构型材作为基本构件，组成结构        应用应用FRP型材充当模板与钢材、混凝土组合受力形型材充当模板与钢材、混凝土组合受力形成基本构件成基本构件        FRP-混凝土组合结构是将混凝土组合结构是将FRP产品与混凝土，通过产品与混凝土，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，以承担荷载的结构形式。

其中，以FRP拉挤型材与混凝土拉挤型材与混凝土组合形式为主组合形式为主        FRP拉挤型材是将纤维束和树脂采用拉挤成型，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，他材料组合受力相比传统材料，FRP拉挤型材初始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费用较高，但用于组合结构可达到一个较优性价比此外，此外，FRP型材可兼为模板，便于施工型材可兼为模板，便于施工4、桥梁中的、桥梁中的FRP结构结构        从上世纪从上世纪70年代开始，年代开始，FRP材料就开始在桥梁工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，当时大多采新型材料作为桥梁结构中的主要构件，当时大多采用的是用的是GFRP世界上第一座世界上第一座FRP公路桥公路桥(北京密云北京密云)FRP桥梁的显著优势：桥梁的显著优势：（（（（1 1）自重轻，架设速度快）自重轻，架设速度快）自重轻，架设速度快）自重轻，架设速度快（（（（2 2）抗腐蚀能力强且不透水）抗腐蚀能力强且不透水）抗腐蚀能力强且不透水）抗腐蚀能力强且不透水（（（（3 3）抗超载和抗疲劳）抗超载和抗疲劳）抗超载和抗疲劳）抗超载和抗疲劳（（（（4 4）抗震性能好）抗震性能好）抗震性能好）抗震性能好（（（（5 5）可实现更大跨度）可实现更大跨度）可实现更大跨度）可实现更大跨度（（（（6 6）外表美观，色泽持久）外表美观，色泽持久）外表美观，色泽持久）外表美观，色泽持久（（（（7 7）独特的功能性）独特的功能性）独特的功能性）独特的功能性FRP人行桥人行桥FRP人行桥人行桥FRP夹心桥面板夹心桥面板FRP夹心桥面板夹心桥面板趋势：趋势：(1)采用采用FRP筋、索作预应力混凝土桥梁的力筋、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，将成为能发挥其轻质高强的优良特性，将成为FRP复合复合材料在桥梁中应用的重点。

材料在桥梁中应用的重点2)FRP在桥梁梁体和柱体在桥梁梁体和柱体(含拱肋含拱肋)中的应用宜采中的应用宜采用用FRP复合材料与高强混凝土组合结构，以便充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，分发挥两种材料的优点，降低成本，减轻自重，提高跨越能力提高跨越能力3)FRP预应力加固旧桥预应力加固旧桥，，所需费用不高所需费用不高，，效果可观效果可观，，是值得首先推广应用的领域是值得首先推广应用的领域5、、FRP大跨结构体系大跨结构体系        FRP轻质高强可以实现更大的跨度轻质高强可以实现更大的跨度FRP网架网架FRP轻型屋盖体系轻型屋盖体系FRP大跨编织网结构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，并由纤维增强复合材料板条编织成一定形状，并由纤维增强复合材料板条编织成一定形状，并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，从而通过平面外整体张拉使其具有一定几何刚度，从而通过平面外整体张拉使其具有一定几何刚度，从而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。

能承受屋面的竖向荷载，并具有很好的建筑效果能承受屋面的竖向荷载，并具有很好的建筑效果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编织网面的几何构成是编织网承受外荷载的基编织网面的几何构成是编织网承受外荷载的基编织网面的几何构成是编织网承受外荷载的基础，其包括网面础，其包括网面础，其包括网面础，其包括网面平面编织方式平面编织方式平面编织方式平面编织方式和和和和板条层叠关系板条层叠关系板条层叠关系板条层叠关系两部两部两部两部分，不同的几何构成对结构的力学行为会产生一定分，不同的几何构成对结构的力学行为会产生一定分，不同的几何构成对结构的力学行为会产生一定分，不同的几何构成对结构的力学行为会产生一定的影响Ø平面编织方式平面编织方式平面编织方式一：平面编织方式一：平铺式平铺式平面编织方式二：平面编织方式二：圆形边界辐射式圆形边界辐射式平面编织方式三：平面编织方式三：方形边界辐射式方形边界辐射式平面编织方式四：平面编织方式四：圆形边界内接式圆形边界内接式平面编织方式五：平面编织方式五：方形边界辐射式方形边界辐射式+内接式编织内接式编织编织网面根据板条的层叠情况，可以分为编织网面根据板条的层叠情况，可以分为编织网面根据板条的层叠情况，可以分为编织网面根据板条的层叠情况，可以分为完完完完善编织善编织善编织善编织和和和和非完善编织非完善编织非完善编织非完善编织两种情形。

两种情形两种情形两种情形如果对于任意一根板条，在此板条在与其他如果对于任意一根板条，在此板条在与其他如果对于任意一根板条，在此板条在与其他如果对于任意一根板条，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，如果此板板条相交的交点中任取两个相邻的交点，如果此板板条相交的交点中任取两个相邻的交点，如果此板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，那么这条在这两个交点处的上下关系都是相反的，那么这条在这两个交点处的上下关系都是相反的，那么这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；否则为非完善编织种平面编织就是完善编织；否则为非完善编织种平面编织就是完善编织；否则为非完善编织种平面编织就是完善编织；否则为非完善编织Ø板条层叠关系板条层叠关系1234试验表明，在试验表明，在试验表明，在试验表明，在FRPFRP大跨编织网体系中，大跨编织网体系中，大跨编织网体系中，大跨编织网体系中，FRPFRP板板板板条基本上处于条基本上处于条基本上处于条基本上处于单向受拉单向受拉单向受拉单向受拉的理想应力状态，因此可以的理想应力状态，因此可以的理想应力状态，因此可以的理想应力状态，因此可以充分发挥充分发挥充分发挥充分发挥FRPFRP轻质高强的特点，使整体结构具有较轻质高强的特点，使整体结构具有较轻质高强的特点，使整体结构具有较轻质高强的特点，使整体结构具有较高的承载力储备和较大的变形能力。

因此高的承载力储备和较大的变形能力因此高的承载力储备和较大的变形能力因此高的承载力储备和较大的变形能力因此FRPFRP编织编织编织编织网体系在大跨结构体系中具有良好的应用前景网体系在大跨结构体系中具有良好的应用前景网体系在大跨结构体系中具有良好的应用前景网体系在大跨结构体系中具有良好的应用前景但是，但是，但是，但是，FRPFRP大跨编织网结构中板条存在大跨编织网结构中板条存在大跨编织网结构中板条存在大跨编织网结构中板条存在滑动滑动滑动滑动、、、、分离分离分离分离和和和和压紧压紧压紧压紧等现象板条的这些行为对整体结构有等现象板条的这些行为对整体结构有等现象板条的这些行为对整体结构有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何影响，还需要继续进行深入的研究何影响，还需要继续进行深入的研究何影响，还需要继续进行深入的研究6、、FRP健康监测健康监测        CFRP具有导电性，应用这个特性可以实现自监测具有导电性，应用这个特性可以实现自监测的结构1. 1.与传统结构材料不同，与传统结构材料不同，与传统结构材料不同，与传统结构材料不同，FRP FRP 材料通常表现为各材料通常表现为各材料通常表现为各材料通常表现为各向异性，纤维方向的强度和弹模较高，向异性，纤维方向的强度和弹模较高，向异性，纤维方向的强度和弹模较高，向异性，纤维方向的强度和弹模较高，   而垂直纤维而垂直纤维而垂直纤维而垂直纤维方向的强度和弹模很低。

有关产品资料表明，两个方方向的强度和弹模很低有关产品资料表明，两个方方向的强度和弹模很低有关产品资料表明，两个方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向的抗拉强度相差可达向的抗拉强度相差可达向的抗拉强度相差可达25 25 倍，倍，倍，倍，   抗压强度相差可达抗压强度相差可达抗压强度相差可达抗压强度相差可达5  5 倍，模量相差可达倍，模量相差可达倍，模量相差可达倍，模量相差可达13 13 倍此外，纤维方向的抗拉强倍此外，纤维方向的抗拉强倍此外，纤维方向的抗拉强倍此外，纤维方向的抗拉强度比抗压强度高度比抗压强度高度比抗压强度高度比抗压强度高30%30%三、三、FRP材料的缺点材料的缺点2. 2.与钢材相比较，除与钢材相比较，除与钢材相比较，除与钢材相比较，除CFRPCFRP外的其它外的其它外的其它外的其它FRP FRP 产品的产品的产品的产品的弹性模量较低：大约为钢材的弹性模量较低：大约为钢材的弹性模量较低：大约为钢材的弹性模量较低：大约为钢材的1/201/20～～～～1/21/2，大致与混，大致与混，大致与混，大致与混凝土和木材在同一数量级弹模低是凝土和木材在同一数量级。

弹模低是凝土和木材在同一数量级弹模低是凝土和木材在同一数量级弹模低是FRP FRP 作为结构作为结构作为结构作为结构材料最大的劣势材料最大的劣势材料最大的劣势材料最大的劣势，，，，在设计中要充分考虑这个特点在设计中要充分考虑这个特点在设计中要充分考虑这个特点在设计中要充分考虑这个特点3. 3.与钢材相比，与钢材相比，与钢材相比，与钢材相比，FRP FRP 材料强度有较大的离散性材料强度有较大的离散性材料强度有较大的离散性材料强度有较大的离散性钢材屈服强度的离散系数约为钢材屈服强度的离散系数约为钢材屈服强度的离散系数约为钢材屈服强度的离散系数约为0.10.1，，，，   而而而而FRPFRP产品拉伸产品拉伸产品拉伸产品拉伸强度的离散系数约为强度的离散系数约为强度的离散系数约为强度的离散系数约为0.150.154.FRP 4.FRP 结结结结   构可以采用铆接、栓接和粘接，但不管构可以采用铆接、栓接和粘接，但不管构可以采用铆接、栓接和粘接，但不管构可以采用铆接、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那种连接方式，连接部位都是整个构件的薄弱环节那种连接方式，连接部位都是整个构件的薄弱环节。

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）（抗剪强度低）（抗剪强度低）（抗剪强度低）5. 5.与混凝土相比，一般与混凝土相比，一般与混凝土相比，一般与混凝土相比，一般FRP FRP 材料的防火性能较差材料的防火性能较差材料的防火性能较差材料的防火性能较差临界温度为临界温度为临界温度为临界温度为300℃300℃左右，而且部分左右，而且部分左右，而且部分左右，而且部分   树脂材料有可燃性树脂材料有可燃性树脂材料有可燃性树脂材料有可燃性目前采用环氧树脂的目前采用环氧树脂的目前采用环氧树脂的目前采用环氧树脂的   FRP FRP 材料，在树脂中掺入阻燃材料，在树脂中掺入阻燃材料，在树脂中掺入阻燃材料，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剂，表面进行防火处理，其效果已经可以与混凝土结剂，表面进行防火处理，其效果已经可以与混凝土结剂，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 6. GFRP 与混凝土碱性反应造成的耐久性下降与混凝土碱性反应造成的耐久性下降与混凝土碱性反应造成的耐久性下降与混凝土碱性反应造成的耐久性下降   。