碳纤维加劲塑料在桥梁工程中的应用.pdf

桥梁建设990 319桥梁建设 BRID G E CO NST RU CT IO N 1999年第3期 No.31999碳纤维加劲塑料在桥梁工程中的应用姜辉，周履摘要：碳纤维加劲塑料(CFRP)是一种高强、轻质、耐腐蚀、耐疲劳的现代复合材料，随着人们对现代复合材料的不断研究、开发和认识，其在结构工程中的应用将日趋增多。尽管CFRP价格较贵，但若能有效利用其独特的性能，则其经济效益将是显著的。介绍CFRP材料的特点以及在桥梁工程中的几种应用途径。关键词：碳纤维加劲塑料；复合材料；钢筋混凝土梁；桥墩；桥梁加固；缆索 中图分类号：T U 599文献标识码：A 文章编号：10 0 3-47 2 2(1999)0 3-0 0 6 3-0 3Application of Carbon Fiber Reinforced Plastics in Bridge Engineering JIANG Hui，ZHOU Lu(Bridge Scientific Research Institute,Major Bridge Engineering Bureau,Ministry of Railways,Wuhan 430034,China)Abstract:Carbon fiber reinforced plastics are modern composite materials with characteristics of high strength,light weight,strong resistance to corrosion and fatigue loadings,the use in structure engineering will be progressively increased while such modern composite materials are constantly studied,developed and recognized.In spite of its high cost,the technical and economic benefits will be notable if the specific property of CFRP can be effectively used.The features of CFRP materials,and several application channels of CFRP in bridge engineering are presented in this paper.Key words:carbon fiber reinforced plastics(CFRP)；composite material；reinforced concrete beam；bridge pier；bridge reinforcement；cable1引言 纤维加劲塑料(FRP)是由包裹在树脂母体中的连续纤维做成的复合材料，纤维起加劲作用，而树脂主要起粘合纤维的作用。纤维加劲塑料视其所用纤维的不同可分为碳纤维加劲塑料(CFRP)、玻璃纤维加劲塑料(G FRP)及芳纶纤维加劲塑料(A FRP)等三大类。碳纤维加劲塑料(以下简称CFRP)具有轻质、高强(强度超过钢材，接近高强预应力钢筋)、耐腐蚀、耐疲劳、耐火、耐久性好、操作简便等诸多优点，国际工程界从8 0 年代后期开始将其作为钢筋、预应力钢材的替代材料加以研究，并陆续将其作为PC桥梁的张拉材料、建筑物的外墙材料、既有桥梁的加固材料等等。到1997 年止，国外用CFRP力筋修建的PC桥梁已有10 余座，采用CFRP对病害桥梁进行修复加固的实例也不f i l e:/F|/q i k a n _h t m 抽取_2 0 0 0 b e f o r e/k j q k(2 0 0 8 10)/q l j s/q l j s 99/q l j s 990 3/990 319.h t m（第 15 页）2 0 10-1-1 4:2 6:0 9桥梁建设990 319少。CFRP性能优越、用途广泛，它可以做成各种形状，是一种很有发展潜力的建筑材料。2 CFRP的特点(1)抗拉强度高，一般为1 50 0 1 90 0 M Pa，高的可达2 40 0 3 0 0 0 M Pa。顺纤维方向其抗拉强度远大于普通钢筋，与高强预应力筋相近。(2)弹性模量低，约为1.6 105 M Pa。(3)疲劳性能优良，根据瑞士联邦材料试验研究所对19丝CFRP缆索的测试，当平均应力为550 M Pa 时，2 0 0 万次循环荷载应力幅度可达90 0 M Pa，高出钢材3倍。(4)重量轻。比重约为1.56 g/c m3，仅为钢材的1/51/4，便于施工安装。(5)抗腐蚀性能好。(6)热膨胀系数低，纵向约0.6 10-6/，横向约3510-6/。(7)应力-应变曲线呈线性分布(见图1)，破坏形式呈脆性。(8)具有很大的可设计性。(9)非磁性。(10)各向异性，抗剪和抗多轴向力强度低。6 3.g i f (17 6 2 b y t e s)图1CFRP板与钢筋的应力-应变曲线3CFRP筋材与力筋 3.1CFRP筋材的形式 CFRP筋材大致有如下几种形式：(1)绞线，可用作PC梁的力筋、斜拉索等。(2)棒筋及棒筋束，可用作分布筋、蹬筋、地锚等。(3)片筋或板筋，可用于墩柱、梁体、拱柱等的加固。(4)网格筋，可用于桥墩防护板的加劲等。3.2 CFRP力筋的锚固方法 在后张式PC结构中使用CFRP这种新材料时须采用符合其特性的特殊锚具及锚固方法。3.2.1CFRP杆的后张锚固方法 CFRP杆系圆形断面，表面光滑。目前CFRP杆锚固用楔块已开发了几种符合CFRP杆直径的金属楔体。已开发的锚具有一根杆的和多根杆的，多杆式CFRP杆的每根杆断f i l e:/F|/q i k a n _h t m 抽取_2 0 0 0 b e f o r e/k j q k(2 0 0 8 10)/q l j s/q l j s 99/q l j s 990 3/990 319.h t m（第 2 5 页）2 0 10-1-1 4:2 6:0 9桥梁建设990 319裂荷载小于一根的断裂荷载。因CFRP杆材没有屈服点，与预应力钢筋相比，CFRP各杆的张拉应变的变化往往与缆索的断裂有关。所以，在使用多杆锚具时需十分注意CFRP各杆长度的测定，以确保楔体安装在正确的位置上。CFRP杆的实用强度应根据所使用的锚具来确定。使用2 个楔块的CFRP杆的拉伸试验结果表明：大部分在楔块内部呈断裂状态，断裂荷载是杆本身拉伸强度的8 0%。3.2.2 CFRP绞线的后张锚固法(1)填充树脂方式系将CFRP绞线末端插入外套管(金属制、FRP制)中，并注入特殊的树脂使其固化。该方式对CFRP绞线的抗拉强度具有10 0%的锚固率，但其套管直径较大，现场施工存在一些问题，仍有待进一步研究。(2)楔块方式系在CFRP绞线的锚固位置缠绕铜线(或涂布特殊的树脂)，将其作为缓冲材料，用特殊的楔块固定CFRP绞线。该方式能够在现场的任意位置进行张拉锚固作业，但现场作业较繁复。(3)带模铸件楔块方式该方式介于上述两方式之间，系用金属模在CFRP绞线上加工特殊合金，并插入钢管施加预应力，在末端模铸件部位使用现有的预应力钢绞线并用楔块进行张拉锚固。该方式的套管直径较填充树脂方式的小，且可使用现有的楔块，对于CFRP绞线的抗拉强度具有10 0%的锚固率。4CFRP在桥梁工程中的应用 4.1用CFRP修建桥梁 4.1.1在PC桥中用CFRP筋代替预应力钢材 最早用CFRP力筋修建PC桥梁的国家是日本，它采用CFRP绞线作为先张筋修建了跨度5.7 6 m 、宽7.0 m 的Sh i n m i a 公路桥。近10 年来，CFRP力筋在PC桥梁及其它建筑结构中的应用已逐渐增多，截止1997 年，国外已有10 余座采用CFRP力筋修建桥梁的实例。4.1.2 CFRP在斜拉桥拉索中的应用 在过去的2 0 年中，斜拉桥的发展较快，其最大跨度已达8 90 m ，但斜拉索的疲劳、腐蚀问题却日趋严重，换索的事例时有发生。国外学者早在8 0 年代初就曾设想用CFRP拉索替代钢索。采用CFRP制成的拉索具有耐腐蚀、高强、弹性模量与钢相近、抗疲劳性能好等优点，1996 年瑞士成功地在苏黎世附近的斯克多斜拉桥上用2 根2 415 m m 的CFRP棒筋换下了原有的2 根130 7 m m 镀锌钢丝索，经试验验证其效果良好。CFRP拉索与钢拉索相比，具有以下优点。(1)CFRP索的等效弹性模量比钢索的高得多，且缆索越长，其等效弹性模量差别愈大(见图2)1。f i l e:/F|/q i k a n _h t m 抽取_2 0 0 0 b e f o r e/k j q k(2 0 0 8 10)/q l j s/q l j s 99/q l j s 990 3/990 319.h t m（第 35 页）2 0 10-1-1 4:2 6:0 9桥梁建设990 3196 4.g i f (447 0 b y t e s)图2 CFRP 的等效弹性模量(2)在拉索垂度、倾角及抗拉力相同的情况下，CFRP索可能达到的跨度为钢索的2.3倍。(3)在拉索水平投影长度、垂度、倾角相同的情况下，CFRP索的自重应力是钢索的1/5。若两者强度接近相等，则当钢索达到破坏荷载时，CFRP索还有充裕的能力来承受外加荷载。(4)CFRP索的维护费用比钢索低，尽管CFRP材料的价格较高，但其综合经济性能良好。总之，CFRP索的应用前景广阔，采用CFRP索可使现代斜拉桥的跨度有望突破千米甚至几千米。4.2 CFRP用于既有桥的修复加固 随着运输量的日益增加以及桥梁使用年限的增加，既有桥梁中相当一部分已不能满足使用要求，需维修加固。由于CFRP复合材料的诸多优良特性，且能以较大长度供应而无须搭接，能施加预应力，可与混凝土、砖石、钢、木材等牢固粘结，故已有越来越多的专家倾向于用CFRP板来加固既有桥梁。目前国内外将CFRP用于既有桥加固的实例已很多，其主要有以下几个用途。4.2.1用轻质CFRP板对混凝土梁进行外部加固 用外贴钢板对既有混凝土梁进行外部加固国内外已有相当多的实例，但该方法仍有很多不足之处，如钢板剥离、生锈等耐久性问题等。而使用CFRP板为桥梁的加固提供了一种新的方法。CFRP板形同薄布、易于粘贴，可适应任何形状的表面且操作简便、效果良好，大有取代钢材之势。CFRP板可粘在混凝土梁的顶、底板上用以提高梁的挠曲强度和刚度，也可粘贴在梁的腹板上用以提高其抗剪强度。把CFRP板进行粘贴施工与普通钢板的粘贴类似，但比钢板粘结快速、简便。施工时只须在处理好的底层和CFRP板上涂上胶粘剂，然后人工将CFRP板安放到底层上并加压、滚压到位即可，而无须使用顶杠或栓接。粘贴CFRP板对提高RC梁刚度是非常有效的。许多试验结果均表明，使用CFRP板f i l e:/F|/q i k a n _h t m 抽取_2 0 0 0 b e f o r e/k j q k(2 0 0 8 10)/q l j s/q l j s 99/q l j s 990 3/990 319.h t m（第 45 页）2 0 10-1-1 4:2 6:0 9桥梁建设990 319加强RC梁的强度比未用CFRP板加强的梁提高了2 4%8 0%。图3所示为U r s M e i e r 所做试验的结果。6 5.g i f (1995 b y t e s)图3RC 梁加固前后的荷载-挠度曲线4.2.2 用CFRP带材对墩柱进行抗震加固 既有桥梁经长期的地震荷载作用或遭意外撞击，其墩柱常会产生开裂甚至失效而影响桥梁的使用寿命。调查研究表明，墩柱的脆断破坏主要是纵筋的细节设计不当、横向箍筋的约束不足致使墩柱的强度与韧性指标偏低造成的。采用在主筋减少的断面粘贴板状CFRP和在环箍方向卷绕CFRP带材，能有效地提高墩柱的强度和韧性，从而提高其抗震性。因碳纤维束易变形、可紧密地缠绕在墩柱的表面，且碳纤维强度与弹性模量又较高，它形成的约束套箍可对混凝土产生很强的约束作用，它比钢板缠绕施工要简便得多。用CFRP带材加固墩柱，所使用的缠绕机不需要重型吊装设备，所需的施工空间也小，在2 h 内即可缠绕一根6 m 高的墩柱，可节约大量的人力、物力，其经济效果显著。4.2.3用CFRP带材加固拱肋和拱上立柱 国外已做过这方面的实践。试验表明，加固以后的结构其抗剪能力有所增强。CFRP材料的价格高于其它常用材料的价格，但其优良的特性已被许多室内试验和现场实践所证实。随着人们对现代复合材料的不断研究、开发和认识，相信其社会需求量将与日俱增，如能有效利用其独特的性能、且能找到合适的适用方法，则CFRP在桥梁工程中的应用将更加广泛，并能带来巨大的经济效益。作者简介：姜辉(196 5-)，女，工程师，198 5年毕于兰州铁道学院铁道工程专业，工学学士。参考文献：1李正仁.关于在直布罗陀海峡最窄处建造碳纤维强化复合材料桥的建议J.国外桥梁，1990(4)：45-50.收稿日期：1999-0 5-11f i l e:/F|/q i k a n _h t m 抽取_2 0 0 0 b e f o r e/k j q k(2 0 0 8 10)/q l j s/q l j s 99/q l j s 990 3/990 319.h t m（第 55 页）2 0 10-1-1 4:2 6:0 9碳纤维加劲塑料在桥梁工程中的应用碳纤维加劲塑料在桥梁工程中的应用作者：姜辉，周履，JIANG Hui，ZHOU Lu作者单位：刊名：桥梁建设英文刊名：BRIDGE CONSTRUCTION年，卷(期)：1999，(3)引用次数：17次 参考文献(1条)参考文献(1条)1.关于在直布罗陀海峡最窄处建造碳纤维强化复合材料桥的建议期刊论文-世界桥梁 1990(4)相似文献(3条)相似文献(3条)1.期刊论文 孙杰.孙峙华.胡荣根 碳纤维复合材料在桥梁工程中的应用及其前景-公路交通技术2004(1)碳纤维复合材料(CFRP)在桥梁工程中的应用,是目前国际土木工程领域研究开发的一个热点.本文在简述CFRP复合材料的特性和国内外的发展情况的基础上,介绍了CFRP力筋在混凝土桥中的应用情况及其对既有桥梁的加固.最后,本文还指出了CFRP复合材料应用于桥梁工程中存在的问题及其发展前景.2.期刊论文 朱伟强.沈理斌 浅析CFRP在桥梁加固中的应用-科技资讯2008(30)碳纤维加劲塑料(CFRP)是一种高强轻质、耐腐蚀、耐疲劳的新型复合材料,随着对现代复合材料的不断研究与利用,CFRP在桥梁工程中的应用也日趋多样化.本文着重介绍CFRP材料在桥梁加固中的应用.3.期刊论文 廖原.梅力彪.LIAO Yuan.MEI Li-biao 复合材料混凝土预应力组合梁的初步研究-广州大学学报(自然科学版)2004,3(2)提出了一种混杂的由玻璃纤维加劲塑料(GfRP)缠绕混凝土和粘贴预应力碳纤维加劲塑料(CFRP)片材的预应力组合结构梁.通过合理布置不同材料,使得各种材料能充分发挥各自的特长.对预应力组合结构梁进行了初步分析和研究,提出了简单的设计计算方法,并利用ANSYS有限元软件进行了计算分析和比较,分析结果表明,文中的计算方法是合理和可靠的.引证文献(17条)引证文献(17条)1.杨金纯.陈利 纤维增强复合材料在桥梁工程中的应用期刊论文-产业用纺织品 2006(04)2.高宏 体外预应力FRP筋加固混凝土梁的疲劳性能研究学位论文硕士 20063.常学亮.汪晶.杜进生 碳纤维预应力混凝土梁桥发展动向及设计要点期刊论文-公路 2005(08)4.任大龙 CFRP筋体外预应力混凝土简支梁研究学位论文硕士 20055.刘沐宇.李开兵.张学明.经柏林 碳纤维布加固损伤混凝土梁的疲劳性能试验期刊论文-武汉理工大学学报 2004(04)6.王荣霞.邢妍.白彦刚 混凝土加大桥梁截面法和碳纤维加固桥梁的研究期刊论文-河北工业大学学报 2004(03)7.吴海军.陆萍.周志祥 CFRP在新建桥梁中的应用与展望期刊论文-重庆交通学院学报 2004(01)8.文立阁 碳纤维加固钢筋混凝土梁的理论与试验研究学位论文硕士 20049.何佩军 桥梁结构裂缝分析及碳纤维加固技术学位论文硕士 200410.朱虹 新型FRP筋预应力混凝土结构的研究学位论文博士 200411.张艳梅 碳纤维加固桥梁技术实用研究学位论文硕士 200412.魏宏强 预应力碳纤维布加固混凝土梁的施工工艺及受弯承载力试验研究学位论文硕士 200413.佟爱民.张金奎.王荣霞 混凝土和碳纤维加固桥梁的足尺实桥试验研究期刊论文-公路 2003(06)14.李慧峰.熊旭光 碳纤维加固桥梁应用研究期刊论文-公路 2003(02)15.王成忠.于运花.杨小平.金日光 碳纤维/乙烯基酯树脂拉挤复合材料界面性能研究期刊论文-复合材料学报 2003(05)16.匡志平.王皓波 用碳纤维加固桥梁的现场试验研究期刊论文-同济大学学报(自然科学版)2002(02)17.匡志平.王皓波.赵强 碳纤维加固桥梁结构技术的应用期刊论文-同济大学学报(自然科学版)2001(08)本文链接：下载时间：2010年3月26日