高性能cfrp拉索独塔斜拉桥

高性能cfrp拉索独塔斜拉桥

0混凝土结构的发展及展望在过去的50多年里，中国的土木工程建设一直没有停止，而且发展迅速。特别是改革开放20多年来，发展迅速，中国的土木工程建设几乎成为一个重要建设基地。新的高楼大厦、展览中心、工业厂房、多层住宅,铁路、公路及桥梁、隧道、港口、航道及大型水利工程,在祖国各地,如雨后春笋般地涌现,新结构、新材料、新技术大力研究、开发和应用。发展之快,数量之巨,令世界各国惊叹不已。在过去的工程结构中,常见的是混凝土结构和钢结构,其次是砌体结构和玻璃结构,尤其在城乡建筑中。在新世纪的土木工程建设中,仍将以混凝土结构为主,尽管钢结构,包括型钢混凝土和钢管混凝土结构以及满足透明等现代要求的第三代玻璃幕墙结构在各地的高层、超高层建筑和大跨度建筑中也将有新的发展。混凝土结构有很多优点。但是,随着时间的推移,其腐蚀、劣化问题不断发生,其中以钢材锈蚀最为常见。这不仅影响到工程结构的正常使用和寿命,还产生工程安全事故及隐患。因此,混凝土结构的发展,在很大程度上,有赖于混凝土结构耐久性研究的深入及工程结构因钢材锈蚀事故的避免和减少。另一方面,更有赖于新材料的发展和应用。在新世纪混凝土结构的发展中,对材料提出了新的要求,发出了新的挑战。笔者认为新要求和新挑战,概括起来有以下4个方面:(1)不仅要求新浇筑的混凝土高强度,而且要求高性能,包括混凝土的延性、良好的施工性以及使用的耐久性,这就要求研制和应用各种混凝土外加剂和有关材料;(2)要求寻找一种能抗腐蚀的配筋材料代替混凝土结构内的中、低强钢筋(配置于普通钢筋混凝土结构)和高强钢丝、钢绞线(配置于预应力混凝土结构);(3)对既有混凝土结构的加固、修补,要有新的材料。应用之后,不仅使加固后的混凝土结构承载力高,而且加固施工也较便捷;(4)从环境条件和可持续发展出发,要求废旧混凝土结构材料能回收并再生利用。国内外已有的研究和工程应用表明,高性能纤维增强复合材料(FiberReinforcedPolymer,简称FRP)产品是增强和改善混凝土结构及砌体结构和钢、木结构的一种新的优良材料和途径。它能接受并部分完成上面4个新要求、新挑战中的3个。1混凝土材料cfrp材料近十几年来,国际上已开发了多种高性能非金属增强材料——纤维增强复合材料(FRP)。这些新型增强材料包括:玻璃纤维(GFRP)、芳纶纤维(AFRP)、碳纤维(CFRP)。不同纤维材料通过一定的制作工艺与特定的树脂材料复合而成相应的纤维增强复合材料。其最显著的特性:抗腐蚀能力强,即耐久性好;具有很高的材料抗拉强度,且自重小;弹性变形能力和抗疲劳能力强,但GFRP筋的较钢筋低;较高的电阻和较低的磁感应。但是,它们也有缺点:成本较高;脆性,断裂应变小,如图1、图2所示。这些高性能纤维材料的力学性能以及它们与钢材的比较见表1。FRP材料在航空工业和国防建设中早已得到应用,在体育事业中也有应用。因为它的质强比高,化学稳定性强。因此,最近欧洲空中客车公司生产的超大型客机“空中客车A380”就采用了CFRP及其技术。然而,过去FRP在工程结构中应用还不算多,因为它们的优点被昂贵的材料价格和制作费用所抵销了。但是,最近这种状况有了改变。因为随着工艺上的改进,经济性有了好转。因此从目前看来,CFRP比AFRP、GFRP在土木工程中更有应用前景。因为它的性能好而稳定,而且其原材料几乎可以无限制地得到,它的乱向短纤维加入混凝土中,可大大提高混凝土的抗裂性、延性和承载力。将CFRP筋配置在混凝土内,可取代钢筋,从而混凝土结构即使处于较恶劣的环境下,也没有被腐蚀的危险。如果制成索,即CFRP绞线,去代替钢绞线,制作先张法或后张法预应力混凝土结构,更是土木工程师们一直在寻找的。用CFRP制成的布或薄板,贴于混凝土结构的外表面,其加固效果十分理想,不仅可大大提高受弯、受剪或受扭以及受压承载力,而且能减少裂缝宽度,甚至可提高外包柱的延性和抗震性能。同时,CFRP索是钢质土层锚杆、岩石锚杆的优质代用品,它不受酸碱介质的侵蚀,使用期间不会发生更换之类的事故。此外,还应提及,如果将CFRP索代替钢索,去建造悬索桥,则会出现这样的情况:用钢索建造时,只能跨越1000～2000m,而用CFRP索,可跨越3000～4000m及以上。因为悬索桥上悬索的自重在总荷载中占有相当的比例,而CFRP的密度只有钢索的1/4。因此,国外学者已设计出主跨长达5000m的FRP悬索桥的结构方案;也提出了直布罗陀海峡大桥方案,其跨度将超过8000m。2cpr在土木工程中的应用2.1frp用于加固建筑结构的应用(1)C—乱向短纤维,加入混凝土中,可大大提高混凝土结构的多种性能;(2)CFRP筋,可代替普通钢筋,建造新的混凝土结构;(3)CFRP预应力索、绞线,可取代钢绞线;建成预应力结构或单独使用于锚杆及体外预应力结构或加固结构中;(4)CFRP布、CFRP薄板,可用于既有混凝土结构工程的加固,也可用于钢结构、砌体结构和木结构工程的加固;(5)FRP制品与传统的结构材料——混凝土、钢材或木材粘结、组合形成FRP组合结构;(6)FRP拉挤型材,可做成工字形、槽形、管形、箱形等基本型材,形成轻质楼板、桥板;(7)应用FRP制成杆件,建造各种空间结构,如:网架、网壳以及拱、壳和穹顶等,形成大跨空间建筑结构体系;(8)采用CFRP或AFRP索建造大跨度斜拉桥及悬索桥或吊桥以及悬挂建筑结构等。总之,FRP在土木结构工程中的应用主要有:FRP加固结构、FRP筋混凝土结构、FRP筋预应力混凝土结构和体外预应力FRP筋结构、FRP索(筋)结构以及FRP组合(木)结构。2.2混凝土结构物20世纪60年代,为解决近海地区和气候寒冷地区的钢筋混凝土结构遭受盐蚀危害的问题,美国Marshall-Vega公司生产出一种CFRP加强筋用于混凝土结构。可以说,这是对CFRP研究和应用的开始。20世纪70年代末,开始了这种产品的商业应用。20世纪80年代初,FRP加强筋逐渐大量地应用于有特殊性能要求的结构物,尤其是受有严重化学侵蚀的结构物。例如,对于有磁共振图像医疗设备的混凝土结构物,传统的钢筋混凝土就不能使用,而选择无磁性的CFRP加筋混凝土是很合适的。此外,在一些海堤、工业厂房屋面板、处于侵蚀性环境的混凝土楼板等,FRP产品越来越得到广泛的应用。加拿大,早在1989年成立了先进复合材料技术分委员会,1993年就采用CFRP预应力绞线的BeddentonPC梁桥。该桥为两跨连续梁桥,两跨跨度分为22.83m和19.23m,每跨由13根T形预制梁与150mm厚的现浇板组成。用CFRP布或板进行混凝土结构加固的技术在不少国家已经成熟。总之,国际上,美国、日本对FRP的研究和应用是最早的。德国、英国、加拿大及新加坡开展得也较早。1988年,日本建设省已开始重视,1989年,日本土木学会设立了FRP委员会。美国,发起并于1993年在加拿大召开了FRP增强混凝土国际会议,每1次/2a,已分别在比利时(1995)、日本(1997)、美国(1999)、英国(2001)及新加坡(2003)等国举办了6届。2.3frp的研究工作在国内处于领先地位中国在土木工程中应用CFRP材料的研究与制备,开始得较早,但因种种原因,发展较慢。然而,最近10a,FRP的研究和应用有了飞快的发展。中国在1996年前后开始大力研究FRP,在2000年成立了全国纤维增强塑料(FRP)及工程应用专业委员会,先后于2000年6月和2002年7月在北京和昆明召开了第1届和第2届全国FRP在土木工程中应用的学术交流会。2004年10月在南京召开了第3届,由东南大学土木工程学院建筑工程系及东南大学RC&PC结构教育部重点实验室承办。中国已编制并颁布了中国工程建设标准化协会标准《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》、国家标准及建设部标准《结构加固修复用碳纤维片材产品标准》和《结构加固修复用粘贴树脂产品标准》。目前,FRP国家规范正在编制之中。近年来,随着FRP研究和应用的不断发展,越来越多的国内企业能够生产GFRP筋和CFRP筋,目前,国家工业建筑诊断与改造技术研究中心、东南大学、清华大学、天津大学、同济大学等单位均在该领域开展了不同程度的研究。国家863计划、973计划等重大基金项目的研究工作正在进行之中。东南大学在FRP的研究和应用方面,在国内处于领先地位:(1)东南大学对FRP的研究工作开展很早。1996年就开始,并组成了FRP专项研究课题组,由吕志涛任组长。通过与日本学者、国际知名化工企业和国内最大的锚具生产厂家的合作,正在深入展开FRP筋的短、长期力学性能、FRP筋混凝土结构、FRP筋预应力混凝土结构、FRP拉索斜拉桥的设计和建造及FRP筋锚固体系、FRP筋应变检测方法等方面的研究工作。(2)积极参与国内外学术交流。在2000年全国第一届FRP会议上,吕志涛被邀作了引导报告,2003年吕志涛被当选为国际建筑FRP学会理事。(3)东南大学从2000年起分别多次申报并获准了国家自然科学基金、省自然科学基金及对外合作基金的项目资助,开展FRP研究。(4)东南大学对FRP的研究工作,一直十分活跃。除研究CFRP加固混凝土结构的弯、剪、扭性能及抗震性能之外,还研究了CFRP和AFRP筋、索的长期性能以及锚具和锚固性能,研究了CFRP和AFRP筋混凝土结构、预应力混凝土结构的性能,探索了GFRP复合木结构性能,探索了CFRP筋、索的体外预应力结构性能;研究了CFRP索的斜拉桥和悬挂建筑结构的性能。应特别提出:我们在研究工作基础上,最近在江苏大学西山校区设计并建成了中国第一座高性能CFRP索斜拉桥(总长51.5m),该桥座落在江苏大学西山校区,简图如图4所示,是一跨径为30m+18.4m混凝土独塔双索面斜拉桥,采用塔梁墩固结体系,桥宽6.8m,索塔两边各布置4对拉索,拉索采用LeadlineCFRP索,有16-D8、11-D8和6-D83种索型,锚具采用新研制的套筒粘结型。该桥的建成引起了科技部、国家基金委等部门和不少专家的重视,并认为,它为今后采用CFRP建造特大跨度的海峡大桥等工程作出了成功的探索和实践。3frp布、板及筋、索的合理应用今后,一方面,我们要继续深入研究FRP的性能,加快FRP材料的国产化进程,努力开发FRP的应用潜力,扩充其应用范围,促进土木工程创新。除了房屋、桥梁之外,隧道工程、管道工程、桥面和路面工程、防爆工程、桥墩防冲刷工程、人防工程等都应研究应用。应深入研究有关问题:如粘结、锚固、弯折问题以及疲劳断裂、应力松弛等问题。应加强对材料的改性和创新研究,对其在结构中的应用及检测技术也需作深入探索。同时,还应看到:近几年,与国际上的情况相似,中国对FRP的研究和应用很热,各地都在蓬勃发展。因此,我们也应清醒地认识到FRP作为受拉为主的非金属材料,它们不可能取代钢材,而是一种十分重要的补充。最近,国务院和建设部领导对中国城市规划和工程建设方面都作了重要指示。我们FRP工作者也应有相应的落实措施,坚持科学发展观,加强应用研究工作。为此,笔者对各种FRP布、板及筋、索的合理应用作出如下的思考。首先,应该认识到任何材料,不会全能,都有其合适的应用范围、场合。笔者认为:(1)现有常见的CFRP、AFRP和GFRP中,从各方面性能来看,CFRP应优先采用。不论是CFRP布,或是CFRP索,在工程中应用都是较合适的。(2)现阶段,CFRP布应用于混凝土结构加固是最合适的途径和方式。不仅可用于建筑结构或是桥梁结构的承载力加固,也可用于抗震加固,而且可用于人防工程的结构加固。(3)对FRP筋、索施加预应力的思考。1)AFRP筋,因可耐受酸、碱、盐,但较易徐变断裂,应力松弛也较大,故如用于预应力结构,则σcon应较小,故不很合适。2)GFRP筋,因不耐碱且易徐变断裂,故不宜作预应力筋使用。3)FRP筋的锚具有待进一步开发。4)CFRP和AFRP作为预应力筋或体外索最为合适。但是,其配筋的方式,还有待进一步探讨。(4)CFRP筋与GFRP筋以及CFRP筋与AFRP筋混合使用是有前景的。(5)AFRP和CFRP一样,不怕腐蚀是公认的。但是,AFRP受冻融干湿及受海浪冲击时,承载力大打折扣,至少打对折,这在选用时应注意。(6)CFRP筋和AFRP筋作为岩石锚杆或土层锚杆都是很有应用前景的。(因为不