浅析GFRP材料在工程实例中的运用

来源：职称驿站所属分类：材料科学论文
发布时间：2012-12-24浏览：32次

　　1、引言

　　纤维增强复合材料(又称为FRP)是近年来在土木工程结构中开始应用的一种新型高性能工程结构材料，具有轻质、高强、耐腐蚀、施工成型方便等优点，已成为混凝土、钢材等传统结构材料的重要补充。但FRP的弹性模量仅为钢的1/3左右，在结构设计时需要注意对其变形量进行适当限制，防止因变形过大影响结构使用功能。本文通过介绍一座跨河人行桥的设计过程。分析介绍了FRP材料在工程实践中的运用及基本要求。

　　2、设计条件

　　工程为跨河人行桥，位于某市景观滨河公园内。工程位置处河道宽30米，如图2所示，全桥总长主桥长26米，由于此桥位于两侧的绿化休闲区附近为新开发的住宅小区和校园宿舍区, 工程建设方要求此桥在经济可靠的基础上，具备一定的景观地标功能。

　　3.1、设计方案

　　主桥长25.94米、宽4.25米,跨度为7.85+15.85m;桥梁南北两端二期设置两座坡度为1：2(高度：长度)的梯道与景观路接顺(见图3-1、3-2)。下部结构采用采用砼包封的钢管混凝土墩柱，墩柱上接装饰桥塔。全桥栏杆均采用FRP构件制作(见图3-5、3-6、3-7)，可以有效减少后期维护成本;上部结构为桥面连续的简支FRP砼叠合梁，主梁由拉挤成型的宽250mm、高560mm的FRP型材(见图3-4)组合而成，桥面设置7.5~9cm砼叠合层(见图3-3)。

　　3.2结构分析

　　1)基本建模参数

　　箱梁建模采用板单元，桥面叠合混凝土层采用块单元

　　输入参数如图3-8、图3-9所示

　　2)荷载组合

　　工况1：自重

　　工况2：人群荷载 5KN/m2

　　荷载组合 1.2工况1+1.4工况2

　　FRP叠合梁与(由于现行FRP材料不在现行规范内所以荷载组合按承载力极限状态基本组合考虑，对应的钢箱梁计算不适用容许应力法，偏安全按同样的组合系数考虑)。由表3-1可见在同等跨度和荷载工况的条件下由GFRP制作的构件刚度较小，变形较大但应力安全储备比较充足;GFRP砼叠合梁由于叠合了砼层，其抗弯刚度优于GFRP梁，在应力安全储备方面比同等高度的钢箱梁要大的一倍左右，但是由于GFRP和砼的材料弹性模量较小大约为钢材质弹性模量的1/3所以整个组合构件刚度较小、结构变形较大、自振频率相对较低。由于GFRP砼叠合构件的叠合层可以后浇所以其吊装重量与GFRP构件相近比钢箱梁轻40%左右，自重个减少既有利与减少施工单位的运输吊装成本，也可以适当减少下部结构的工程量。

　　3.3 对FRP构件成型的要求

　　FRP成型工艺最初是由手工裱糊成型，型材质量和力学性能不易控制，随着加工工艺的发展现在已经有了拉挤成型等多种成型工艺，相比手工裱糊工艺质量稳定，但由于加工厂家水平不一，且对于FRP型材的成型指标无国家规范指导(《报审稿》正在报送)只能参考国外对于FRP型材的工艺性能要求，针对本项工程和FRP厂家成型的普遍水平对厂家生产指标提出要求如下：

　　1) 增强材料应采用E玻璃纤维，基体树脂采用环氧树脂。

　　2) 树脂重量含量不高于25%;

　　3) 拉伸强度——纵向不低于400MPa，横向不低于70MPa;

　　4) 拉伸模量——纵向不低于30GPa，横向不低于8GPa;

　　5) 压缩强度——纵向不低于200MPa，横向不低于50MPa;

　　6) 压缩模量——纵向不低于30GPa，横向不低于8GPa;

　　7) 弯曲强度——纵向不低于200MPa，横向不低于50MPa;

　　8) 弯曲模量——纵向不低于30GPa，横向不低于8GPa;

　　9) 剪切强度——不低于25MPa;

　　10) 耐湿热强度试验——70度水浴后拉伸强度主受力方向不低于300MPa，次受力方向不低于60MPa。

　　对FRP构件的加工精度要求如下所示：

　　1) 外形尺寸0.3%;

　　2) 厚度0.3mm;

　　3) 型材板件最小厚度不小于4mm;

　　4) 开孔精度 0.5mm，开孔处周围无裂纹、毛疵、皱折、纤维裸露、分层、断裂等

　　5) 必须采用表面毡;

　　6) 出厂前应随机选取单根拉挤梁进行持荷72小时后，1/500挠度增加不超过加荷后挠度的1.1倍。

　　结论:复合桥梁与传统桥梁相比，在以下方面具有突出的优势

　　(1)架设速度快。纤维复合材料具有很高的材料强度，CFRP(碳纤维增强复合材料)的抗拉设计强度可达到2300MPa以上，而其比重仅为1.6~2.0，比强度(强度/比重)为钢材的5-20倍。因此FRP桥梁上部结构的自重可以大大减轻，为传统结构的30~60%，从而减小了运输和施工的难度，大大提高了施工的机动性和架设速度。

　　(2)节省下部结构。由于复合材料桥梁上部结构比传统桥梁轻很多，可大大节省下部结构的造价和施工断路时间。在旧桥翻新工程中，采用复合材料桥梁上部结构替换原有的钢结构或混凝土结构，不仅能加快施工速度，还不用加固下部结构，承载能力还可得到提高。

　　(3)抗腐蚀能力强。复合材料桥梁具有的抗腐蚀性能能够保证其长期使用的可靠性，一方面可提高结构的安全性能，另一方面可降低维护运营的投入。

　　(4)成型灵活，外形美观。复合材料桥梁可采用拉挤、缠绕、真空注入等多种成型技术，能形成型式多样的桥梁结构。并且复合材料具有色泽鲜艳、持久的特点，不需要特殊维护。这些特点特别适合建造城市景观桥梁。

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