1、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
2、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聚酰胺家族中最是含有杂环芳香族的聚酰胺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世世纪超级纤维纪超级纤维 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
3、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 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 梁、柱：抗剪加固梁、柱：抗剪加固 梁、板：抗弯加固梁、板：抗弯加固 节点及受扭加固节点及受扭加固 剪力墙和薄壁柱加固剪力墙和薄壁柱加固 特种结构加固特种结构加固（隧道、输
4、水洞、烟囱等）（隧道、输水洞、烟囱等）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，提高粘贴混凝土梁表面，承受拉力，提高抗扭承载力抗扭承载力FRP片材粘贴钢筋混凝土框架梁柱节点附片材粘贴钢筋
5、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
6、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
7、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。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：表面进行表面进行砂化处理砂化处理的的GFRP筋；筋；与钢绞线相似并在
8、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；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；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。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
9、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。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
10、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。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：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；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；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
11、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；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；FRP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；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 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）用做斜
12、拉桥的拉索用做斜拉桥的拉索 用做预应力筋用做预应力筋 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 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
13、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
14、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工程中尝试应用。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，当时大多种新型材料作为桥梁结构中的主要构件，当时大多采用的是采用的是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：FRP人行桥人
15、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、斜筋、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，最能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，将成为发挥其轻质高强的优良特性，将成为FRP复合材复合材料在桥梁中应用的重点。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12346、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。的结构。三、三、FRP材料的缺点材料的缺点
