FRP约束混凝土柱研究与应用中的若干关键问题

本中心栏收集了几篇有关FRP约束混凝土研究的文章,以飨有关读者。

FRP约束混凝土柱研究与应用

中的若干关键问题

于　清

(福州大学土木建筑工程学院　福州　350002)

　　摘　要:简要介绍了FRP复合材料的特点和在土木工程中的应用情况,最后,对FRP约束混凝土柱研究与设计中的若干关键问题进行了探讨。

　　关键词:FRP　约束混凝土　柱　组合作用　修复　加固　耐火极限　徐变

SEVERALKEYISSUESOFTHESTUDIESANDAPPLICATIONSOF

FRP2CONFINEDCONCRETECOLUMNS

YuQing

(CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,FuzhouUniversity　Fuzhou　350002)

Abstract:ThecharacterofFRPcompositesanditsapplicationsincivilengineeringareintroduced.Thedevelopmentofitsusinginpractice

ofcivilengineeringisprospected.SeveralkeyissuesofFRP2confinedconcretecolumnarediscussedinthispaper.

Keywords:FRP　confinedconcrete　column　compositeaction　repairing　strengthening　fireresistance　creep

1　概　述

塑性变形产生。(2)抗腐蚀性和耐久性好。与钢材

相比,FRP均具有很好的抗腐蚀性和耐久性,因而可提高结构使用寿命,尤其用于腐蚀性较大的环境效果更为显著。(3)自重轻,施工方便。FRP密度仅为钢材的25%左右,这样,当建筑结构中采用FRP时,施工非常方便,可降低劳动力费用。当用于旧有结构的维修加固时效果更为明显。(4)热膨胀系数与混凝土相近。这样当环境温度发生变化时,FRP与混凝土协同工作,两者间不会产生大的温度应力。(5)弹性模量小。FRP的弹性模量约为普通钢筋的25%～70%,这样,FRP混凝土结构的挠度较大和裂缝开展较宽将不可避免。(6)抗剪强度低。FRP抗剪强度很低,通常不超过其抗拉强度的10%左右,在将FRP用作预应力筋以及进行FRP的材性试验时,相应的锚、夹具需专门研制。(7)材料较为昂贵。由于FRP的生产制作工艺较复杂,一般需采用专门

自20世纪80年代中期以来,欧美及日本等国开始研究采用纤维塑料(即FiberReinforcedPlastic,简写FRP)这种新型人工纤维材料,以期在特定的使用环境下替代钢材,目前已在科学研究和工程应用等方面取得了较大进展。目前,仅在日本,应用FRP作为配筋材料的工程结构就超过了几百个。我国也在近年来开展了类似的研究工作。

FRP是由多股连续纤维,如玻璃(glass)纤维、碳(carbon)纤维及阿拉米德(armid)纤维等,采用基底

材料(例如聚酰胺树脂、聚乙烯树脂、环氧树脂等)胶合后,经过特制的模具挤压、拉拔而成型。常见的FRP包括玻璃纤维增强塑料、碳纤维增强塑料和阿

拉米德纤维增强塑料等。不同的纤维化学成分不同,力学性能也有较大差别,相应FRP的力学性质表现出很大的差异。FRP的主要特点有:(1)抗拉强度高。3种FRP的抗拉强度均明显超过了钢筋,与高强钢丝差不多,且在达到抗拉强度之前,几乎没有

IndustrialConstruction2001,Vol131,No14

作　　者:于　清　女　1969年5月出生　硕士研究生收稿日期:2001-01-04

工业建筑　2001年第31卷第4期　　1

的长线挤压台座才能完成。

众所周知,钢筋混凝土和钢管混凝土结构具有受力性能好、造价低等优点。但当应用于桥梁、水工结构、海洋和近海等结构以及其它具有侵蚀性或暴露性的环境时,由于钢筋或钢管的锈蚀而导致结构破坏的后果将非常严重

[1～3]

桥等,美国的RapidCity桥,德国的Unensche2Gasse桥,Uenberg2Strass桥和Ludwigshafen桥等

[1]

。

工程实践表明,采用FRP筋桥梁的材料造价一般高于采用钢筋的方案,但前者一般可节约劳动力和大量后期维护费用。

(2)民用建筑结构

FRP筋已被应用于建筑结构中,例如分别于1986年和1988年建成的美国TexasUniversityBuild2ing和HospitalBuilding均采用了FRP

[1]

。资料表明,现在美国

的近50万座桥梁中,有1Π4因钢筋锈蚀而严重损坏,进行修补至少需要几百亿美元,而欧洲每年因钢筋锈蚀而导致的经济损失可达几十亿美元。

工程实践表明,FRP复合材料(以下简称FRP)能适应现代工程结构向大跨、高耸、重载、高强和轻质发展以及承受恶劣条件的需要,符合现代施工技术的工业化要求,正被越来越广泛地应用于桥梁、各类民用建筑、海洋和近海、地下工程等结构中

[1～4]

。

FRP还被大量应用于旧有民用建筑的维修加

固,如美国TexasHamilton饭店,部分柱子采用FRP进行了维修加固;美国Bergstroms机场的Hilton饭店的柱结构也采用了类似的加固办法。

(3)海洋结构和近海结构

海洋结构和近海结构的腐蚀问题一直比较突出,对于钢结构更是如此,因而采用抗腐蚀性能良好的FRP可以很好地解决该问题,所以,FRP被应用于海洋结构和近海结构具有很好的发展前景。这些年已开始在实际工程中出现,例如日本Niihama市Sumitomo化工有限公司兴建的一座海港码头,采用

。

应用的方式有两种,一是直接应用于新建结构中,二是用于旧有结构的维修加固,以取得良好的建筑效果。本文首先简要介绍了FRP的特点,然后对FRP在工程中的应用情况进行了介绍,最后对FRP工程应用中尚需解决的若干关键问题进行了探讨。2　FRP在土木工程中的应用211　FRP用于旧有结构修复与加固时的形式(1)梁、板

了预应力混凝土面板,板宽1318m,长61m,宽度方向由17根简支空心梁组成,长度方向共分为5跨,其中的4跨采用了高强钢绞线作预应力束,另一跨

采用AFRP作预应力束(跨度9m)。码头建成后,进行了50t起重机和35t挖土机的荷载试验,对实测结果的分析表明,采用FRP的混凝土梁完全可以满足正常使用要求。

(4)地下结构

由于FRP具有耐腐蚀的优点,用于地下结构具有明显的优越性,例如美国纽约许多地铁站的屋顶和站台柱结构中采用了FRP。

除上述应用领域外,尚有FRP在塔桅结构、储液罐、管道和烟囱结构应用的报道。例如由美国Delta结构技术公司负责加固完成的AlamoQuarryMarket烟囱采用了FRP的加固方法。

采用FRP对受损混凝土梁或板进行修复加固是非常有效的途径之一。一般是在混凝土梁板拉应力出现部位利用环氧树脂粘贴FRP,FRP纤维方向与拉应力方向平行。如何保证FRP与加固后混凝土的有效粘结,即保证FRP与混凝土的共同工作是进行梁板结构修复加固时的关键问题之一。利用类似的方法也可对钢梁进行修复加固。

(2)柱

进行修复加固时,FRP纤维沿柱子环向缠绕,并用环氧树脂将FRP与旧有混凝土粘结。用FRP对柱结构进行修复加固的关键问题是除了要保证FRP和混凝土的有效粘结外,还要对由于FRP的约束而使混凝土性能的改变进行合理的估算。

(3)砌体结构[4]

众多的古建筑采用了砌体结构,为了保护这些历史文物,常常需要对旧有结构进行修复加固。采用FRP可取得良好的效果212　FRP的应用领域

(1)桥梁结构

FRP由于具有耐腐蚀、耐疲劳和维护费用低等

[1]

除了作为FRP筋直接应用于建筑结构和维修加固外,预制FRP管还可能替代钢管而被应用于柱结构中,即在其核心中浇灌混凝土后而成为所谓的FRP约束混凝土柱。该类柱的特点是:利用FRP和

。混凝土两种材料在受力过程中的相互作用,即FRP对混凝土的约束作用使混凝土处于复杂应力状态之下,从而使混凝土的强度得以提高,塑性和韧性性能大为改善。同时,由于混凝土的存在可以避免或延缓FRP管过早地发生局部破坏,从而可以保证其材料性能的充分发挥;另外,在FRP约束混凝土柱的

工业建筑　2001年第31卷第4期

特点,被广泛地应用于桥梁结构中,例如日本的Shinmiya桥、TabrasGolfClub桥、Birdie桥和Sumitomo2

施工过程中,FRP管还可以作为浇筑其核心混凝土的模板,与钢筋混凝土相比,可节省模板费用,加快施工速度。总之,通过FRP复合材料和混凝土组合而成为FRP约束混凝土柱,不仅可以弥补两种材料各自的缺点,而且能够充分发挥二者的优点,预计这类结构在实际工程中具有良好的应用前景。3　FRP约束混凝土的若干关键问题311　间隙的影响

很大影响,因此,如何保证FRP及其核心混凝土之

间的粘结对充分发挥该类结构的特性具有重要意义。该方面的研究工作仍然有待于深入进行。313　徐变性能

徐变是混凝土在长期荷载作用下的固有特性。影响混凝土徐变的因素很多,内部因素有水泥品种、骨料含量和水灰比等。外部因素有加荷龄期、加荷应力比(加荷应力与混凝土强度之比)、持荷时间、环境相对湿度、结构尺寸等。

FFP约束混凝土核心混凝土的徐变特性与普通混凝土的区别主要在于,FRP约束混凝土在受力过程中,核心混凝土由于受到FRP的约束可能会处于复杂受力状态。

为了进行FRP约束混凝土的徐变计算,必须首先确定其核心混凝土的徐变模型。然后确定FRP约束混凝土其核心混凝土轴心受压时的应力-应变关系模型,在此基础上,计算考虑徐变影响时FRP约束混凝土构件的荷载-变形全过程关系曲线,系统分析各参数,诸如轴压比、长细比、截面含FRP率、FRP和混凝土强度等因素的影响,最终提供考虑徐变影响时对FRP约束混凝土构件承载力的影响系数。目前尚未见到有关研究方面的报道。314　抗　震

FRP约束混凝土具有良好的动力反应性能,国内外不少学者都对其开展过理论分析和试验研究,例如文献[9～13]等。但由于问题本身的复杂性,对该类结构动力性能的理论分析尚不够深入,有待于深入进行。315　施工工艺和方法

进行修复加固时,FRP纤维沿柱子环向缠绕,并

在进行旧有钢筋混凝土柱的修复加固时,由于施工条件的,总会沿柱长形成如图1a和图1b所示的间隙。图1a为有间隙的FRP约束混凝土柱,D为FRP约束混凝土柱的直径,d为间隙的大小。

如前所述,FRP约束混凝土工作的重要特点是FRP对混凝土的约束作用,但由于间隙的存在有可能对柱子的整体工作性能产生影响。针对该问题,文献[7]以间隙率(dΠD)为基本参数,研究了带有间隙的FRP约束混凝土轴心受压柱的力学性能。结果表明,间隙对柱子的承载力和延性都有影响:间隙率越大,构件承载力和延性系数越低。图1b所示为间隙率对FRP约束混凝土柱承载力的影响,其中,f′cc为FRP约束混凝土的极限强度,f′c为对应的非约束混凝土的强度。

图1　有间隙的FRP约束混凝土柱和间隙率对FRP约束混凝土柱的影响

1-FRP复合材料

间隙对FRP约束混凝土性能的影响较为复杂,有待于进一步深入研究。312　粘结性能

用环氧树脂将FRP与旧有混凝土粘结。用FRP对

柱结构进行修复加固的关键问题是除了要保证FRP和混凝土的有效粘结外,还要对由于FRP的约束而使混凝土性能的改变进行合理估算。进行方形截面和矩形截面钢筋混凝土柱的修复加固时,为了提高加固效果,可根据实际情况采用类似于图2和图3所示的方法。但究竟如何使修复加固更为有效尚需进一步研究。

如前所述,组成FRP约束混凝土的FRP及其核心混凝土间的协同互补作用是FRP约束混凝土具有一系列突出优点的根本原因,因此,研究者们自然很关心FRP和核心混凝土的共同工作问题,FRP约束混凝土构件在受力过程中,其FRP及核心混凝土之间的粘结问题就是倍受关注的热点问题之一,以往已有研究者进行了这方面的研究工作,例如

[8]

Mirmiranetal(1998)。研究结果表明,FRP与其核心混凝土之间的粘结强度对构件的承载力和延性有

FRP约束混凝土柱研究与应用中的若干关键问题———于　清

图2　方形截面柱的修复加固

1-FRP;2-原截面

3

图3　矩形截面柱的修复加固

1-FRP;2-原截面

量的好坏将直接影响到FRP管约束混凝土构件设

计目标的实现。正是由于混凝土被外围FRP管所包裹,也造成研究其浇筑质量控制问题的复杂性。如何根据FRP管约束混凝土的特点,提供既合理,又便于实际操作的核心混凝土质量控制和检测办法显得突出和重要。(4)FRP复合材料设计规程的制定。目前,在我国尚未制定有关FRP在结构设计中的规定,制约了FRP的推广应用,因此,确定其设计方法具有十分迫切的现实意义。在理论研究和工程实践的基础上,应尽快制定FRP材性及其试验标准方面的规定,以及FRP在结构中应用时承载力和变形等方面的设计规程。

参考文献

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316　耐火极限

当FRP约束混凝土柱被应用于高层建筑或工

业厂房等结构中时,对其进行合理的防火设计是非常重要和必要的。目前尚未见到有关研究的报道。为了使FRP约束混凝土柱达到所要求的耐火极限,可以采用在其外围施加防火保护层,或者在其核心混凝土中配置专门考虑防火的钢筋或钢纤维,还有可能通过降低柱子的轴压比以使构件达到所要求的耐火极限。但无论采用哪种办法,都应在细致科学研究工作的基础上制定合理的防火设计方案。4　结　语

如前所述,FRP由于具有高强、轻质、耐腐蚀和耐久性好、施工方便等优点,在土木工程中的应用将具有广阔的发展前景。随着我国经济和建设事业的迅猛发展,FRP在我国建筑工程中的应用必将日益增多,寻求合理的FRP在结构中的设计方法显得突出和重要,已成为迫切需要解决的研究热点课题。为了更安全合理地推广应用该类结构,作者认为应进一步加强如下几个方面的工作:(1)FRP复合材料结构耐火极限及防火设计方法研究。目前,在国内外尚未制定有关FRP结构防火设计方面的规定,不但制约了该类结构的推广应用,而且对已建成结构的耐火极限也缺乏必要的科学依据。在已建成的结构中,有的按照钢筋混凝土结构的要求外包混凝土,有的则按钢结构的要求涂刷防火涂料。这样做虽也可能保证防火要求和结构的安全性,但大都偏于保守而造成浪费,且缺乏科学性和统一性。为了便于实际结构应用,对所采用的任何结构都应制订防火技术规程并确定其耐火极限,因此,确定其防火设计方法具有十分迫切的现实意义。(2)FRP复合材料结构徐变特性的研究。(3)FRP复合材料施工质量问题控制。FRP与混凝土共同组成组合结构,保证FRP与混凝土间的粘结和共同工作非常重要,为了保证设计和施工目的实现,必须制定相应的验收标准,尤其当采用FRP约束混凝土柱结构时,FRP管内混凝土的施工有特殊性,即混凝土被外围FRP管所包裹,造成浇筑质量控制的难度。混凝土浇筑质4

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