纤维增强复合材料在桥梁加固方面的应用

简述
       1、FRP （纤维增强复合材料）是近年来在土木工程中应用日益广泛的一种新型的结构材料。它具有高强、轻质、耐腐蚀等显著优点，已经在结构的加固补强、围护防腐等方面得到了很好的应用。随着FRP材料的优越性能逐渐为工程界所认可，国外许多工程开始将它应用于新建的桥梁中，甚至是大跨度桥梁中。目前结构工程中常用的FRP材料主要是树脂基 体的玻璃纤维（GFRP）、碳纤维（CFRP）和芳纶纤维（AFRP）等。
　　2、纤维增强复合材料在国内外的发展：
　　 从上世纪70 年代开始，FRP 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种新型材料作为建筑结构和桥梁结构中的主要构件，当时大多采用的是GFRP（玻璃纤维增强复合材料，即玻璃钢）。
　　1992 年，英国苏格兰的 Aberfeldy 高尔夫俱乐部的球场中，建成了一座全 FRP结构的斜拉人行天桥。
　　1996 年，在瑞士建成了世界上第一座使用了FRP 斜拉索的公路桥——Stork Bridge。
　　1996 年，美国Kansas 州Russell 附近的无名沟壑上架起了第一座采用FRP 桥面板公路桥。
　　我国是研究应用玻璃纤维复合材料建筑桥梁较早的国家之一，1982年在北京密云建成的世界上第一座玻璃纤维复合材料公路桥为单跨简支箱梁桥，双车道，跨径20.7m，桥宽11.8m，由6根蜂窝箱梁组成，可通行汽一15级、挂一80级荷载；重庆的观音桥也是用玻璃纤维复合材料建造的，桥梁跨径72.8m，全长 167m。
　　3、纤维增强复合材料的优点：
　　1：轻质高强。FRP材料最突出的优点在于它有很高的比强度（极限强度/相对容重），即通常所说的轻质高强。
　　2：良好的耐腐蚀性。可以在酸、碱、氯盐和潮湿的环境中抵抗化学腐蚀,这是传统结构材料特别是钢材所难以比拟的。
　　3：良好的可设计性。与传统结构材料相比，这是FRP 所独有的。工程师可以通过使用不同纤维种类、控制纤维的含量和铺陈不同方向的纤维设计出各种强度和弹性模量的FRP产品。
　　4：FRP 产品非常适合于在工厂生产、运送到工地、现场安装的工业化施工过程，有利于保证工程质量，有利于提高劳动效率，有利于工程建设的工业化。
　　5：FRP 产品还有一些其它优势，如透电磁波、绝缘、隔热、热胀系数小等等，这使得FRP结构和FRP组合结构在一些特殊场合能够发挥难以取代的作用。
　　碳纤维加固技术在混凝土结构加固中的应用
　　1、碳纤维加固技术简介
　　碳纤维复合材料(CFRP)加固修复混凝土结构技术是近年来兴起的一项新型加固技术，该项技术是将碳素纤维这种高性能纤维应用于土木工程，利用树脂类材料把碳纤维粘贴于结构或构件表面，形成复合材料体，通过其与结构或构件的协同工作，达到对结构构件补强加固及改善受力性能的目的。
　　碳纤维加固技术特点
　　（1)、 施工简便迅速
　　 用碳纤维布修复补强混凝土结构只需将被修补部位的混凝土表面修补打磨平整，表面洁净，刷涂特定的环氧树脂，然后粘贴碳纤维布，最后再涂一层环氧树脂自然固化养护即可。不需任何夹具、模板和支撑，施工既简便又迅速。
　　（2)、 不增加结构自重
　　 碳纤维布的重量仅200～300g/m2，设计厚度0.111～0.167mm，加上环氧树脂的重量也仍然很轻，对结构自重的影响甚微，可忽略不计。
　　（3)、 能适应各种结构外型的补强
　　碳纤维布的厚度很薄，可以裁剪成所需形状，顺应结构的外形(如变截面梁、曲线梁)粘贴在混凝土表面，粘贴亦较方便。
　　（4)、能多层粘贴
　　根据补强设计的要求，碳纤维布可以在一个部位重叠粘贴，即贴上一层后上面再贴一层，连续贴很多层，充分满足补强要求。
　　（5)、能有效地封闭混凝土裂缝
　　碳纤维布粘贴在混凝土表面，不仅封闭了混凝土的裂缝，碳纤维布高强高模量的特点还约束了混凝土结构裂缝的生成与扩展，改变了裂缝的形态，使宽而深的裂缝变成分散的细微裂缝，从而提高了混凝土构件的整体刚度。
　　碳纤维加固技术特点
　　（1）、抗弯加固
　　通过将碳纤维布粘贴于构件受拉区，代替或补充钢筋的受拉性能，来提高构件的抗弯承载力。粘贴碳纤维后，在构件受拉区混凝土开裂前，碳纤维的应变很小；在混凝土开裂后，碳纤维布逐渐参与共同工作，应变增长加快；而在钢筋屈服后，碳纤维布充分发挥作用，应变增长迅速加快，其高强高效的性能得以充分体现。
　　（2）、抗剪加固
　　钢筋混凝土的抗剪加固，是将碳纤维粘贴于构件的受剪区，这里碳纤维的作用类似于箍筋。在构件屈服前，碳纤维的应变发展缓慢，所达到的最大应变值也较小；在构件屈服后，箍筋的作用逐渐被碳纤维代替，碳纤维的应变发展加快，应变值要高于箍筋的应变值，而箍筋所起的约束作用减小，其应变发展缓慢。
　　（3）、抗震加固
　　应用碳纤维对混凝土柱进行抗震加固，是通过用碳纤维布横向包裹钢筋混凝土柱来提高其延性而实现的。碳纤维的主要作用是对其内部混凝土起到了约束作用，这种约束是一种被动约束，随着混凝土柱轴向压力的增大，横向膨胀促使外包碳纤维布产生环向伸长，从而提高侧向约束力。
　　FRP尚存问题以及今后的研究方向
　　虽然碳纤维片材加固桥梁有着广泛前景，但目前仍有很多问题有待于解决。为使这种加固技术得到更广泛的应用，还应进行以下内容的研究：
　　（1）、进一步开展预应力FRP加固梁的抗震性能，长期受力性能(老化，松弛，徐变)，耐久性能，疲劳性能，疲劳寿命的研究。并对实际工程进行跟踪研究。
　　（2）、完善对预应力FRP片材加固受弯构件的设计计算理论，包括预应力损失的估算，FRP片材极限应力的合理取值，允许极限应变的确定，加固梁抗弯承载力的提高限值等。
　　结语
　　随着我国国民经济水平的发展，我国的基础设施的建设仍将大规模开展。2020年前国家将投资5万亿建设铁路，这些为复合材料在桥梁工程中的应用提供了广阔的市场。FRP是现有桥梁结构材料的补充。从复合材料工业发展的角度来看，桥梁是一个巨大潜在市场，FRP这种具有独特优势的材料具有广阔的应用前景。