碳纤维复合材料在桥梁工程中的应用及其前景.docVIP

碳纤维复合材料在桥梁工程中的应用及其前景 孙 杰1，孙峙华1，胡荣根2 1．武汉理工大学交通学院，湖北武汉430063； 2．浙江浦江县公路段，浙江浦江322200 摘 要：碳纤维复合材料(CFRP,)在桥梁工程中的应用，是目前国际土木工程领域研究开发的一个热点。本文在简述CFRP复合材料的特性和国内外的发展情况的基础上，介绍了CFRP力筋在混凝土桥中的应用情况及其对既有桥梁的加固。最后，本文还指出了CFRP复合材料应用于桥梁工程中存在的问题及其发展前景。 关键词：复合材料；碳纤维加劲塑料(CFRP)；桥梁工程；CFRP力筋；桥梁加固 纤维加劲塑料(Fiber Reinforced Plastic，简称FRP)是由包裹在树脂母体中的连续纤维做成的复合材料，纤维起加劲作用，而树脂主要起粘合纤维的作用。纤维加劲塑料视其所用纤维的不同可分为碳纤维加劲塑料(Carbon Fiber Reinforced Plastic，以下简称CFRP)、玻璃纤维加劲塑料(GFRP)及芳纶纤维加劲塑料(AFRP)等3大类。作为复合材料的杰出代表—一碳纤维复合材料(CFRP)除了具有钢材的一般性能外，还可以根据结构需要进行设计，以满足单一材料无法达到的性能要求，为人们在选择和设计材料等方面提供了更大的自由度及美好前景。以下是它的一些独有的性能： (1)CFRP具有比钢材高出10几倍的抗拉强度，一般为1500～1900 MPa，高的可达2400～3000MPa：顺纤维方向其抗拉强度远大于普通钢筋，与高强预应力筋相近。 (2)CFRP抗疲劳性能优良，据试验表明，当平均应力为550MPa时，200万次循环荷载应力幅度可达900MPa，高出钢材3倍。 (3)CFRP减震性能好，其自振频率很高，可避免早期共振，同时内阻也很大，一旦激震起来，衰减也很快。 (4)CFRP具有优良的耐化学腐蚀性，它是一种优良的电绝缘体，用它制作的设备或构件具有良好的耐酸、碱、盐等化学介质侵蚀的能力。 (5)CFRP材料是柔软的，树脂是可以流动的，其产品的形状几乎不受限制，还可以任意着色，从而达到结构形式和材料美学的高度统一。 CFRP所具有的高强、轻质等独特的性能和优点，使其作为结构用材在桥梁工程中的应用具有很广阔的前景。 1 CFRP材料在国内外的发展 复合材料应用于桥梁工程起始于上世纪70年代末和80年代初期。美国、保加利亚、以色列和中国均有应用。但CFRP材料从80年代后期才引起国际工程界的注意，开始作为钢筋、预应力钢材的替代品加以研究。 近几十年来，国内外的碳纤维及其复合材料工业处于高速发展阶段。CFRP及其复合材料的力学性能取得突破性进展，生产技术和生产效率明显提高，产品成本稳中有降，因此，CFRP材料用于桥梁工程的研究在一些发达国家开展得十分广泛。进入90年代末期，这些研究成果已开始大量应用于实际工程，比如工程界将其作为PC桥梁的张拉材料、建筑物的外墙材料、既有桥梁的加固材料等等。截止到1997年，国外用CFRP力筋修建的PC桥梁已有10余座，采用CFRP对病害桥梁进行修复加固的实例也不少。直到1997年我国才正式开始这一领域的研究工作，并在1999年开始了实际的工程应用，截至目前为止国内已有近10余个研究所和10余所高等院校对其技术性能进行了约20项研究，已取得了大量的科研成果。 目前，碳纤维及其复合材料的生产能力多年来一直过剩，各大公司还继续扩大生产能力，生产效率也比当初几乎提高100倍，使生产成本进一步降低，为CFRP在结构工程中的应用创造了条件。 2 CFRP在桥梁工程中的应用 2．1 用CFRP修建桥梁 由于CFRP绞线和棒材具有耐腐蚀性好、强度重量比高、低松弛及耐疲劳等特性，目前大量用作桥梁的预应力筋或体外筋。日本是第一个在混凝土桥梁中采用CFRP绞线作预应力筋的国家，并修建了一系列CFRP作力筋的桥梁，不同类型的CFRP力筋性能试验及研究以及所需锚固系统都已完成。并且为了探测采用CFRP力筋的混凝土构件的承载力和耐久性，做了静载及疲劳试验。这些结果被用作CFRP力筋预应力混凝土桥设计和施工的指导准则。准则包括：材料性能、设计原理、容许应力、试验和材料检验，CFRP力筋混凝土桥的指导步骤。德国也于1991年在一座后张预应力混凝土高速跨线桥中，部分力筋采用了CFRP绞线，4束19根Φ为12．5 min的CFRP绞线组成大型预应力束，用楔形系统锚固在梁上；德国BASF公司还设想用CFRP拉索制造100m跨径的桥梁；美国加州大学用缠绕方法制造出混杂复合材料的缆索，准备用其替代长滩德曼得桥上80根拉索中的4根；瑞士联邦材料实验室(EMPA)完成了碳纤维增强塑料(CFRP)拉索