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1、第26卷第1期华侨大学学报(自然科学版)Vol.26No.12005年1月JournalofHuaqiaoUniversity(NaturalScience)Jan.2005文章编号100025013(2005)0120001206FRP复合材料及其在土木工程中的应用研究①①②王全凤杨勇新岳清瑞(①华侨大学土木工程学院,福建泉州362021;②国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心,北京100088)摘要FRP复合材料(FiberReinforcedPlastic,FRP)及其在现代土木工程中应用,这是土木工程领域的前沿课题之一.
2、对于这一领域的研究工作,目前国内刚刚起步.文中在综合有关资料的基础上,综述了国内外对FRP复合材料及其在现代土木工程中应用的研究.介绍FRP复合材料在现代土木工程中应用的关键技术,并展望FRP应用前景.关键词FRP复合材料,土木工程,工程应用中图分类号TU599文献标识码A1FRP复合材料1.1FRP复合材料特性复合材料(CompositeMaterial)是指两种以上的材料组合在一起形成的非均匀材料.事实上,自然界中绝大多数物体都可视为复合材料.在土木工程界,最典型的复合材料是混凝土.在现代工业界,复合材料是指人工制造合成的二相
3、或多相材料,通常一相为加强材料(Reinforce),另一相为基质(Matrix).常用的加强材料有玻璃(Glass)、铜(Carbon)、石墨(Graphite)或碳化硅(Polymer).常用的基质材料有各类聚合物(Polymer),如高分子聚合物、低分子聚合物、热固性聚合物和金属、陶瓷等.加强材料通常采用纤维(Fiber)或颗粒(Particle)两种形式.在工业界最常采用的复合材料是加强纤维复合材料(FiberReinforcedPlastic,FRP).复合材料的发展历史很短,最早的复合材料产生于1939年,是玻璃纤维复
4、合材料(Glass/EpoxyFiberReinforcedPlastic,GFRP).从1959开始,工业界开始生产和应用复合材料.1.2FRP复合材料在土木工程中应用的优势复合材料产生和发展的基本思想是充分发挥加强材料和基质的不同材料特性,并将其有机组合,使复合材料具有传统材料所不具备的物理化学及力学特性.这种思想类似于钢筋混凝土的特性,利用钢筋承担大部分受拉应力,利用混凝土承担大部分受压应力.所不同的是,在复合材料中,绝大部分应力均由具有较高强度的纤维承担,而基质主要起传递剪力和包裹纤维的作用.正是复合材料可以有机组合不同性
5、质的材料,因此复合材料具有传统材料(如钢材)无法比拟的优点.复合材料最重要的优点是具有非常高的强度对重量比(StrengthtoWeightRatio)及刚度对重量比(StiffnestoWeightRatio),因此复合材料广泛应用在航空、航天等要求轻质高强结构的领域.此外,复合材料还具有抗疲劳、抗腐蚀、磁电屏蔽及使用寿命长等优点.2FRP复合材料在土木工程中应用的技术现状及趋势FRP在土木工程中的应用比其它产业滞后,主要有两个原因.第一个原因是建筑物造价不能过高;另一个原因是缺少工程经验.工程师面对的许多实践性问题就是关于这种
6、FRP加强结构的预期或先见效果的设计.对混凝土结构和钢结构有一系列规程和标准及丰富的设计理论和工作经验,然而对于收稿日期2004204209作者简介王全凤(19452),男,教授,博士,主要从事土木工程的研究.E2mail:qfwang@hqu.edu.cn基金项目国家“十五”863计划基金资助项目(2001AA336010)2华侨大学学报(自然科学版)2005年FRP加强结构设计的标准和研究还相当匮乏.但从90年代早期,尤其从1996年开始,在土木工程中的一些特殊领域,FRP的使用已经有了巨大发展.在最近10年中,有许多文献报道
7、了FRP在土木工程中的应用.第二届复合材料在桥梁和结构进展的国际会议上,有来自20个国家的247位作者提交119篇文章涉及到FRP复合材料的应用,这表明了FRP复合材料的应用正在引起广泛注意.2.1国外技术发展现状由于FRP复合材料特性奠定了FRP在土木工程领域应用的巨大技术优势.美国材料咨询委员会(NMAB)1987年的年度报告中指出,有253000座混凝土桥存在不同程度的损伤,且以每年35000座的〔1〕速度在增加.1991年用于修复由于耐久性不足而损坏的桥梁,耗资910亿美元.英国为解决海洋环境下钢筋混凝土构筑物的腐蚀与防护
8、问题,每年就花费将近20万英镑.英国英格兰岛中部环形线的快车道有11座混凝土高架桥,建于1972年,建造费用为2800万英镑.建成两年后就发现有因钢筋锈蚀使混凝土发生顺筋裂缝的现象,在1974～1989年的15年期间,修补费用已高达4500万英镑,
