土木工程材料論文參考

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　　土木工程材料論文參考篇1

　　試談復(fù)合材料在土木工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀

　　【摘要】隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，土建工程行業(yè)成為了我國重要的經(jīng)濟增長，加強土建工程中FRP復(fù)合材料的應(yīng)用，對我國土建工程的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。本文將從FRP復(fù)合材料基本性質(zhì)簡介、FRP復(fù)合材料在土木工程中應(yīng)用的優(yōu)勢及FRP在工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用等幾個方面進行分析。

　　【關(guān)鍵詞】土木工程;FRP復(fù)合材料;應(yīng)用

　　前言

　　目前由于土建工程的不斷壯大，土建工程中施工技術(shù)水平的提高，尤其FRP復(fù)合材料運用的問題得到了人們的廣泛關(guān)注。雖然我國在此技術(shù)上有所完善和進步，但是仍然存在一些問題和不足需要改進。在建設(shè)社會主義和諧社會的新時期，進一步加強土木工程的FRP復(fù)合材料技術(shù)，保證施工中的安全質(zhì)量，是促進土木工程發(fā)展的一個重要環(huán)節(jié)。

　　二、FRP復(fù)合材料基本性質(zhì)簡介

　　1、FRP是由多股連續(xù)纖維，如玻璃纖維、碳纖維及阿拉米德纖維等，采用基底材料膠合后，經(jīng)過特制的模具擠壓、拉拔而成型。常見的FRP包括玻璃纖維增強塑料、碳纖維增強塑料和阿拉米德纖維增強塑料等。不同的纖維化學成分不同，力學性能也有較大差別，相應(yīng)FRP的力學性質(zhì)表現(xiàn)出很大的差異。

　　2、FRP的主要特點有：

　　(1)抗拉強度高。三種FRP的抗拉強度均明顯超過了鋼筋，與高強鋼絲差不多，且在達到抗拉強度之前，幾乎沒有塑性變形產(chǎn)生。

　　(2)抗腐蝕性和耐久性好。與鋼材相比，F(xiàn)RP均具有很好的抗腐蝕性和耐久性，因而可提高結(jié)構(gòu)使用壽命，尤其用于腐蝕性較大的環(huán)境效果更為顯著。

　　(3)自重輕，施工方便。FRP密度僅為鋼材的25%左右，這樣，當建筑結(jié)構(gòu)中采用FRP時，施工非常方便，可降低勞動力費用。當用于舊有結(jié)構(gòu)的維修加固時效果更為明顯。

　　(4)熱膨脹系數(shù)與混凝土相近。這樣當環(huán)境溫度發(fā)生變化時，F(xiàn)RP與混凝土協(xié)同工作，兩者間不會產(chǎn)生大的溫度應(yīng)力。

　　(5)彈性模量小。FRP的彈性模量約為普通鋼筋的25%~70%，這樣，F(xiàn)RP混凝土結(jié)構(gòu)的撓度較大和裂縫開展較寬將不可避免。

　　(6)抗剪強度低。FRP抗剪強度很低，通常不超過其抗拉強度的10%左右，在將FRP用作預(yù)應(yīng)力筋以及進行FRP的材性試驗時，相應(yīng)的錨、夾具需專門研制。

　　(7)材料較為昂貴。由于FRP的生產(chǎn)制作工藝較復(fù)雜，一般需采用專門的長線擠壓臺座才能完成。

　　通常，F(xiàn)RP筋中纖維含量為70%~80%，樹脂占20%~30%，纖維含量愈高，F(xiàn)RP強度愈高，但擠壓成型時愈困難。以9mm直徑的FRP為例，其中包含了約12萬根的連續(xù)纖維。

　　三、FRP在土木工程中的關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

　　絕大多數(shù)修復(fù)工作包括對由于地震和其他自然災(zāi)害造成的損壞及結(jié)構(gòu)老化的修補組成。由于環(huán)境、設(shè)計不周、建筑質(zhì)量低劣，需要對建筑結(jié)構(gòu)進行加固，且這種處理方式可以滿足當前的設(shè)計與使用要求。因此，近二十年，結(jié)構(gòu)修補與加固在世界范圍內(nèi)引起了極大的關(guān)注。最近試驗和分析研究表明：利用 FRP復(fù)合材料來修復(fù)現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)方式更節(jié)省成本、更能縮短時間且更容易施工。

　　歷史上，復(fù)合材料首先應(yīng)用于鋼筋混凝土(RC)橋梁的彎曲加固，應(yīng)用于鋼筋混凝土(RC)立柱和無鋼筋砌筑墻抗震的加強。

　　1、關(guān)鍵的材料技術(shù)

　　(1)高性能FRP復(fù)合材料改性技術(shù)研究FRP復(fù)合材料與土木工程常用建筑鋼材相比具有高強、輕質(zhì)、耐久、耐疲勞、易施工與可設(shè)計等諸多優(yōu)點，不同的FRP復(fù)合材料與傳統(tǒng)建筑鋼材相比有不同的特點但也有一定的弱點，如與鋼材相比，其韌性差，破斷延伸率較低(鋼材破斷延伸率約為15.0%一26.0%，而CFRP為1.5% , AFRP為1.5%一2.0% , GFRP為2.5%一3.0%的破斷延伸率)，破壞時沒有屈服臺階.土木結(jié)構(gòu)對材料韌性的基本要求是2.5%一3.0%.所以，CFRP和AFRP的強度高，但韌性差.GFRP可以滿足韌性要求，但模量和強度低，這就使得其在土木工程中的應(yīng)用效果大大降低.因此，如何通過對各有特點的不同纖維材料的復(fù)合改性，使其具有高性能(高強、高模、高耐久性及良好的韌性等)同時又具有低成本、良好的環(huán)境親和性，是影響現(xiàn)有高性能FRP復(fù)合材料在現(xiàn)代土木工程中應(yīng)用的關(guān)鍵材料技術(shù)問題.該問題一旦獲得解決，將會給現(xiàn)代土木工程材料技術(shù)帶來革命性的變革，也會為復(fù)合材料領(lǐng)域帶來一個巨大的潛在市場與更大的發(fā)展機遇。

　　(2)高性能FRP復(fù)合材料。關(guān)鍵配套材料和設(shè)備研究開發(fā)由于土木工程用FRP復(fù)合材料形式是多種多樣的，其應(yīng)用環(huán)境、應(yīng)用方法也多種多樣.因此，僅僅解決FRP復(fù)合材料改性技術(shù)，并生產(chǎn)出適合于土木工程應(yīng)用特點的材料還不夠，還必須解決其配套的關(guān)鍵材料與設(shè)備技術(shù)問題.主要包括以下兩方面內(nèi)容:特種粘貼樹脂基體結(jié)構(gòu)設(shè)計及材料合成技術(shù);高性能FRP復(fù)合材料筋/索錨具及預(yù)應(yīng)力張拉設(shè)備研制.

　　2、關(guān)鍵的設(shè)計技術(shù)

　　(1)新的工程力學分支―復(fù)合材料力學。由于材料的非勻質(zhì)，由復(fù)合材料制成的板、殼及薄壁桿件的力學性能不同于傳統(tǒng)材料制成的結(jié)構(gòu)構(gòu)件.因此基于勻質(zhì)材料的經(jīng)典彈塑性力學及板殼理論，不適用于分析復(fù)合材料結(jié)構(gòu)構(gòu)件.最典型的例子是復(fù)合材料可能出現(xiàn)彎拉藕合( Bending Stretching Coupling)、彎翹藕合(Bending-Twisting Coupling)及拉剪藕合(Stretching-Shear Coupling)。

　　例如，板在平面應(yīng)力作用下會產(chǎn)生平面外彎曲及翹曲.正是這些不同的力學性能給學術(shù)界提出挑戰(zhàn)，并產(chǎn)生新的工程力學分支―復(fù)合材料力學.從70年代開始，在美國國家宇航局(NASA)的資助下，越來越多的工程力學界學者轉(zhuǎn)向復(fù)合材料力學研究，至今已經(jīng)出現(xiàn)許多激動人心的學術(shù)成果.

　　(2)設(shè)計參數(shù)的選擇。

　　盡管復(fù)合材料具有如此多的優(yōu)點，但在工業(yè)界中的應(yīng)用還僅限于航天、航空、汽車及造船領(lǐng)域，在土木工程中還鮮有應(yīng)用.限制復(fù)合材料廣泛應(yīng)用的原因除了采用復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)造價昂貴外，另一個原因是設(shè)計的復(fù)雜性，和傳統(tǒng)材料結(jié)構(gòu)相比，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)非常多.例如，設(shè)計一塊承重板，采用傳統(tǒng)的勻質(zhì)材料，設(shè)計參數(shù)主要有擬選用材料的類型及板的厚度;而采用復(fù)合材料疊合板結(jié)構(gòu)(Laminated Plate)，需要確定的設(shè)計參數(shù)有加強筋的材料類型、基質(zhì)的材料類型、板的厚度薄層板的數(shù)量，各薄層板中纖維方向等.這些設(shè)計參數(shù)必須仔細選擇，不同的設(shè)計參數(shù)組合可以導(dǎo)致結(jié)構(gòu)力學性能的極大差別.

　　(3)快速有效的優(yōu)化設(shè)計。

　　由于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)造價昂貴，在設(shè)計過程中必須考慮優(yōu)化，以降低結(jié)構(gòu)自重，減少材料用量.而如前所述，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計變量多，優(yōu)化搜尋次數(shù)多，特別是當幾何尺寸變量變化時，有限元模型(幾何形狀，網(wǎng)格劃分)必須重新建立，使優(yōu)化設(shè)計成為非常冗長復(fù)雜的過程.因此如何快速有效地進行優(yōu)化設(shè)計成為學術(shù)研究的重要課題，華僑大學在這方面作了一些有益的前期工作，一個直接可行的方法就是在詳細設(shè)計前，進行初步設(shè)計，并且采用簡化方法進行分析，以避開復(fù)雜的有限元計算.從而，得到較接近優(yōu)化設(shè)計的初步設(shè)計方案，減少詳細設(shè)計中的優(yōu)化搜尋次數(shù)，因而大大減輕詳細設(shè)計的工作量和難度。

　　(4) FRP復(fù)合材料加固補強設(shè)計方法。

　　采用FRP復(fù)合材料對已有結(jié)構(gòu)進行加固補強，應(yīng)充分考慮其材料的差異、工藝的差異，以及環(huán)境的影響。

　　四、FRP復(fù)合材料在土木工程中的展望

　　FRP復(fù)合材料具有輕質(zhì)、高強、耐腐蝕等多種優(yōu)點,作為結(jié)構(gòu)加固補強材料具有巨大優(yōu)勢。FRP加固技術(shù)在民用建筑、工業(yè)廠房、橋梁以及地鐵隧道等結(jié)構(gòu)加固中都具有非常廣闊的發(fā)展應(yīng)用前景。

　　我國對FRP加固修復(fù)工程結(jié)構(gòu)技術(shù)的研究和應(yīng)用雖取得了一定成果,筆者認為,仍需要在以下方面進行深入研究:(1)加固時應(yīng)充分考慮FRP材料的差異、工藝的差異以及環(huán)境等的影響;(2)加強FRP材料及結(jié)構(gòu)耐久性及疲勞性能研究;(3)深入研究FRP的性能,加快FRP材料的國產(chǎn)化進程,努力開發(fā)FRP的應(yīng)用潛力;(4)加快FRP加固工程技術(shù)規(guī)范與標準的制定等。

　　五、結(jié)束語

　　通過對FRP復(fù)合材料及其在土木工程中的應(yīng)用研究的問題分析，進一步明確了FRP復(fù)合材料在土木工程中的應(yīng)用方向。因此，在土木工程中的后續(xù)發(fā)展中，要不斷提高FRP復(fù)合材料技術(shù)的研究，促進土木工程的進一步發(fā)展。

　　參考文獻

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　　[2]張明武，余建星 FRP補強加固RC梁粘結(jié)破壞機理研究 建筑結(jié)構(gòu)學報 2003年

　　[3]岳清瑞 纖維增強塑料(FRP)在土木工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用技術(shù)的進展 清華大學出版社 2002年

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