土木工程材料論文參考
土木工程材料論文參考
土木工程材料是土木工程各專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課和必修課,實(shí)踐性強(qiáng),與實(shí)際工程密切相關(guān)。下文是學(xué)習(xí)啦小編為大家搜集整理的關(guān)于土木工程材料論文參考的內(nèi)容，歡迎大家閱讀參考!
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(jì)的快速發(fā)展，土建工程行業(yè)成為了我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，加強(qiáng)土建工程中FRP復(fù)合材料的應(yīng)用，對(duì)我國(guó)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(jiǎn)介、FRP復(fù)合材料在土木工程中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)及FRP在工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用等幾個(gè)方面進(jìn)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(yùn)用的問題得到了人們的廣泛關(guān)注。雖然我國(guó)在此技術(shù)上有所完善和進(jìn)步，但是仍然存在一些問題和不足需要改進(jìn)。在建設(shè)社會(huì)主義和諧社會(huì)的新時(shí)期，進(jìn)一步加強(qiáng)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(jìn)土木工程發(fā)展的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。
二、FRP復(fù)合材料基本性質(zhì)簡(jiǎn)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(qiáng)塑料、碳纖維增強(qiáng)塑料和阿拉米德纖維增強(qiáng)塑料等。不同的纖維化學(xué)成分不同，力學(xué)性能也有較大差別，相應(yīng)FRP的力學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)出很大的差異。
2、FRP的主要特點(diǎn)有：
(1)抗拉強(qiáng)度高。三種FRP的抗拉強(qiáng)度均明顯超過了鋼筋，與高強(qiáng)鋼絲差不多，且在達(dá)到抗拉強(qiáng)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(dāng)建筑結(jié)構(gòu)中采用FRP時(shí)，施工非常方便，可降低勞動(dòng)力費(fèi)用。當(dāng)用于舊有結(jié)構(gòu)的維修加固時(shí)效果更為明顯。
(4)熱膨脹系數(shù)與混凝土相近。這樣當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，F(xiàn)RP與混凝土協(xié)同工作，兩者間不會(huì)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(qiáng)度低。FRP抗剪強(qiáng)度很低，通常不超過其抗拉強(qiáng)度的10%左右，在將FRP用作預(yù)應(yīng)力筋以及進(jìn)行FRP的材性試驗(yàn)時(shí)，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(zhǎng)線擠壓臺(tái)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(qiáng)度愈高，但擠壓成型時(shí)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(duì)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(bǔ)組成。由于環(huán)境、設(shè)計(jì)不周、建筑質(zhì)量低劣，需要對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，且這種處理方式可以滿足當(dāng)前的設(shè)計(jì)與使用要求。因此，近二十年，結(jié)構(gòu)修補(bǔ)與加固在世界范圍內(nèi)引起了極大的關(guān)注。最近試驗(yàn)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(shí)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(qiáng)。
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(qiáng)、輕質(zhì)、耐久、耐疲勞、易施工與可設(shè)計(jì)等諸多優(yōu)點(diǎn)，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(diǎn)但也有一定的弱點(diǎn)，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(shí)沒有屈服臺(tái)階.土木結(jié)構(gòu)對(duì)材料韌性的基本要求是2.5%一3.0%.所以，CFRP和AFRP的強(qiáng)度高，但韌性差.GFRP可以滿足韌性要求，但模量和強(qiáng)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(duì)各有特點(diǎn)的不同纖維材料的復(fù)合改性，使其具有高性能(高強(qiáng)、高模、高耐久性及良好的韌性等)同時(shí)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(huì)給現(xiàn)代土木工程材料技術(shù)帶來革命性的變革，也會(huì)為復(fù)合材料領(lǐng)域帶來一個(gè)巨大的潛在市場(chǎng)與更大的發(fā)展機(jī)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(diǎn)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(jì)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(jì)技術(shù)
(1)新的工程力學(xué)分支―復(fù)合材料力學(xué)。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(xué)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(xué)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(huì)產(chǎn)生平面外彎曲及翹曲.正是這些不同的力學(xué)性能給學(xué)術(shù)界提出挑戰(zhàn)，并產(chǎn)生新的工程力學(xué)分支―復(fù)合材料力學(xué).從70年代開始，在美國(guó)國(guó)家宇航局(NASA)的資助下，越來越多的工程力學(xué)界學(xué)者轉(zhuǎn)向復(fù)合材料力學(xué)研究，至今已經(jīng)出現(xiàn)許多激動(dòng)人心的學(xué)術(shù)成果.
(2)設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇。
盡管復(fù)合材料具有如此多的優(yōu)點(diǎn)，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(jià)昂貴外，另一個(gè)原因是設(shè)計(jì)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(jì)參數(shù)非常多.例如，設(shè)計(jì)一塊承重板，采用傳統(tǒng)的勻質(zhì)材料，設(shè)計(jì)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(jì)參數(shù)有加強(qiáng)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(jì)參數(shù)必須仔細(xì)選擇，不同的設(shè)計(jì)參數(shù)組合可以導(dǎo)致結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的極大差別.
(3)快速有效的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
由于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)造價(jià)昂貴，在設(shè)計(jì)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(jì)變量多，優(yōu)化搜尋次數(shù)多，特別是當(dāng)幾何尺寸變量變化時(shí)，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(jì)成為非常冗長(zhǎng)復(fù)雜的過程.因此如何快速有效地進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)成為學(xué)術(shù)研究的重要課題，華僑大學(xué)在這方面作了一些有益的前期工作，一個(gè)直接可行的方法就是在詳細(xì)設(shè)計(jì)前，進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，并且采用簡(jiǎn)化方法進(jìn)行分析，以避開復(fù)雜的有限元計(jì)算.從而，得到較接近優(yōu)化設(shè)計(jì)的初步設(shè)計(jì)方案，減少詳細(xì)設(shè)計(jì)中的優(yōu)化搜尋次數(shù)，因而大大減輕詳細(xì)設(shè)計(jì)的工作量和難度。
(4) FRP復(fù)合材料加固補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)方法。
采用FRP復(fù)合材料對(duì)已有結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)，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(qiáng)、耐腐蝕等多種優(yōu)點(diǎn),作為結(jié)構(gòu)加固補(bǔ)強(qiáng)材料具有巨大優(yōu)勢(shì)。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(guó)對(duì)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(rèn)為,仍需要在以下方面進(jìn)行深入研究:(1)加固時(shí)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(qiáng)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(guó)產(chǎn)化進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)的制定等。
五、結(jié)束語
通過對(duì)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(jìn)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(jìn)土木工程的進(jìn)一步發(fā)展。
參考文獻(xiàn)
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