复合材料在土木建筑基础设施中应用可行性
纤维增强聚合物复合材料重量较轻,经久耐用,人们一直认为纤维增强聚合物是钢铁和混凝土的理想替代产品。弗吉尼亚理工学院已对拉挤成型、混合双层宽板横梁进行了一系列测试和分析。测试的主要目的是促进双层宽板横梁结构设计的发展,其中包括硬度和强度数据。
人们已经做了许多关于横梁的静态试验,包括故障测试,以确定此类横梁属性,如弯曲系数、抗剪硬度、故障模式、大容量。实践证明,测量和计算抗剪硬度是难的一项任务。使用提摩盛科梁理论来计算抗剪硬度。确定抗剪硬度的方法有好几种。之所以说测量抗剪系数难,是因为使用不同的方法产生的结果不同。
纤维增强聚合物复合材料重量较轻,经久耐用,人们一直认为纤维增强聚合物是钢铁和混凝土的理想替代产品。人们之所以对纤维增强聚合物复合材料感兴趣是因为这种材料比较符合现代建筑中的性能和耐用性需求。现存结构形状包括宽缘梁、盒型梁、多层叠合梁以及多孔面板。以上结构构件的组分材料一般使用E-玻璃纤维和低成本树脂系统(聚酯、乙烯基酯等)。有时,凸缘联轴节或面板中使用碳纤维来加强弯曲强度。建筑结构一般使用成品的拉挤型材或使用真空加力树脂传递成型来制造结构构件。与传统材料相比,玻璃钢材料的优点在于:高强度重量比、较强抗腐蚀性、重量轻、电磁透明度、良好的抗疲劳性能。
玻璃钢复合材料经久耐用,因此尤适于基础设施应用领域。玻璃钢复合材料已成功应用于海洋和化工储藏领域。玻璃钢复合材料在航空航天中的应用更加广泛,成本和长期耐久性均不是航空航天领域所看重的要素。此外,航空航天行业需要高性能的材料如碳纤维和环氧树脂。建筑领域和土木工程基础设施应用领域需要更具成本竞争优势的玻璃纤维和聚酯或乙烯基酯。 [-page-]
由于缺乏玻璃钢复合材料长期耐久性的数据,所以玻璃钢在土木工程基础设施中的渗透率比较慢。当然,还有一些其它因素阻碍了玻璃钢得以广泛应用。复合材料的初成本比其它传统工程材料的成本要高许多,传统材料如钢铁、混凝土、木材等。玻璃钢复合材料的支持者们认为,由于玻璃钢经久耐用,因此其生命周期成本相对较低。相对于工业而言,复合材料是一种相对较新的材料,因此缺乏设计方面的丰富经验,导致初始成本比较高。尽管玻璃钢复合材料具有较高硬度重量比,可应用于许多应用领域,但玻璃钢绝对硬度相对较低,从而导致在充分利用其强度方面还存在一定的困难。此外,关于复合材料设计和修复方面的标准比较少。一些较大的复合材料结构生产商制定自己独立产品设计手册,有时他们也与学院和政府研究团体合作,一起制定设计标准。
总之,由于复合材料具有众多优点,在基础设施应用领域不断得到人们的认可,不断发掘其在基础设施中的新功用。除了具有上述优点之外,使用复合材料建造而成的建筑结构可提高对接接头处的活负载能力,且安装便捷。为了继续提高复合材料在基础设施中的认可度,还需要更多耐久性的数据,必须继续降低组分材料的成本(尤其是碳纤维),还需进行更多的现场试验。使用复合材料生产的产品风险较低,重量较轻,是复合材料受到广泛承认的关键因素。在美国弗吉尼亚州,人们使用玻璃钢复合材料来代替桥梁中的钢铁纵梁、木制桥面板,证明效果显著。
查看文献,可发现许多基础设施中使用复合材料的案例。复合材料在美国基础设施中的应用还不是十分普及,有一些因素制约了复合材料在工业中的广泛普及。除此之外,了解一些复合材料结构中的裁剪效应特点,尤其是抗剪硬度,可有助于人们更好地了解复合材料的属性。
复合材料在基础设施中应用可行性
玻璃钢复合材料在航空航天部件中的应用表明,复合材料工业在设计方面已经取得了重大进展。正因为复合材料具有诸多优点,其应用领域之广也就不足为奇了,现在复合材料应用已扩展到基础设施这一较小领域。尽管人们认同复合材料的速度比较慢,目前,许多土木和军事基础设施中已开始使用复合材料。
土木工程师探究桥梁设计和材料的新型替代产品,还有其它动机。他们还致力于研究涂层和胶粘剂,但主要还是研究钢铁、混凝土以及木材的替代材质。不久将来,人们对桥梁现状的关注,同时还要考虑成本限制,这两项因素都是需求新技术的动力。
土木和军事基础设施中使用玻璃钢复合材料的原因有许多。但复合材料在基础设施中的认知度比较慢,这一事实也比较明显。上文已经说过,缺少复合材料经久耐用的数据是影响玻璃钢在基础设施中广泛普及的主要障碍。在实验室及现场应用中已研究了对玻璃钢复合材料长期防潮性、冻融循环、紫外线辐射、化学状态变化等进行了研究,但缺少目前复合材料在基础设施中使用比较有限,因此复合材料在基础设施中的长期功效的数据仍然不充分。此外,大部分桥梁设计的挠度受限制,与钢铁相比,玻璃钢复合材料的硬度较低,这也是复合材料在基础设施中使用受限的一个原因。混凝土覆盖层和甲板连接物严重变形也可导致严重事故。碳纤维硬度比玻璃纤维要高,在某些方面可弥补玻璃纤维的不足之处,但碳纤维价格比较高,成为复合材料广泛普及的另一主要阻碍因素。
尽管玻璃钢复合材料具有一些局限性,工程师正在寻找一些方法来克服这些因素,来扬长避短,充分发挥玻璃钢复合材料的优势之处。例如,尽管玻璃钢复合材料绝对硬度相对较低,但玻璃钢强度较高、硬度重量比较高,是应用中的优势之处。复合材料结构可极大地减少桥梁静负荷,无需支柱加固,就可提高活负载,从而提高了建筑物的载重量。这要归功于玻璃钢复合材料的化学稳定性和优异抗疲劳性能。由于玻璃钢复合材料重量轻,经久耐用,设计适宜的玻璃钢桥梁结构重量较轻,使用寿命较长,维护便捷,节省维修成本。与钢铁或混凝土桥梁相比,极大提高了其强度。
复合材料生产工艺及其使用标准
因为复合材料不断在基础设施领域获得认可,无论是作为次级承重材料,还是作为主要承重材料,复合材料在基础设施中应用领域越来越广泛。目前,复合材料在基础设施中的一些应用领域包括:防护栏、横隔板、圆柱包装材料、混凝土梁增强物、钢构件和拼接板的增强物和修复材料,此外,复合材料还经常用来保护各种环境下的接头和桥梁支座。复合材料还用来提高桥主梁和桥面板的使用期限。
因为玻璃钢复合材料、聚酯树脂、玻璃纤维成本较低,因此这些材料在土木基础设施中的应用比较广泛。在某些情况下,当需要较强的机械性能(如弯曲强度)时,则需使用碳纤维,碳纤维成本较高。建造复合材料建筑物常用的方法之一是拉挤成型工艺,尤其是大型建筑物建造和应用中,使用普遍。拉挤成型工艺相对较简单,成本较低,比较灵活,具有连续特性,是生产基础设施部件的理想工艺。拉挤成型工艺一般使用的组分材料包括纤维无捻粗纱、缝编织物、连续毡和短切毡,纤维体积分率相对较低,约为40%至50%。有时,也使用树脂浇灌和树脂传递模塑法来生产基础设施部件,但一般是客户定制的情况或模型结构要求时,才使用树脂浇灌和树脂传递模塑这两种方法。
玻璃钢复合材料建筑物的指导方针和标准仍需要不断完善健全。美国材料试验协会(ASTM)、美国混凝土学会(ACI)、美国运输公路协会(AASHTO)等机构负责制定一些方针和标准。除了这些机构以外,不同复合材料供应商和生产商,包括Strongwell 公司、Hardcore复合材料公司、Creative Pultrusions公司也在独自为其产品制定其设计标准,以帮助用户正确使用复合材料产品。对那些使用玻璃钢复合材料经验不足的客户而言,明确定义和易于接受的指导方针是十分必要的。
人们已经做了许多关于横梁的静态试验,包括故障测试,以确定此类横梁属性,如弯曲系数、抗剪硬度、故障模式、大容量。实践证明,测量和计算抗剪硬度是难的一项任务。使用提摩盛科梁理论来计算抗剪硬度。确定抗剪硬度的方法有好几种。之所以说测量抗剪系数难,是因为使用不同的方法产生的结果不同。
纤维增强聚合物复合材料重量较轻,经久耐用,人们一直认为纤维增强聚合物是钢铁和混凝土的理想替代产品。人们之所以对纤维增强聚合物复合材料感兴趣是因为这种材料比较符合现代建筑中的性能和耐用性需求。现存结构形状包括宽缘梁、盒型梁、多层叠合梁以及多孔面板。以上结构构件的组分材料一般使用E-玻璃纤维和低成本树脂系统(聚酯、乙烯基酯等)。有时,凸缘联轴节或面板中使用碳纤维来加强弯曲强度。建筑结构一般使用成品的拉挤型材或使用真空加力树脂传递成型来制造结构构件。与传统材料相比,玻璃钢材料的优点在于:高强度重量比、较强抗腐蚀性、重量轻、电磁透明度、良好的抗疲劳性能。
玻璃钢复合材料经久耐用,因此尤适于基础设施应用领域。玻璃钢复合材料已成功应用于海洋和化工储藏领域。玻璃钢复合材料在航空航天中的应用更加广泛,成本和长期耐久性均不是航空航天领域所看重的要素。此外,航空航天行业需要高性能的材料如碳纤维和环氧树脂。建筑领域和土木工程基础设施应用领域需要更具成本竞争优势的玻璃纤维和聚酯或乙烯基酯。 [-page-]
由于缺乏玻璃钢复合材料长期耐久性的数据,所以玻璃钢在土木工程基础设施中的渗透率比较慢。当然,还有一些其它因素阻碍了玻璃钢得以广泛应用。复合材料的初成本比其它传统工程材料的成本要高许多,传统材料如钢铁、混凝土、木材等。玻璃钢复合材料的支持者们认为,由于玻璃钢经久耐用,因此其生命周期成本相对较低。相对于工业而言,复合材料是一种相对较新的材料,因此缺乏设计方面的丰富经验,导致初始成本比较高。尽管玻璃钢复合材料具有较高硬度重量比,可应用于许多应用领域,但玻璃钢绝对硬度相对较低,从而导致在充分利用其强度方面还存在一定的困难。此外,关于复合材料设计和修复方面的标准比较少。一些较大的复合材料结构生产商制定自己独立产品设计手册,有时他们也与学院和政府研究团体合作,一起制定设计标准。
总之,由于复合材料具有众多优点,在基础设施应用领域不断得到人们的认可,不断发掘其在基础设施中的新功用。除了具有上述优点之外,使用复合材料建造而成的建筑结构可提高对接接头处的活负载能力,且安装便捷。为了继续提高复合材料在基础设施中的认可度,还需要更多耐久性的数据,必须继续降低组分材料的成本(尤其是碳纤维),还需进行更多的现场试验。使用复合材料生产的产品风险较低,重量较轻,是复合材料受到广泛承认的关键因素。在美国弗吉尼亚州,人们使用玻璃钢复合材料来代替桥梁中的钢铁纵梁、木制桥面板,证明效果显著。
查看文献,可发现许多基础设施中使用复合材料的案例。复合材料在美国基础设施中的应用还不是十分普及,有一些因素制约了复合材料在工业中的广泛普及。除此之外,了解一些复合材料结构中的裁剪效应特点,尤其是抗剪硬度,可有助于人们更好地了解复合材料的属性。
复合材料在基础设施中应用可行性
玻璃钢复合材料在航空航天部件中的应用表明,复合材料工业在设计方面已经取得了重大进展。正因为复合材料具有诸多优点,其应用领域之广也就不足为奇了,现在复合材料应用已扩展到基础设施这一较小领域。尽管人们认同复合材料的速度比较慢,目前,许多土木和军事基础设施中已开始使用复合材料。
土木工程师探究桥梁设计和材料的新型替代产品,还有其它动机。他们还致力于研究涂层和胶粘剂,但主要还是研究钢铁、混凝土以及木材的替代材质。不久将来,人们对桥梁现状的关注,同时还要考虑成本限制,这两项因素都是需求新技术的动力。
土木和军事基础设施中使用玻璃钢复合材料的原因有许多。但复合材料在基础设施中的认知度比较慢,这一事实也比较明显。上文已经说过,缺少复合材料经久耐用的数据是影响玻璃钢在基础设施中广泛普及的主要障碍。在实验室及现场应用中已研究了对玻璃钢复合材料长期防潮性、冻融循环、紫外线辐射、化学状态变化等进行了研究,但缺少目前复合材料在基础设施中使用比较有限,因此复合材料在基础设施中的长期功效的数据仍然不充分。此外,大部分桥梁设计的挠度受限制,与钢铁相比,玻璃钢复合材料的硬度较低,这也是复合材料在基础设施中使用受限的一个原因。混凝土覆盖层和甲板连接物严重变形也可导致严重事故。碳纤维硬度比玻璃纤维要高,在某些方面可弥补玻璃纤维的不足之处,但碳纤维价格比较高,成为复合材料广泛普及的另一主要阻碍因素。
尽管玻璃钢复合材料具有一些局限性,工程师正在寻找一些方法来克服这些因素,来扬长避短,充分发挥玻璃钢复合材料的优势之处。例如,尽管玻璃钢复合材料绝对硬度相对较低,但玻璃钢强度较高、硬度重量比较高,是应用中的优势之处。复合材料结构可极大地减少桥梁静负荷,无需支柱加固,就可提高活负载,从而提高了建筑物的载重量。这要归功于玻璃钢复合材料的化学稳定性和优异抗疲劳性能。由于玻璃钢复合材料重量轻,经久耐用,设计适宜的玻璃钢桥梁结构重量较轻,使用寿命较长,维护便捷,节省维修成本。与钢铁或混凝土桥梁相比,极大提高了其强度。
复合材料生产工艺及其使用标准
因为复合材料不断在基础设施领域获得认可,无论是作为次级承重材料,还是作为主要承重材料,复合材料在基础设施中应用领域越来越广泛。目前,复合材料在基础设施中的一些应用领域包括:防护栏、横隔板、圆柱包装材料、混凝土梁增强物、钢构件和拼接板的增强物和修复材料,此外,复合材料还经常用来保护各种环境下的接头和桥梁支座。复合材料还用来提高桥主梁和桥面板的使用期限。
因为玻璃钢复合材料、聚酯树脂、玻璃纤维成本较低,因此这些材料在土木基础设施中的应用比较广泛。在某些情况下,当需要较强的机械性能(如弯曲强度)时,则需使用碳纤维,碳纤维成本较高。建造复合材料建筑物常用的方法之一是拉挤成型工艺,尤其是大型建筑物建造和应用中,使用普遍。拉挤成型工艺相对较简单,成本较低,比较灵活,具有连续特性,是生产基础设施部件的理想工艺。拉挤成型工艺一般使用的组分材料包括纤维无捻粗纱、缝编织物、连续毡和短切毡,纤维体积分率相对较低,约为40%至50%。有时,也使用树脂浇灌和树脂传递模塑法来生产基础设施部件,但一般是客户定制的情况或模型结构要求时,才使用树脂浇灌和树脂传递模塑这两种方法。
玻璃钢复合材料建筑物的指导方针和标准仍需要不断完善健全。美国材料试验协会(ASTM)、美国混凝土学会(ACI)、美国运输公路协会(AASHTO)等机构负责制定一些方针和标准。除了这些机构以外,不同复合材料供应商和生产商,包括Strongwell 公司、Hardcore复合材料公司、Creative Pultrusions公司也在独自为其产品制定其设计标准,以帮助用户正确使用复合材料产品。对那些使用玻璃钢复合材料经验不足的客户而言,明确定义和易于接受的指导方针是十分必要的。








































