FRP材料的特点
FRP材料的性能与传统结构材料有很大差别,了解和掌握FRP材料的优缺点,才能在工程结构应用中充分发挥它的优势,避免其不足。
FRP具有以下优点:
(1)有很高的比强度,即通常所说的轻质高强,因此采用FRP材料可减轻结构自重。在桥梁工程中,使用FRP结构或FRP组合结构作为上部结构可使桥梁的极限跨度大大增加。理论上,用传统结构材料桥梁的极限跨度在5000m以内,而上部结构使用FRP结构可达8000m以上,有学者已经对主跨长达5000m的FRP悬索桥进行了方案设计和结构分析。在建筑工程中,采用FRP材料的大跨空间结构体系的理论极限跨度要比传统材料结构大2~3倍,因此,FRP结构和FRP组合结构是获得超大跨度的重要途径。本书作者提出的“FRP编织网大跨结构体系”就是一种利用其轻质高强性能的新型结构形式。在抗震结构中,FRP材料的应用可以减轻结构自重,减小地震作用。另外,FRP材料的应用也能使结构的耐疲劳陛能显著提高。
(2)有良好耐腐蚀性,FRP可以在酸、碱、氯盐和潮湿的环境中长期使用,这是传统结构材料难以比拟的。在美国每年因钢材腐蚀造成的工程结构损失高达700亿美元,近1/6的桥梁因钢筋锈蚀而严重损坏;加拿大用于修复因老化损坏的工程结构的费用达490亿加元;我国目前因钢材锈蚀而造成的损失也在逐年增加。而在化工建筑、盐渍地区的地下工程、海洋工程和水下工程中,FRP材料耐腐蚀的优点已经得到实际工程的证明。一些发达已经开始在寒冷地区和近海地区的桥梁、建筑中较大规模地采用FRP结构或FRP配筋混凝土结构以抵抗除冰盐和空气中盐分的腐蚀,极大地降低了结构的维护费
用,延长了结构的使用寿命。
(3)具有很好的可设计性。FRP属于人工材料,可以通过使用不同的纤维材料、纤维含量和铺陈方向设计出各种强度指标、弹性模量以及特殊性能要求的FRP产品。而且FRP产品成型方便,形状可灵活设计。
(4)具有很好的弹性性能,应力应变曲线接近线弹性,在发生较大变形后还能恢复原状,塑性变形小,有利于结构偶然超载后的变形恢复。
(5)FRP产品适合于在工厂生产、运送到工地、现场安装的工业化施工过程,有利于保证工程质量、提高劳动效率和建筑工业化。
(6)其他优势,包括透电磁波、绝缘、隔热、热胀系数小等,使得FRP在一些特殊场合能够发挥难以取代的作用,如雷达设施、地磁观测站、医疗核磁共振设备结构。
与传统结构材料不同,FRP制品通常为各向异性,沿纤维方向的强度和弹性模量较高,而垂直纤维方向的强度和弹性模量很低。由于FRP的各向异性,在受力性能上还有许多不同于传统结构材料的现象,如拉伸翘曲现象,这些都会增加FRP结构的分析与设计难度。
与钢材相比,大部分FRP产品的弹性模量较低,大致与混凝土和木材在同一数量级。因此,在FRP结构的设计通常由变形控制。可通过设计FRP构件的截面、合理地与混凝土等材料组合以及采用预应力等方法控制结构的变形,补偿刚度的不足。
FRP材料的剪切强度、层间拉伸强度和层间剪切强度仅为其抗拉强度的5%~20%,而金属的剪切强度约为其拉伸强度的50%。这使得FRP构件的连接成为突出的问题。FRP结构可采用铆接、栓接和粘接,但不管哪种连接方式,连接部位往往都容易成为整个构件的薄弱环节。因此在。FRP结构设计中,一方面要尽量减少连接,另一方面要重视连接的设计。
与混凝土相比较,一般的FRP材料的防火性能较差,主要是由于多数树脂在高温下会软化,在树脂达到软化温度时(通常为70℃左右)力学性能会大大降低,达到玻璃化温度(通常为300℃左右)时性态就会发生转变。但在FRP的树脂材料中可掺人阻燃剂,提高其抗火性能。目前掺入阻燃剂的环氧树脂复合成的CFRP,表面再进行防火处理,其效果已经可以与混凝土结构相媲美了。
一些研究已经表明FRP材料本身的抗疲劳性能优于传统结构材料。但值得重视的是,初始缺陷和工作环境对FRP材料抗疲劳性能的影响非常显著。因此实际工程中的FRP结构整体的抗疲劳性能还需要进行深入的研究。
FRP材料的长期性能和耐久性是很多工程师和使用者所十分关心的问题。目前许多FRP产品供应商都通过快速老化试验来证明其产品的寿命在35年以上,甚至达到70年。但是FRP材料诞生也不过60多年,应用于土木工程中也仅40余年。还应注意的是,耐久性不仅仅是材料老化,还包括温度和湿度变化的影响、FRP的蠕变和应力松弛以及GFRP与混凝土碱性反应等问题,而且在实际环境下这些因素是共同作用、相互影响的。文献的调研以及我国的应用实例中,有FRP结构因耐久性而失效的例子,也有应用20年以上的工程实例。因此对FRP结构的耐久性还需要进行更为深入和广泛的研究。
经济性也是所有工程师和使用者都很关心的问题。仅从材料价格上看,FRP结构和FRP组合结构与钢筋混凝土结构相比没有竞争力,但由于自重轻,并考虑到FRP材料耐腐蚀所带来的低廉的维护费用,采用FRP材料的综合经济效益是值得重视的。1986年建成的重庆交院桥,采用GFRP箱梁,建造成本比钢桥省了50%。以美国的短跨桥梁为例,FRP结构的日常维护费用仅为钢筋混凝土结构的1/5,改造维修费用仅为钢筋混凝土结构的1/2。另外,由于FRP目前在工程结构中还处于初期应用阶段,初期费用是偏高的,随着应用量增大,FRP产品生产规模扩大,其成本势必大大降低。以我国CFRP布加固混凝土结构为例,其价格从初期2000元/m2降低到目前300~500元/m2,就是一个很好的例证。








































