土木工程材料論文參考

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

　　試談復合材料在土木工程中的應用現狀

　　【摘要】隨著經濟的快速發展，土建工程行業成為了我國重要的經濟增長，加強土建工程中FRP復合材料的應用，對我國土建工程的發展起著至關重要的作用。本文將從FRP復合材料基本性質簡介、FRP復合材料在土木工程中應用的優勢及FRP在工程結構中的應用等幾個方面進行分析。

　　【關鍵詞】土木工程;FRP復合材料;應用

　　前言

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

　　二、FRP復合材料基本性質簡介

　　1、FRP是由多股連續纖維，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FRP的力學性質表現出很大的差異。

　　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生。

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

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

　　(4)熱膨脹系數與混凝土相近。這樣當環境溫度發生變化時，FRP與混凝土協同工作，兩者間不會產生大的溫度應力。

　　(5)彈性模量小。FRP的彈性模量約為普通鋼筋的25%~70%，這樣，FRP混凝土結構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用作預應力筋以及進行FRP的材性試驗時，相應的錨、夾具需專門研制。

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

　　通常，FRP筋中纖維含量為70%~80%，樹脂占20%~30%，纖維含量愈高，FRP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12萬根的連續纖維。

　　三、FRP在土木工程中的關鍵技術及應用

　　絕大多數修復工作包括對由于地震和其他自然災害造成的損壞及結構老化的修補組成。由于環境、設計不周、建筑質量低劣，需要對建筑結構進行加固，且這種處理方式可以滿足當前的設計與使用要求。因此，近二十年，結構修補與加固在世界范圍內引起了極大的關注。最近試驗和分析研究表明：利用 FRP復合材料來修復現有的結構比傳統方式更節省成本、更能縮短時間且更容易施工。

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

　　1、關鍵的材料技術

　　(1)高性能FRP復合材料改性技術研究FRP復合材料與土木工程常用建筑鋼材相比具有高強、輕質、耐久、耐疲勞、易施工與可設計等諸多優點，不同的FRP復合材料與傳統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.土木結構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、良好的環境親和性，是影響現有高性能FRP復合材料在現代土木工程中應用的關鍵材料技術問題.該問題一旦獲得解決，將會給現代土木工程材料技術帶來革命性的變革，也會為復合材料領域帶來一個巨大的潛在市場與更大的發展機遇。

　　(2)高性能FRP復合材料。關鍵配套材料和設備研究開發由于土木工程用FRP復合材料形式是多種多樣的，其應用環境、應用方法也多種多樣.因此，僅僅解決FRP復合材料改性技術，并生產出適合于土木工程應用特點的材料還不夠，還必須解決其配套的關鍵材料與設備技術問題.主要包括以下兩方面內容:特種粘貼樹脂基體結構設計及材料合成技術;高性能FRP復合材料筋/索錨具及預應力張拉設備研制.

　　2、關鍵的設計技術

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

　　例如，板在平面應力作用下會產生平面外彎曲及翹曲.正是這些不同的力學性能給學術界提出挑戰，并產生新的工程力學分支―復合材料力學.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向復合材料力學研究，至今已經出現許多激動人心的學術成果.

　　(2)設計參數的選擇。

　　盡管復合材料具有如此多的優點，但在工業界中的應用還僅限于航天、航空、汽車及造船領域，在土木工程中還鮮有應用.限制復合材料廣泛應用的原因除了采用復合材料的結構造價昂貴外，另一個原因是設計的復雜性，和傳統材料結構相比，復合材料結構設計參數非常多.例如，設計一塊承重板，采用傳統的勻質材料，設計參數主要有擬選用材料的類型及板的厚度;而采用復合材料疊合板結構(Laminated Plate)，需要確定的設計參數有加強筋的材料類型、基質的材料類型、板的厚度薄層板的數量，各薄層板中纖維方向等.這些設計參數必須仔細選擇，不同的設計參數組合可以導致結構力學性能的極大差別.

　　(3)快速有效的優化設計。

　　由于復合材料結構造價昂貴，在設計過程中必須考慮優化，以降低結構自重，減少材料用量.而如前所述，復合材料結構設計變量多，優化搜尋次數多，特別是當幾何尺寸變量變化時，有限元模型(幾何形狀，網格劃分)必須重新建立，使優化設計成為非常冗長復雜的過程.因此如何快速有效地進行優化設計成為學術研究的重要課題，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計前，進行初步設計，并且采用簡化方法進行分析，以避開復雜的有限元計算.從而，得到較接近優化設計的初步設計方案，減少詳細設計中的優化搜尋次數，因而大大減輕詳細設計的工作量和難度。

　　(4) FRP復合材料加固補強設計方法。

　　采用FRP復合材料對已有結構進行加固補強，應充分考慮其材料的差異、工藝的差異，以及環境的影響。

　　四、FRP復合材料在土木工程中的展望

　　FRP復合材料具有輕質、高強、耐腐蝕等多種優點,作為結構加固補強材料具有巨大優勢。FRP加固技術在民用建筑、工業廠房、橋梁以及地鐵隧道等結構加固中都具有非常廣闊的發展應用前景。

　　我國對FRP加固修復工程結構技術的研究和應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)加固時應充分考慮FRP材料的差異、工藝的差異以及環境等的影響;(2)加強FRP材料及結構耐久性及疲勞性能研究;(3)深入研究FRP的性能,加快FRP材料的國產化進程,努力開發FRP的應用潛力;(4)加快FRP加固工程技術規范與標準的制定等。

　　五、結束語

　　通過對FRP復合材料及其在土木工程中的應用研究的問題分析，進一步明確了FRP復合材料在土木工程中的應用方向。因此，在土木工程中的后續發展中，要不斷提高FRP復合材料技術的研究，促進土木工程的進一步發展。

　　參考文獻

　　[1]葉列平，馮鵬 FRP在工程結構中的應用與發展 土木工程學報 2006年

　　[2]張明武，余建星 FRP補強加固RC梁粘結破壞機理研究 建筑結構學報 2003年

　　[3]岳清瑞 纖維增強塑料(FRP)在土木工程結構中的應用技術的進展 清華大學出版社 2002年

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