土木工程畢業(yè)論文范文精選篇2

　　淺議碳纖維等FRP在土木工程施工中的應用

　　摘要:纖維增強材料(FRP)從20世紀40年代問世以來，在航空、航天、船舶、汽車、化工、醫(yī)學和機械等領域得到了廣泛的應用。從70年代開始，F(xiàn)RP材料開始在土木結構工程中得到應用，如英國、美國和以色列等國最早將玻璃纖維增強材料(GFRP)作為建筑物或橋梁中的結梅材料。70年代后期，我國也開始對GFRP進行研究。從80年代開始，為了克服粘鋼加固中的一些缺點，基于粘鋼加固土木工程結構的思想，出現(xiàn)了以FRP替代鋼板作為土木工程結構補強加固的新思路。特別是自日本阪神大地震以后，為了修復地震作用下遭受破壞的建筑物和構筑物、加固現(xiàn)役老化結構設施以提高其性能或延長其壽命，F(xiàn)RP加固作為一種有效的解決方法受到了世界各國尤其是發(fā)達國家的廣泛重視。

　　關鍵字:碳纖維,FRP,土木工程

　　一、FRP材料特點

　　(1)有很高的比強度，即通常所說的輕質(zhì)高強，因此采用FRP材料可減輕結構自重。

　　在橋梁工程中，使用FRP結構或FRP組合結構作為上部結構可使橋梁的極限跨度大大增加。理論上，用傳統(tǒng)結構材料橋梁的極限跨度在5000m以內(nèi)，而上部結構使用FRP結構可達8000m以上[7]，有學者已經(jīng)對主跨長達5000m的FRP懸索橋進行了方案設計和結構分析[8]。在建筑工程中，采用FRP材料的大跨空間結構體系的理論極限跨度要比傳統(tǒng)材料結構大2～3倍，因此，F(xiàn)RP結構和FRP組合結構是獲得超大跨度的重要途徑。本書作者提出的“FRP編織網(wǎng)大跨結構體系”就是一種利用其輕質(zhì)高強性能的新型結構形式[9]。在抗震結構中，F(xiàn)RP材料的應用可以減輕結構自重，減小地震作用。另外，F(xiàn)RP材料的應用也能使結構的耐疲勞性能顯著提高。

　　(2)有良好耐腐蝕性，F(xiàn)RP可以在酸、堿、氯鹽和潮濕的環(huán)境中長期使用，這是傳統(tǒng)結構材料難以比擬的。

　　在美國每年因鋼材腐蝕造成的工程結構損失高達700億美元，近1/6的橋梁因鋼筋銹蝕而嚴重損壞;加拿大用于修復因老化損壞的工程結構的費用達490億加元;我國目前因鋼材銹蝕而造成的損失也在逐年增加。而在化工建筑、鹽漬地區(qū)的地下工程、海洋工程和水下工程中，F(xiàn)RP材料耐腐蝕的優(yōu)點已經(jīng)得到實際工程的證明。一些發(fā)達國家已經(jīng)開始在寒冷地區(qū)和近海地區(qū)的橋梁、建筑中較大規(guī)模地采用FRP結構或FRP配筋混凝土結構以抵抗除冰鹽和空氣中鹽分的腐蝕，極大地降低了結構的維護費用，延長了結構的使用壽命。

　　(3)具有很好的可設計性。FRP屬于人工材料，可以通過使用不同的纖維材料、纖維含量和鋪陳方向設計出各種強度指標、彈性模量以及特殊性能要求的FRP產(chǎn)品。而且FRP產(chǎn)品成型方便，形狀可靈活設計。

　　(4)具有很好的彈性性能，應力應變曲線接近線彈性，在發(fā)生較大變形后還能恢復原狀，塑性變形小，有利于結構偶然超載后的變形恢復。

　　(5)FRP產(chǎn)品適合于在工廠生產(chǎn)、運送到工地、現(xiàn)場安裝的工業(yè)化施工過程，有利于保證工程質(zhì)量、提高勞動效率和建筑工業(yè)化。

　　(6)其他優(yōu)勢，包括透電磁波、絕緣、隔熱、熱脹系數(shù)小等，使得FRP在一些特殊場合能夠發(fā)揮難以取代的作用，如雷達設施、地磁觀測站、醫(yī)療核磁共振設備結構。

　　2、FRP在土木工程施工中的應用

　　2.1 FRP在工程結構加固補強中的應用

　　將FRP片材粘貼在構件表面受拉，可以增強構件的受力性能。早在20世紀80年代，這項技術在我國的工程實踐中就曾嘗試過：云南海孟公路巍山河橋的加固中采用了外貼GFRP內(nèi)夾高強鋼絲的方法，此后湖南溆浦大江口橋、上海寶山飛云橋、廣東官汕線郭屋樓橋、韶關地區(qū)風村橋以及南京長江大橋引橋等，都采用環(huán)氧樹脂粘貼玻璃布進行了加固，近年我國還開展了FRP片材加固砌體結構和鋼結構的研究和應用，但仍以加固混凝土結構的研究和應用最多。關于FRP片材加固混凝土結構，應用中應注意的關鍵問題：

　　(1)FRP布纏繞加固混凝土柱，通過約束混凝土提高混凝土強度和變形能力，并可提高柱的抗剪能力。

　　這是FRP布加固混凝土最有效的加固形式，其加固效果已得到國內(nèi)外大量試驗的驗證，而且各種FRP片材均有效。但研究表明，F(xiàn)RP對混凝土柱的約束效果與截面形狀有很大關系，對于矩形截面柱一般只能提高變形能力和抗剪能力，而對受壓承載力的提高有限，正常加固量下一般不超過25 O[2 5。。但如果將截面形狀適當處理成有一定弧度，則可顯著提高受壓承載力。

　　在我國的工程應用中，往往十分關心加固后柱的軸壓比限值能否提高，這與約束混凝土柱的受壓承載力和變形能力的提高有很大關系，從目前的研究來看，F(xiàn)RP包裹纏繞圓形混凝土可以大大改善其延性，可適當放松軸壓比限制[2 6|。另一個值得注意的是，雖然CFRP布的強度是各種FRP中最高的，但其延伸率較小，其約束混凝土最終表現(xiàn)為突然的脆性破壞。近年來已有采用混合FRP約束混凝土的研究[2 7|，還有一些高延伸率纖維材料的應用，可使脆性破壞得到改善;且能改善約束效果。

　　(2)在梁、板受拉面粘貼FRP片材，能提高構件受彎承載力，并可使裂縫得到有效控制。

　　這種加固形式在國內(nèi)應用較多，但從加固效果來看存在以下一些問題：①FRP片材的受拉作用只是在受拉鋼筋屈服以后才能得到有效發(fā)揮，而此時梁和板的撓度變形一般已很大，因此FRP片材用于受彎加固通常只能作為一種安全儲備;②加固后受彎承載力提高程度與加固前梁板的原有配筋量有很大關系，且FRP的強度一般不能得到充分利用比副;③FRP片材用于受彎加固時易產(chǎn)生剝離破壞，應充分注意采取抗剝離的構造措施。為了提高受彎加固效果，采用預應力方法可以獲得較好的效果，我國已成功開發(fā)出預應力CFRP布張拉設備和加固技術‘2 9|。FRP加固可有效控制裂縫的開展，尤其在梁的側面粘貼FRP條帶，可控制梁腹配筋不足導致裂縫過大的情況。相對于受彎承載力加固，這應該成為FRP在梁板加固中的主要應用方式，但目前關于加固后的裂縫計算問題尚未有深入研究。

　　(3)對梁、柱構件采用FRP片材包裹或U形箍包裹，以提高其受剪承載力。

　　這種加固形式也較為有效，不過同樣需注意其提高程度與原構件配箍率有關，且FRP片材強度的發(fā)揮一般只有20%～40%。此外，對于U形或側面粘貼加固，剝離破壞仍是主要破壞形式，因此，F(xiàn)RP與混凝土界面間的剝離是非常值得深入研究的問題[3 0|。

　　除以上三種主要加固形式外，F(xiàn)RP布也可用于受扭和剪力墻的加固。對于柱的受彎加固梁柱節(jié)點因FRP的錨固問題難以解決，而很難得到實際應用。

　　2.2 FRP筋和預應力FRP筋混凝土結構

　　FRP筋中纖維體積含量可達到60%，具有輕質(zhì)高強的優(yōu)點，重量約為普通鋼筋的1/5，強度為普通鋼筋的6倍，且具有抗腐蝕、低松弛、非磁性、抗疲勞等優(yōu)點。目前用FRP筋代替鋼筋可利用其良好的耐腐蝕性，避免銹蝕對結構所帶來的損害，減少結構維護費用;還較多地應用于有無鐵磁性要求的特殊工程中;在橋梁工程中，F(xiàn)RP索還可用作懸索橋的吊索及斜拉橋的斜拉索，以及預應力混凝土橋中的預應力筋。作為混凝土構件中配筋的FRP筋要通過表面砂化、壓痕、滾花或編織等工藝以增強其與混凝土間的粘結力;用作預應力FRP索一般較柔軟，具有一定的韌性。

　　FRP筋及預應力FRP筋的另外一個應用對象是巖土工程，它已用于加筋土中。GFRP因其具有價格低廉、方便安裝和耐久性強等特點，已被廣泛應用于潮汐變化干濕交替的擋土墻、地基錨桿及噴射混凝土筋等工程。

　　FRP筋直到拉斷均表現(xiàn)為線彈性，沒有普通鋼筋那樣的屈服平臺，構件的破壞帶有一定的脆性，因此FRP筋不能簡單地當成鋼筋進行計算，必須針對其性能采用合理的設計方法。此外，F(xiàn)RP筋無法現(xiàn)場成形，因此像箍筋等形狀較為復雜的配筋，需事先設計好后由工廠加工。

　　2.3 FRP結構及FRP組合結構

　　FRP結構是指用FRP制成各種基本受力構件所形成的結構;FRP組合結構則是指將FRP與傳統(tǒng)結構材料，主要是混凝土和鋼材，通過受力形式上的組合，共同工作來承受荷載的結構形式。

　　FRP與混凝土通過合理的組合方式使FRP型材與混凝土共同受力，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，達到提高受力性能、降低造價、增強耐久性、便于施工的目的。FRP與鋼材組合，可發(fā)揮出鋼材的高彈性模量和FRP耐腐蝕、耐疲勞性能好的優(yōu)勢，達到互補的效果?？稍诶瓟DFRP型材時，直接將鋼筋和鋼絲嵌人型材中成型;也可在鋼結構外部采用FRP型材封閉，一方面防止鋼結構銹蝕，另一方面可與鋼結構共同受力。還可用鋼結構骨架與FRP織物蒙皮結合組成蒙皮結構

　　FRP拉擠型材結，F(xiàn)RP拉擠型材單向受力性能好，可以做成工形、槽形、箱形等型材，組成FRP框架或桁架結構。但FRP構件之間主要采用螺栓連接和粘接，有時配合榫接。另外，還可以直接將拉擠FRP空心板或帶肋板作為樓板使用。研究表明，F(xiàn)RP空心板能夠承受較大的荷載，并且自重僅為混凝土樓板的10%～20%，具有明顯的優(yōu)勢。

　　橋梁工程中的FRP結構與FRP組合結構

　　因為FRP的比強度和比模量高，所以橋梁工程師們認為FRP是獲得超大跨度橋梁的結構材料。從20世紀70年代開始，就在橋梁工程中嘗試應用FRP材料，并相繼建成了一批FRP橋梁，主要以人行橋為主，目的是驗證FRP材料用于橋梁結構的可能性和有效性。

　　用FRP型材構成封閉的外殼，將橋面以下原本暴露的結構圍護起來，同時作為維護檢查的通道，還可以起到以下三個方面的效果：(1)改變橋梁斷面的形狀，減少風荷載改善橋梁的氣動J生能;(2)FRP外殼耐腐蝕且封護系統(tǒng)的密封性好，阻止了外界環(huán)境對大橋主體結構的腐蝕;(3)FRP外殼把結構包護在內(nèi)部，橋體下部拱腹平滑流暢，并且有多種顏色可選，使整座橋外觀簡潔、美觀。

　　目前雖然FRP片材加固混凝土結構已得到廣泛應用，但仍有許多問題值得深入研究，主要有：界面粘結性能和剝離、疲勞性能、二次受力、防火問題、耐久性以及環(huán)境影響等。對于隧道、涵洞、煙囪、殼體結構等特種結構的加固，粘貼FRP片材有很大優(yōu)勢，研究工作在我國已有開展，但還較少。