GFRP管混凝土研究分析

楊喜峰

(涿州市交通運(yùn)輸局)

GFRP管混凝土研究分析

楊喜峰

(涿州市交通運(yùn)輸局)

GFRP管混凝土國(guó)際研究現(xiàn)狀和國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀和在實(shí)際中的應(yīng)用分析及結(jié)論。

GFRP管混凝土;國(guó)際;國(guó)內(nèi);現(xiàn)狀;分析;結(jié)論

1 背景分析

在公路橋梁建設(shè)中，最常見的橋梁墩柱是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)?；炷磷鳛榻ㄖ牧弦褳槲覀冋J(rèn)知。然而，由于外界環(huán)境、自然災(zāi)害、材料老化以及一些人為因素的影響，使混凝土的耐久性受到了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。世界各國(guó)每年要花巨資用于這些構(gòu)造的維修和加固。我國(guó)幅員遼闊，地跨溫、熱兩帶，海岸線長(zhǎng)達(dá)8 000 km，又處地震多發(fā)區(qū)，混凝土所面臨的所有難題，在我國(guó)均有存在。加之，設(shè)計(jì)、施工上的缺陷，不但50年齡期的結(jié)構(gòu)亟待加固，就連20年齡期的橋梁也有加固或拆除的案例。

橋墩是橋梁結(jié)構(gòu)主要承重部件，它不僅承載著上部構(gòu)造的恒重壓力，而且在車輛溫度和地震力作用下，還會(huì)承擔(dān)水平力產(chǎn)生的彎矩和剪力，在水下或海洋中的墩柱更要長(zhǎng)期忍受水和氯鹽的侵蝕。土木工程的發(fā)展，在很大程度依賴于先進(jìn)的、性能優(yōu)異的新材料的應(yīng)用。工程師們一直在著力尋找強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、耐腐蝕和耐久性好的新材料。在橋梁新建、改建工程中，不斷地用這些新材料更新傳統(tǒng)的材料是該領(lǐng)域可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重大課題。

FRP(Glass Fiber Reinforced Polymer)是一種新型的復(fù)合材料。它是由纖維作為增強(qiáng)材料，由樹脂作為基質(zhì)材料復(fù)合而成。目前，它多用于橋梁加固，新建橋梁結(jié)構(gòu)較為少見。

玻璃纖維增強(qiáng)聚合物GFRP(Glass Fiber Reinforced Polymer)俗稱玻璃鋼，已廣泛走入我們的生活。在工業(yè)上已大量用于航空航天、軍事、船舶、化工、汽車、建筑等各個(gè)領(lǐng)域。據(jù)美國(guó)玻璃鋼市場(chǎng)調(diào)查，汽車和建筑業(yè)用量最大，約占全部材料用量的一半。在建筑市場(chǎng)中具有較好的發(fā)展前景。主要的優(yōu)勢(shì)是它的成本低、耐腐蝕、使用壽命長(zhǎng)。

課題旨在研究把GFRP應(yīng)用到橋梁的墩柱上。先用GFRP制成圓管，再在其中灌入混凝土，便形成GFRP管混凝土結(jié)構(gòu)，它具有很多優(yōu)異的性能。施工完成后，作為模板的GFRP管不再拆除，成為墩柱的永久性模板。

2 發(fā)展現(xiàn)狀

GFRP管混凝土是一種類似于鋼管混凝土的新型組合結(jié)構(gòu)，兩者受力性能極為相似，都是通管壁材料對(duì)核心混凝土形成約束，從而達(dá)到提高組合結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的目的。

鋼管混凝土的外殼為核心混凝土提供側(cè)限，變混凝土單向受力為三向受力狀態(tài)，從而提高了混凝土抗壓強(qiáng)度;反過來，灌入的混凝土為鋼管增加了剛度，阻止了鋼管的局部翹曲;另外，鋼管混凝土良好的抗震性能更為人們所青睞，它在地震災(zāi)害中的表現(xiàn)，已得到工程界認(rèn)可。

目前，對(duì)GFRP管混凝土的研究尚少，處于起步階段。由于GFRP具有異于鋼材的特性，使得在設(shè)計(jì)中不能直接套用鋼管混凝土的計(jì)算方法。到目前為止，大多數(shù)試驗(yàn)研究都是基于GFRP短柱的研究，而對(duì)于模擬橋墩的長(zhǎng)柱，研究則很少。這里試圖通過1∶6的長(zhǎng)柱進(jìn)行試驗(yàn)，深入了解GFRP長(zhǎng)柱在軸心受壓和水平力作用下的受力特征和破壞形態(tài)，為這種組合結(jié)構(gòu)在橋墩上的應(yīng)用提供依據(jù)。另外，試驗(yàn)所用材料均為國(guó)產(chǎn)材料，通過試驗(yàn)可以驗(yàn)證國(guó)產(chǎn)材料在工程中應(yīng)用的可行性。

3 國(guó)外研究現(xiàn)狀

早在上世紀(jì)70年代末，人們就開始探索，如何能將混凝土灌入工程塑料管內(nèi)(PVC)，開始了工程塑料管混凝土的研究，顯示出了工程塑料管在約束混凝土方面的潛在力。但由于當(dāng)時(shí)所用塑料管強(qiáng)度低、剛度小，因此在軸向受壓和環(huán)向受拉的共同作用下，過早地發(fā)生了破壞。雖然混凝土柱的強(qiáng)度提高較少，但工程塑料的引入開拓了人們的新思路。

到20世紀(jì)90年代初期，作為高約束力混凝土的研究，進(jìn)行了GFRP管混凝土柱的軸壓試驗(yàn)。但由于纖維系沿軸向布置，結(jié)果顯示，構(gòu)件強(qiáng)度沒有顯著提高。

在美國(guó)福羅里達(dá)州，鑒于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的墩柱出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕和破壞，Mirmiran等人提出了一種新的組合材料——FRP管混凝土。采用這種墩柱的目的是:(1)外圍的FRP作為墩柱的永久性模板;(2)FRP可以對(duì)其中的核心混凝土提供側(cè)限，從而提高墩柱的承載能力;(3)FRP可以為其中的鋼筋和混凝土提供保護(hù)，在腐蝕環(huán)境中，提高墩柱的耐久性。為此，福羅里達(dá)州組織了對(duì)GFRP管混凝土的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)的主要參數(shù)有:FRP壁厚、斷面形式、粘結(jié)方式、長(zhǎng)細(xì)比和加載方式等。截面形式有圓形和方柱，粘結(jié)方式分為GFRP和混凝土界面上有無(wú)粘結(jié);長(zhǎng)細(xì)比L/b用來界定“長(zhǎng)柱和短柱”，通常把L/b＜6的柱稱為短柱。試驗(yàn)結(jié)果表明，GFRP管可以把無(wú)約束的鋼筋柱的抗壓強(qiáng)度提高2.5～3.5倍。GFRP管混凝土，不但大幅度地提高抗壓強(qiáng)度，它在抗彎壓性能上也有不凡的表現(xiàn)。

FRP最早在土木工程中的應(yīng)用是用玻璃纖維復(fù)合材料保護(hù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在美國(guó)是作為解決沿海地區(qū)和寒冷地區(qū)的墩柱免受環(huán)境侵蝕的舉措。20世紀(jì)80年代瑞士聯(lián)邦試驗(yàn)室，用FRP替代鋼板，用樹脂粘結(jié)法多Ebach橋進(jìn)行了加固，開了用FRP加固橋梁的先河。同時(shí)，這種修復(fù)加固技術(shù)，在日、美等國(guó)得到了迅速發(fā)展。特別是在美國(guó)的舊金山、洛杉磯地震和日本的阪神地震后，更為FRP加固技術(shù)提供了用武之地，其加固效果和它的優(yōu)越性得到了認(rèn)可。尤其是在日本，在大量應(yīng)用纖維加固技術(shù)的同時(shí)，還編制了相應(yīng)的設(shè)計(jì)和施工規(guī)范。近年來，F(xiàn)RP加固橋梁技術(shù)已經(jīng)在英國(guó)、瑞士、奧地利、意大利、比利時(shí)、法國(guó)、德國(guó)等歐洲國(guó)家普遍應(yīng)用，瑞士的sika公司，應(yīng)用CFRP薄板加固的工程已超過1 000項(xiàng)。

FRP管混凝土柱在抗震性能方面的表現(xiàn)，引起了工程界同仁的關(guān)注。在上世紀(jì)80年代，日本、美國(guó)學(xué)者做了大量研究。模擬橋墩在地震時(shí)的受力情況，進(jìn)行了往復(fù)加載試驗(yàn)。結(jié)果表明，用FRP加固過的管柱表現(xiàn)出良好的抗震性能。由于FRP的約束作用，使得構(gòu)件的破壞形式由脆性剪切破壞變成了延性彎曲破壞。

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