探讨交通土建工程中FRP的运用

摘要:改革开放以来,在社会经济发展的推动之下,交通业发展也越来越快速,尤其是土建工程的发展速度更是不断加快,渐渐发展成国内经济的一个重要支撑。而且在交通土建工程的长期发展中,将FRP复合材料应用在其中,能够进一步促进国内交通土建工程项目的安全、稳定及可
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  摘要:改革开放以来,在社会经济发展的推动之下,交通业发展也越来越快速,尤其是土建工程的发展速度更是不断加快,渐渐发展成国内经济的一个重要支撑。而且在交通土建工程的长期发展中,将FRP复合材料应用在其中,能够进一步促进国内交通土建工程项目的安全、稳定及可持续发展。鉴于此,本文主要从FRP材料在旧桥梁的改造加固、隧道、道路及新建桥梁中的应用展开分析,深入了解FRP复合材料在交通土建工程中的具有应用,以期为以后的交通土建工程建设提供相关的参考依据。
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  关键词:交通土建工程;FRP复合材料;应用
  中图分类号:TU2 文献识别码:A 文章编号:1001-828X(2016)013-000-02
  前言
  FRP主要指纤维增强塑料,主要由基体材料和纤维材料根据相应的比例进行混合,经特殊模具进行拉拔及挤压之后,所制成的一使用形成较好的复合型材料。此材料最大的特点是,密度较小、抗疲劳性能与耐腐蚀性较好,以及抗拉强度非常高等。当前受到很多土建工程研究人员的广泛关注,在很多新型建筑工程、桥梁结构加固、改造及修复中的应用非常广。而且,FRP材料因其独特的使用性能,在交通土建工程行业的发展潜力越来越大,已逐渐发展成目前土建工程行业研究和应用的关键点。
  一、分析新建桥梁中FRP复合材料的应用
  当前,由于FRP材料的高强度、轻材质、耐腐蚀以及抗疲劳等优势,在土建工程中受到越来越多研究人员的关注和重视,在国内很多工程建设中,都应用FRP材料来构建FRP桥梁、拉索等,同时将FRP应用在合龙段的混凝土中。
  1.FRP材料构建的桥梁结构
  FRP桥梁属于一种在已经存在的桥梁结构上,应用FRP材料构建而成的新型桥梁。该桥梁结构大多是是应用FRP材料,因FRP材料的密度较小,能够较好的减少桥梁上部结构的承载力,所有,可使用该材料来适当加大桥梁的跨径。而桥梁下部的结构主要应用钢筋混凝土,这样可承受桥梁上部结构的重量。因而,在一些地基条件比较差的施工现场,可选用FRP桥梁。由于在早期的桥梁建设过程中,很多设计人员、施工人员对FRP材料缺乏一定的认识,其在桥梁中的使用并不多,FRP桥初期只是应用FRP的桥面板取代以往的钢桥面板或是混凝土桥的面板,之后随着科技不断发展,才将FRP材料应用在桥梁的上部结构[1]。
  2.FRP材料构建的组合桥梁结构
  FRP组合桥梁结构主要是应用FRP材料,取代以往的钢筋的混凝土结构当中的部分构件,所形成的一种全新桥梁结构。在FRP组合桥梁的结构中,主要包括:FRP材料的混凝土、主梁混凝土板、主梁-混凝土桥面板结合结构、管-混凝土-钢管结合的结构[2]。FRP材料的混凝土组合结构主要使用FRP材料取代混凝土内的钢筋或是预应力筋形成的一种全新的混凝土结构。由于FRP材料的高强、轻质护耐腐蚀性等特点,能够提升整个桥梁结构持久性,延长桥梁使用期限;FRP主梁混凝土板的组合结构主要应用FRP制作主梁,以取代钢筋的混凝土主梁;FRP主梁-混凝土桥面板组合结构,主要由FRP主梁和桥面板经剪力的连接件进行组合,所形成的一种构建,最大的特点是,施工简便、快速以及便于组装等;FRP管-混凝土-钢管组合结构主要指,由FRP材料的外管、内钢管及二者间填充混凝土的一种构件,该种组合构建的材质较强、耐腐蚀性较强。应用FRP材料当做外管,钢管为内管,向内填入混凝土,不仅能确保FRP可提供充足承载力,还可降低对钢管造成的腐蚀。
  3.FRP材料构建的拉索
  随着国内交通业发展逐渐扩大,超过千米级的较大跨径桥梁越来越多,这就使得斜拉桥、悬索桥成为最合适的选择。这两种桥梁的桥型由于钢材强度较强,一直都是大跨径桥梁的首选。但因钢材的自重较大,熬成弹性模量逐渐降低,在长索当中十分明显,这就大大降低了拉索应用效率,在一定程度上限制了桥梁的跨越能力[3]。并且,随着高强度的钢质的拉索的腐蚀性、耐久性问题渐渐严重,据相关资料显示,国内外很多桥梁吊杆、钢斜拉索等均由于腐蚀性、疲劳损害较为严重,都被迫换拉索。应用FRP材料制作拉索,能够较好的发挥FRP材料自身的抗拉强度及耐腐蚀等特点。
  二、分析旧桥改造和加固中FRP材料的应用
  在以往的桥梁建设过程中,因桥梁设计水平较低、施工操作错误以及材料老化情况较为严重等,对钢筋混凝土的桥梁损坏变得十分严重,对于旧桥梁的改造与加固非常有必要。FRP材料因其轻质、非磁性及耐腐蚀性强,且加固施工较为方便以及施工时间较短等优势,在国内外旧桥改造中受到广泛关注。
  1.FRP材料加固桥梁结构
  FRP材料属于一种新型材料,由于片材较薄、抗拉强度较高等被广泛应用到桥梁改造中欧,FRP加固法能够加固整个桥梁,提升桥梁的承载能力,特别是在桥梁高度受到限制的之后,该种方法属最佳选择。而且,因施工过程、工艺简便,常常适合用在钢筋混凝土受到压柱中,以便提升桥梁耐久性,也可以用在桥梁的梁、板加固中。FRP材料加固属于一种全新的桥梁结构加固技术,抗拉性能较强,主要因碳纤维布主要应用环氧树脂直接粘贴在梁体的地面,使其分解原结构受力,进而适当调整旧桥承载能力[4]。
  2.FRP材料构建的桥面板
  桥梁的桥面板主要是承受车辆轮压的一个主要承重结构,其车辆的承载经桥面板直接传至主梁,钢筋或是预应力的混凝土的桥面板、钢桥面板因桥面铺装造成损坏,从而导致钢筋或是钢板受到锈蚀,最后损坏整个桥面,影响到整个道路交通通行。
  而随着FRP材料的应用,部分研究人员尝试使用FRP材料所建造的桥面板来取代钢筋混凝土的桥面板。FRP材料构建的桥面板主要由两块FRP面层与FRP夹层互相粘结构成,根据构造主要分成:FRP型桥面板、FRP空心夹层桥面板。当前,很多正在运行的桥梁均存在病害,损坏最为严重的就是桥面板,大部分交通重要干线的桥梁的结构性能逐渐下降,以及桥梁的抗力渐渐衰减,严重影响桥梁运行,因此,及时更换桥梁非常关键。FRP材料因其自重轻、耐腐蚀、施工及维护过程较为简便,应用FRP桥面来更换桥面板十分有效。例如,英国的WestMill桥于1878年建成,应用混凝土桥面板,而在2002年,对该桥进行改造,应用黏合拉挤型材的复合材料桥面板取代以往的混凝土桥面板。将34根的GFRPASSET桥面板的拉挤型材,全部黏合起来,并将其横铺在桥梁的主梁上。同时,还对该桥梁实行动力特性、稳定性研究,桥基频大约为8Hz,和钢筋的混凝土桥没有太大差异[5]。   三、分析道路工程中FRP材料的应用
  据相关研究结果显示,截止2014年年底,国内高速公路投入运行通车的总里程大约为12公里,但因形式的车辆逐渐增多,很多路面受到雨水、大气、风化作用及温度等变化的影响十分严重。一般混凝土路面的材料易发生病害,对人们的行车安全造成很大影响[6]。而将FRP材料应用到其中,将水泥浆、混凝土或是砂浆当做基础材料,以FRP材料作为增强路面的材料,将两者组合成水泥复合材料。该材料能够有效的控制基本的混凝土裂缝发展,提升桥梁结构的抗裂性。把FRP材料应用到混凝土路面中,能够加好的改善混凝土特性,提升路面的抗渗性能、抗冻性能、耐磨性及抗裂性等,进而缩减路面病害,延长道路使用寿命。在FRP材料的混凝土中,主要品种包括:钢纤维、玻璃纤维、聚丙烯纤维、植物纤维以及碳纤维混凝土等。
  钢纤维在混凝土中的使用时间比较早,同时也是当前道路中使用比较多的一种纤维,最大的特点是抗拉强度、抗折强度、抗压强度及抗裂能力非常强。玻璃纤维在土建工程中使用较早,其轻度非常高,弹性模量业混凝土比较接近,可能是以后发展FRP混凝土材料的一种主要原料。尽管玻璃纤维在混凝土路面中的应用效果良好,但一般玻璃纤维的碱腐蚀性非常差,在一些硅酸盐的水泥混凝土当中并不适用,这就使得在道路工程建设中很难大量使用。碳纤维主要是应用纤维材料经合成的新型复合材料之一,其抗拉强度、弹性模量均非常高,而且该种材料的化学性质非常稳定,和混凝土的粘结与耐腐蚀性较好。在科技发展的推动之下,随着道路生产成本逐渐降低,道路施工单位逐渐将其应用到用交通土建工程的建设当中。
  四、分析隧道工程中FRP材料的应用
  在隧道施工当中,不管应用何种施工手段,当隧道主体一直处在恶劣的条件下,隧道内部钢筋易发生严重腐蚀,造成整个隧道主体受到严重损坏,从而引发一系列安全运行问题。例如,国内某个地铁站中的屋顶的顶层使用FRP筋当做隧道主体的受力筋,尽管可以较好的解决隧道腐蚀问题,但因FRP筋弹模非常低,则会造成隧道主体的混凝土面发生严重的裂缝。隧道施工人员在进行一般砂浆锚杆施工的时候,因难以确保所注入砂浆的质量,造成钢筋和砂浆间产生较大的空隙,进而腐蚀钢筋,而应用FRP材料的锚杆能够较好的避免此问题。FRP格栅不仅能够用在隧道的设计方面,还能用在整个隧道的加固施工中,当FRP格栅和FRP材料的锚杆联合应用,能够较好的控制整个围岩不易发生变形。
  由于隧道施工一直都在地下进行,其结构施工起来比较复杂,这就使得隧道结构受力和地面结构受力存在很大差异。而在隧道的洞顶与洞侧,受到土压力作用非常打,且对净空的要求较高[7]。因此,施工人员在对隧道裂缝进行修补的时候,以往的加固措施难以起到较好的作用,而使用FRP材料中的芳纶纤维布,能够较好的满足加固维修施工要求。由于在整个隧道拱顶或是侧壁裂缝当中,常常会有很多不规则的结构,这就需要隧道的修复材必须具备较好的抗剪性能。并且,芳纶纤维布不会导电,因而,在以后的隧道施工过程中,芳纶纤维布是较为合适的选择。
  五、结束语
  总而言之,FRP材料因其独特的特性,当前受到很多土建工程施工单位的重视,并已经成为各个领域研究的关键点,且取得较好的研究成果。因FRP材料在交通土木工程建设中的广泛应用,在以后的工程建设过程中,其应用领域也会进一步扩大,但是由于FRP材料自身也存在一定的缺陷,如弹模较低及离散性非常大、抗剪能力较小等,在应用过程中,施工人员应意识到这些缺点,并不都弥补,同时处理好FRP材料在应用过程中所产生的问题,从而提升FRP材料的使用效率。虽然FRP材料在交通土建工程施工中存在缺陷,但随着科技不断进步,及施工工艺、施工技术的不断健全与完善,所出现的问题在以后的土建工程应用过程中都可以得到很好的解决,因此,FRP材料在以后的交通土建工程,甚至是其他行业中的应用领域将会逐渐扩大。
  参考文献
  [1]管延华,朱登元,庄培芝等.EB-FRP及HB-FRP加固预裂RC梁对比试验研究[J].土木建筑与环境工程,2013,10(4):20.
  [2]薛伟辰,张赛,葛畅.FRP混凝土组合梁抗剪连接件试验研究[J].公路交通科技,2014,24(1):140.
  [3]欧阳煜,卞海涛,杨峥.FRP布加固具有中心裂纹板条的断裂疲劳性能[J].工程力学,2015,32(3):241.
  [4]张保龙,吴刚,纪卫尚.纤维增强材料绑扎胶结复合连接节点及其力学性能的研究[J].工业建筑,2016,15(6):102.
  [5]邓拓,郑愚,林容辉等.一种基于FRP的便携式整体预制圬工拱桥结构[J].东莞理工学院学报,2014,10(3):32.
  [6]谢建和,孙明炜,郭永昌等.FRP加固受损RC梁受弯剥离承载力预测模型[J].中国公路学报,2014,21(12):621.
  [7]熊明权,邱振清,郑愚等.FRP筋纤维混凝土受弯构件试验研究[J].东莞理工学院学报,2013,25(5):241.
  作者简介:曹 坤(1988-),男,汉族,江西景德镇人,硕士学位,科员职位,技术员,研究方向:城市道路、公路工程。

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