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纤维增强复合材料在海洋工程中的应用
发布时间:2022年06月15日

纤维增强复合材料在海洋工程中的应用

1. FRP 加固桥梁结构

FRP 在桥梁加固结构中已有广泛应用。针对传统外贴加固存在的胶层老化问题,提出了高渗透耐候界面剂对纤维界面及混凝土基层进行强化的关键技术;针对预应力纤维布的端部应力集中问题,提出了分层锚固和分步张拉锚固两种有效解决方法;针对预应力 FRP 板 / 筋的端部锚固问题,提出同源材料锚固技术以避免锚固区刚度突变导致的应力集中。体外预应力 FRP 筋 / 板加固混凝土梁的力学性能试验证明,结构刚度、开裂及屈服荷载均得到了有效提升 [14,15]。针对预应力 BFRP筋嵌入式加固结构,开发了成套张拉锚固技术(见图4)。此外,还开发了BFRP网格/筋加固技术,将 BFRP 网格用聚合物砂浆黏贴加固于桥面板或主梁的底部或腹板,或将 BFRP 筋布置在桥面中,可显著提高结构的抗弯、抗剪承载力,防止桥面开裂,该技术已在南京长江大桥的加固修复中得到成功应用(见图 5)。

图 4 混凝土梁嵌入式加固

 

图 5 BFRP 网格 / 筋加固南京长江大桥桥面及拱肋

 

2. FRP 耐腐蚀轻量化桥面体系

国内外 FRP– 混凝土组合桥面板在结构形式相对传统混凝土或全 FRP 具有优势,但目前仍存在模壳变形大、模壳 – 混凝土连接性能不足等问题。东南大学吴智深教授团队研究设计出一种新型自平衡预应力 BFRP 模壳 – 混凝土组合桥面板结构,如图 6 所示。该体系在 FRP 模壳制备过程中增加齿状结构,并对模壳表面进行黏砂处理,以增加模壳与混凝土的咬合力,有效提升 FRP 型材之间及 FRP和混凝土间的黏结性能;通过 FRP 板条进行预应力张拉形成模壳反拱,降低模壳在施工荷载下的变形。静力及疲劳性能试验结果表明,BFRP– 混凝土组合桥面板静力下的极限荷载高达 644 kN [16],在疲劳试验取荷载水平 0.511F u (F u 为极限承载力)、疲劳上下限荷载比为 0.274 条件下,试件最终疲劳破坏的循环次数为 249 万次,组合桥面板端部混凝土与BFRP 模壳未发生相对滑移 [17]

图 6 组合桥面板及预应力模壳

 

3. FRP 筋 – 钢筋混合配置混凝土结构

传统钢筋混凝土结构在带裂缝工作的情况下易产生锈胀裂缝,而一味地增加钢筋保护层厚度则会造成裂缝宽度过大。因此提出 FRP 筋 – 钢筋混合配置混凝土结构,将 FRP 筋布置在钢筋外侧,利用 FRP 筋与混凝土之间的稳定滑移性能限制裂缝开展(见图 7)[18]。另一方面,由于普通钢筋混凝土结构屈服后刚度接近于零,结构屈服后损伤发展过快且难以控制,有些结构在极端荷载下虽然不发生倒塌,却由于变形过大而无法继续使用。所提出的 FRP 筋 – 钢筋混配方式可保证稳定的结构二次刚度,且显著控制残余变形,实现结构灾后可修复 [19]

图 7 FRP 筋 - 钢筋混合配置混凝土结构示意图

 

4. 大跨海洋斜拉桥、悬索桥用 FRP 拉索结构

基于 FRP 拉索基本性能的研究,通过综合考虑不同 FRP 拉索的力学性能与经济性能,确定了多种拉索的合理适用跨度区间,提出了在同一桥梁不同跨度区域混合布置的 FRP 拉索斜拉桥体系,简称FRP 混布拉索体系,以充分发挥不同材料 FRP 拉索的力学性能与经济性能,实现大跨斜拉桥拉索在力学性能与经济性能上的优化设计。另外,开发了由混杂 FRP 拉索和橡胶黏弹性材料组成的自减震拉索,可根据振动幅度的大小使拉索振幅相应地衰减(见图 8)[20]

图 8 混杂索及自减震拉索

 

由于 FRP 的横向力学性能远低于纵向力学性能,大吨位 FRP 拉索锚固是其应用于大跨桥梁结构的瓶颈问题。为此,提出了变刚度型整体锚固系统,如图 9 所示,通过在锚固区不同部位设置不同的材料,实现荷载传递材料径向弹性模量的梯度变化,利用整体模压或分段浇筑对 FRP 拉索进行整体固化,减小了荷载传递材料 – 拉索界面剪应力(黏结应力),避免荷载传递材料 – 拉索界面因抗剪强度不足导致拉索从锚具中滑脱 [21,22]。系列研究已表明,通过一体化、变刚度的同源荷载传递介质,可实现 1000 t 级大吨位 FRP 拉索的有效锚固,但仍需通过不断完善拉索 – 锚固体系制备工艺技术,以保证其质量的可靠性。

图 9 变刚度型整体锚固系统


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