GFRP管混凝土研究分析

楊喜峰

(涿州市交通運輸局)

GFRP管混凝土研究分析

楊喜峰

(涿州市交通運輸局)

GFRP管混凝土國際研究現狀和國內研究現狀和在實際中的應用分析及結論。

GFRP管混凝土;國際;國內;現狀;分析;結論

1 背景分析

在公路橋梁建設中，最常見的橋梁墩柱是鋼筋混凝土結構。混凝土作為建筑材料已為我們認知。然而，由于外界環境、自然災害、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重的挑戰。世界各國每年要花巨資用于這些構造的維修和加固。我國幅員遼闊，地跨溫、熱兩帶，海岸線長達8 000 km，又處地震多發區，混凝土所面臨的所有難題，在我國均有存在。加之，設計、施工上的缺陷，不但50年齡期的結構亟待加固，就連20年齡期的橋梁也有加固或拆除的案例。

橋墩是橋梁結構主要承重部件，它不僅承載著上部構造的恒重壓力，而且在車輛溫度和地震力作用下，還會承擔水平力產生的彎矩和剪力，在水下或海洋中的墩柱更要長期忍受水和氯鹽的侵蝕。土木工程的發展，在很大程度依賴于先進的、性能優異的新材料的應用。工程師們一直在著力尋找強度高、質量輕、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的材料是該領域可持續發展戰略的重大課題。

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

玻璃纖維增強聚合物GFRP(Glass Fiber Reinforced Polymer)俗稱玻璃鋼，已廣泛走入我們的生活。在工業上已大量用于航空航天、軍事、船舶、化工、汽車、建筑等各個領域。據美國玻璃鋼市場調查，汽車和建筑業用量最大，約占全部材料用量的一半。在建筑市場中具有較好的發展前景。主要的優勢是它的成本低、耐腐蝕、使用壽命長。

課題旨在研究把GFRP應用到橋梁的墩柱上。先用GFRP制成圓管，再在其中灌入混凝土，便形成GFRP管混凝土結構，它具有很多優異的性能。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 發展現狀

GFRP管混凝土是一種類似于鋼管混凝土的新型組合結構，兩者受力性能極為相似，都是通管壁材料對核心混凝土形成約束，從而達到提高組合結構強度的目的。

鋼管混凝土的外殼為核心混凝土提供側限，變混凝土單向受力為三向受力狀態，從而提高了混凝土抗壓強度;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，它在地震災害中的表現，已得到工程界認可。

目前，對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，使得在設計中不能直接套用鋼管混凝土的計算方法。到目前為止，大多數試驗研究都是基于GFRP短柱的研究，而對于模擬橋墩的長柱，研究則很少。這里試圖通過1∶6的長柱進行試驗，深入了解GFRP長柱在軸心受壓和水平力作用下的受力特征和破壞形態，為這種組合結構在橋墩上的應用提供依據。另外，試驗所用材料均為國產材料，通過試驗可以驗證國產材料在工程中應用的可行性。

3 國外研究現狀

早在上世紀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(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。但由于當時所用塑料管強度低、剛度小，因此在軸向受壓和環向受拉的共同作用下，過早地發生了破壞。雖然混凝土柱的強度提高較少，但工程塑料的引入開拓了人們的新思路。

到20世紀90年代初期，作為高約束力混凝土的研究，進行了GFRP管混凝土柱的軸壓試驗。但由于纖維系沿軸向布置，結果顯示，構件強度沒有顯著提高。

在美國福羅里達州，鑒于鋼筋混凝土結構的墩柱出現嚴重腐蝕和破壞，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可以對其中的核心混凝土提供側限，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，在腐蝕環境中，提高墩柱的耐久性。為此，福羅里達州組織了對GFRP管混凝土的試驗研究。試驗的主要參數有:FRP壁厚、斷面形式、粘結方式、長細比和加載方式等。截面形式有圓形和方柱，粘結方式分為GFRP和混凝土界面上有無粘結;長細比L/b用來界定“長柱和短柱”，通常把L/b＜6的柱稱為短柱。試驗結果表明，GFRP管可以把無約束的鋼筋柱的抗壓強度提高2.5～3.5倍。GFRP管混凝土，不但大幅度地提高抗壓強度，它在抗彎壓性能上也有不凡的表現。

FRP最早在土木工程中的應用是用玻璃纖維復合材料保護鋼筋混凝土結構，在美國是作為解決沿海地區和寒冷地區的墩柱免受環境侵蝕的舉措。20世紀80年代瑞士聯邦試驗室，用FRP替代鋼板，用樹脂粘結法多Ebach橋進行了加固，開了用FRP加固橋梁的先河。同時，這種修復加固技術，在日、美等國得到了迅速發展。特別是在美國的舊金山、洛杉磯地震和日本的阪神地震后，更為FRP加固技術提供了用武之地，其加固效果和它的優越性得到了認可。尤其是在日本，在大量應用纖維加固技術的同時，還編制了相應的設計和施工規范。近年來，FRP加固橋梁技術已經在英國、瑞士、奧地利、意大利、比利時、法國、德國等歐洲國家普遍應用，瑞士的sika公司，應用CFRP薄板加固的工程已超過1 000項。

FRP管混凝土柱在抗震性能方面的表現，引起了工程界同仁的關注。在上世紀80年代，日本、美國學者做了大量研究。模擬橋墩在地震時的受力情況，進行了往復加載試驗。結果表明，用FRP加固過的管柱表現出良好的抗震性能。由于FRP的約束作用，使得構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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