FRP材料的特點

    FRP材料的性能與傳統結構材料有很大差別,了解和掌握FRP材料的優缺點,才能在工程結構應用中充分發揮它的優勢,避免其不足。
    FRP具有以下優點:
    (1)有很高的比強度,即通常所說的輕質高強,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,用傳統結構材料橋梁的極限跨度在5000m以內,而上部結構使用FRP結構可達8000m以上,有學者已經對主跨長達5000m的FRP懸索橋進行了方案設計和結構分析。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材料結構大2~3倍,因此,FRP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編織網大跨結構體系”就是一種利用其輕質高強性能的新型結構形式。在抗震結構中,FRP材料的應用可以減輕結構自重,減小地震作用。另外,FRP材料的應用也能使結構的耐疲勞陛能顯著提高。
    (2)有良好耐腐蝕性,FRP可以在酸、堿、氯鹽和潮濕的環境中長期使用,這是傳統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、鹽漬地區的地下工程、海洋工程和水下工程中,FRP材料耐腐蝕的優點已經得到實際工程的證明。一些發達已經開始在寒冷地區和近海地區的橋梁、建筑中較大規模地采用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產品。而且FRP產品成型方便,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產品適合于在工廠生產、運送到工地、現場安裝的工業化施工過程,有利于保證工程質量、提高勞動效率和建筑工業化。
    (6)其他優勢,包括透電磁波、絕緣、隔熱、熱脹系數小等,使得FRP在一些特殊場合能夠發揮難以取代的作用,如雷達設施、地磁觀測站、醫療核磁共振設備結構。
    與傳統結構材料不同,FRP制品通常為各向異性,沿纖維方向的強度和彈性模量較高,而垂直纖維方向的強度和彈性模量很低。由于FRP的各向異性,在受力性能上還有許多不同于傳統結構材料的現象,如拉伸翹曲現象,這些都會增加FRP結構的分析與設計難度。
    與鋼材相比,大部分FRP產品的彈性模量較低,大致與混凝土和木材在同一數量級。因此,在FRP結構的設計通常由變形控制。可通過設計FRP構件的截面、合理地與混凝土等材料組合以及采用預應力等方法控制結構的變形,補償剛度的不足。
    FRP材料的剪切強度、層間拉伸強度和層間剪切強度僅為其抗拉強度的5%~20%,而金屬的剪切強度約為其拉伸強度的50%。這使得FRP構件的連接成為突出的問題。FRP結構可采用鉚接、栓接和粘接,但不管哪種連接方式,連接部位往往都容易成為整個構件的薄弱環節。因此在。FRP結構設計中,一方面要盡量減少連接,另一方面要重視連接的設計。
    與混凝土相比較,一般的FRP材料的防火性能較差,主要是由于多數樹脂在高溫下會軟化,在樹脂達到軟化溫度時(通常為70℃左右)力學性能會大大降低,達到玻璃化溫度(通常為300℃左右)時性態就會發生轉變。但在FRP的樹脂材料中可摻人阻燃劑,提高其抗火性能。目前摻入阻燃劑的環氧樹脂復合成的CFRP,表面再進行防火處理,其效果已經可以與混凝土結構相媲美了。
    一些研究已經表明FRP材料本身的抗疲勞性能優于傳統結構材料。但值得重視的是,初始缺陷和工作環境對FRP材料抗疲勞性能的影響非常顯著。因此實際工程中的FRP結構整體的抗疲勞性能還需要進行深入的研究。
    FRP材料的長期性能和耐久性是很多工程師和使用者所十分關心的問題。目前許多FRP產品供應商都通過快速老化試驗來證明其產品的壽命在35年以上,甚至達到70年。但是FRP材料誕生也不過60多年,應用于土木工程中也僅40余年。還應注意的是,耐久性不僅僅是材料老化,還包括溫度和濕度變化的影響、FRP的蠕變和應力松弛以及GFRP與混凝土堿性反應等問題,而且在實際環境下這些因素是共同作用、相互影響的。文獻的調研以及我國的應用實例中,有FRP結構因耐久性而失效的例子,也有應用20年以上的工程實例。因此對FRP結構的耐久性還需要進行更為深入和廣泛的研究。
    經濟性也是所有工程師和使用者都很關心的問題。僅從材料價格上看,FRP結構和FRP組合結構與鋼筋混凝土結構相比沒有競爭力,但由于自重輕,并考慮到FRP材料耐腐蝕所帶來的低廉的維護費用,采用FRP材料的綜合經濟效益是值得重視的。1986年建成的重慶交院橋,采用GFRP箱梁,建造成本比鋼橋省了50%。以美國的短跨橋梁為例,FRP結構的日常維護費用僅為鋼筋混凝土結構的1/5,改造維修費用僅為鋼筋混凝土結構的1/2。另外,由于FRP目前在工程結構中還處于初期應用階段,初期費用是偏高的,隨著應用量增大,FRP產品生產規模擴大,其成本勢必大大降低。以我國CFRP布加固混凝土結構為例,其價格從初期2000元/m2降低到目前300~500元/m2,就是一個很好的例證。