GFRP管混凝土研究分析

杨喜峰

(涿州市交通运输局)

GFRP管混凝土研究分析

杨喜峰

(涿州市交通运输局)

GFRP管混凝土国际研究现状和国内研究现状和在实际中的应用分析及结论。

GFRP管混凝土;国际;国内;现状;分析;结论

1 背景分析

在公路桥梁建设中，最常见的桥梁墩柱是钢筋混凝土结构。混凝土作为建筑材料已为我们认知。然而，由于外界环境、自然灾害、材料老化以及一些人为因素的影响，使混凝土的耐久性受到了严重的挑战。世界各国每年要花巨资用于这些构造的维修和加固。我国幅员辽阔，地跨温、热两带，海岸线长达8 000 km，又处地震多发区，混凝土所面临的所有难题，在我国均有存在。加之，设计、施工上的缺陷，不但50年龄期的结构亟待加固，就连20年龄期的桥梁也有加固或拆除的案例。

桥墩是桥梁结构主要承重部件，它不仅承载着上部构造的恒重压力，而且在车辆温度和地震力作用下，还会承担水平力产生的弯矩和剪力，在水下或海洋中的墩柱更要长期忍受水和氯盐的侵蚀。土木工程的发展，在很大程度依赖于先进的、性能优异的新材料的应用。工程师们一直在着力寻找强度高、质量轻、耐腐蚀和耐久性好的新材料。在桥梁新建、改建工程中，不断地用这些新材料更新传统的材料是该领域可持续发展战略的重大课题。

FRP(Glass Fiber Reinforced Polymer)是一种新型的复合材料。它是由纤维作为增强材料，由树脂作为基质材料复合而成。目前，它多用于桥梁加固，新建桥梁结构较为少见。

玻璃纤维增强聚合物GFRP(Glass Fiber Reinforced Polymer)俗称玻璃钢，已广泛走入我们的生活。在工业上已大量用于航空航天、军事、船舶、化工、汽车、建筑等各个领域。据美国玻璃钢市场调查，汽车和建筑业用量最大，约占全部材料用量的一半。在建筑市场中具有较好的发展前景。主要的优势是它的成本低、耐腐蚀、使用寿命长。

课题旨在研究把GFRP应用到桥梁的墩柱上。先用GFRP制成圆管，再在其中灌入混凝土，便形成GFRP管混凝土结构，它具有很多优异的性能。施工完成后，作为模板的GFRP管不再拆除，成为墩柱的永久性模板。

2 发展现状

GFRP管混凝土是一种类似于钢管混凝土的新型组合结构，两者受力性能极为相似，都是通管壁材料对核心混凝土形成约束，从而达到提高组合结构强度的目的。

钢管混凝土的外壳为核心混凝土提供侧限，变混凝土单向受力为三向受力状态，从而提高了混凝土抗压强度;反过来，灌入的混凝土为钢管增加了刚度，阻止了钢管的局部翘曲;另外，钢管混凝土良好的抗震性能更为人们所青睐，它在地震灾害中的表现，已得到工程界认可。

目前，对GFRP管混凝土的研究尚少，处于起步阶段。由于GFRP具有异于钢材的特性，使得在设计中不能直接套用钢管混凝土的计算方法。到目前为止，大多数试验研究都是基于GFRP短柱的研究，而对于模拟桥墩的长柱，研究则很少。这里试图通过1∶6的长柱进行试验，深入了解GFRP长柱在轴心受压和水平力作用下的受力特征和破坏形态，为这种组合结构在桥墩上的应用提供依据。另外，试验所用材料均为国产材料，通过试验可以验证国产材料在工程中应用的可行性。

3 国外研究现状

早在上世纪70年代末，人们就开始探索，如何能将混凝土灌入工程塑料管内(PVC)，开始了工程塑料管混凝土的研究，显示出了工程塑料管在约束混凝土方面的潜在力。但由于当时所用塑料管强度低、刚度小，因此在轴向受压和环向受拉的共同作用下，过早地发生了破坏。虽然混凝土柱的强度提高较少，但工程塑料的引入开拓了人们的新思路。

到20世纪90年代初期，作为高约束力混凝土的研究，进行了GFRP管混凝土柱的轴压试验。但由于纤维系沿轴向布置，结果显示，构件强度没有显著提高。

在美国福罗里达州，鉴于钢筋混凝土结构的墩柱出现严重腐蚀和破坏，Mirmiran等人提出了一种新的组合材料——FRP管混凝土。采用这种墩柱的目的是:(1)外围的FRP作为墩柱的永久性模板;(2)FRP可以对其中的核心混凝土提供侧限，从而提高墩柱的承载能力;(3)FRP可以为其中的钢筋和混凝土提供保护，在腐蚀环境中，提高墩柱的耐久性。为此，福罗里达州组织了对GFRP管混凝土的试验研究。试验的主要参数有:FRP壁厚、断面形式、粘结方式、长细比和加载方式等。截面形式有圆形和方柱，粘结方式分为GFRP和混凝土界面上有无粘结;长细比L/b用来界定“长柱和短柱”，通常把L/b＜6的柱称为短柱。试验结果表明，GFRP管可以把无约束的钢筋柱的抗压强度提高2.5～3.5倍。GFRP管混凝土，不但大幅度地提高抗压强度，它在抗弯压性能上也有不凡的表现。

FRP最早在土木工程中的应用是用玻璃纤维复合材料保护钢筋混凝土结构，在美国是作为解决沿海地区和寒冷地区的墩柱免受环境侵蚀的举措。20世纪80年代瑞士联邦试验室，用FRP替代钢板，用树脂粘结法多Ebach桥进行了加固，开了用FRP加固桥梁的先河。同时，这种修复加固技术，在日、美等国得到了迅速发展。特别是在美国的旧金山、洛杉矶地震和日本的阪神地震后，更为FRP加固技术提供了用武之地，其加固效果和它的优越性得到了认可。尤其是在日本，在大量应用纤维加固技术的同时，还编制了相应的设计和施工规范。近年来，FRP加固桥梁技术已经在英国、瑞士、奥地利、意大利、比利时、法国、德国等欧洲国家普遍应用，瑞士的sika公司，应用CFRP薄板加固的工程已超过1 000项。

FRP管混凝土柱在抗震性能方面的表现，引起了工程界同仁的关注。在上世纪80年代，日本、美国学者做了大量研究。模拟桥墩在地震时的受力情况，进行了往复加载试验。结果表明，用FRP加固过的管柱表现出良好的抗震性能。由于FRP的约束作用，使得构件的破坏形式由脆性剪切破坏变成了延性弯曲破坏。

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1008－3383(2012)08－0088－01

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