芻議城建土木工程中高性能材料的重要性

李一棟 長江大學城市建設學院

芻議城建土木工程中高性能材料的重要性

李一棟 長江大學城市建設學院

隨著經濟的發展，我國土木工程建設也在高速發展，現階段的老式材料已經不能滿足使用，而高性能新型材料的出現，則彌補了這一個空白；高性能新型材料在我國建筑工程的加固方面得到廣泛應用，本文結合工程實際對高性能新型在土木工程領域中的應用現狀作簡要分析。

高性能材料 優缺點 建筑工程 重要性

纖維增強復合材料即高性能新型材料，是由纖維增強材料和基體材料按一定比例混合并經過一系列工藝流程復合形成的高性能新型材料。這種材料近年來在建筑工程結構中得到越來越廣泛的應用，目前是建筑工程業界關注的焦點。建筑結構最常見的FR主要為碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維增強的樹脂基體。纖維增強復合材料以其高強度、質量、耐腐蝕等特點受到建筑工程行業人士的青睞，但是其最為突出的應用體現在加固補強建筑結構技術中。

一、高性能新型材料優點

高性能新型在建筑工程結構的主要應用形式為纖維布，而纖維布主要用于結構工程加固。高性能新型材料與傳統結構材料相比，具有極其大的優勢：

第一，輕質高強。這種特性大大降低了結構自重，在建筑工程中，若采用高性能新型材料的大跨空間結構體系，其理論極限跨度是傳統材料結構大2～3倍。在橋梁工程中相同條件下采用傳統結構材料，理論上的極限跨度在5000m以內；如果換作使用高性能新型，極限跨度可達8000m以上。此外，在抗震結構中，高性能新型材料因為輕質高強，結構自重大大減輕，能有效減小地震作用，且可顯著改善結構的耐疲勞性能。

第二，耐腐蝕。纖維增強復合材料適用于不同的環境，在酸性、堿性、氯鹽和潮濕環境中均可使用。這也是纖維增強復合材料被廣泛用于化工建筑、海洋工程、鹽漬地區的地下工程和水下工程的原因之所在。據統計，我國每年有相當數量的橋梁因鋼材銹蝕而造成的損壞修復費用極高，而且這個維護費用正逐年攀升。

第三，可設計性強。纖維增強復合材料不同于傳統的結構材料，高性能新型的強度指標、彈性模量是可以根據工程需要而變化的，通過采用不同纖維材料、纖維含量以及鋪陳方式的改變等不同的設計工藝，生產出不同的高性能新型產品，以滿足特定工程的特殊性能要求。

第四，其他性能。高性能新型材料具有良好的彈性性能，高性能新型材料的應力應變曲線接近線彈性，塑性變形小，有利于偶然超載后的變形恢復；高性能新型材料可實現工廠化生產，現場安裝，有利于保證工程質量、提高勞動效率和建筑工業化；除此之外，高性能新型材料還具有良好的絕緣、隔熱、熱膨脹系數小及透電磁波等，因此可用于一些特殊場合如雷達站、地磁觀測站、醫療核磁共振設備結構等。

二、高性能新型材料的廣泛應用

第一，高性能新型片材加固混凝土結構。第一種常見情況是纏繞加固混凝土柱。這種加固方式經實踐證明是最有效的混凝土加固方式。第二種常見情況是通過在梁、板受拉面粘貼高性能新型片材能提高梁、板的受拉承載力，并有效控制裂縫。但是，值得注意的是，高性能新型片材的受拉作用不能及時發揮，往往要待受拉鋼筋屈服后方能起作用，而此時梁、板的撓度變形已很大，高性能新型片材并不能作為應急措施。

第二，高性能新型加固修復鋼結構。其一，用于受彎構件的加固。如果鋼梁沒有初始損傷，此時用高性能新型修復加固會一定程度的提高其承載能力，但是不對其剛度造成影響。如果受彎構件本身已經損傷，再用高性能新型加固修復，其剛度是能夠很大程度恢復的，最好的情況下可恢復未損傷狀況下鋼梁剛度的90%以上，鋼結構極限承載力同時受到加固量和損傷程度影響。對損傷鋼梁采用高性能新型加固后，高性能新型材料在損傷部位與鋼梁將發生剝離破壞，從而從分發揮出高性能新型材料的高強作用。但是也有可能過早發生剝離破壞，在實際施工中，重點是把握好剝離破壞發生的時間，并采取措施延緩或避免剝離破壞的發生。其二，高性能新型布加固受拉構件。這種方式可有效提高鋼構件的屈服荷載和極限荷載，且破壞大多發生在斷面附近或高性能新型布端部的脫膠破壞，破壞極限是高性能新型不被拉斷。鋼構件的極限承載能力隨脫膠的位置和程度的改變而改變。因此，膠粘劑在高性能新型用于受拉構件的加固中起著十分重要的作用。高性能新型對于受壓構件的加固中，一般情況下采用沿柱子環向粘貼高性能新型布，這樣粘貼效果好于縱向粘貼的加固，極限承載力可提高15%～18%。同時，采用環向高性能新型布加固，不會出現高性能新型布斷裂和鋼構件與高性能新型布之間的剝離現象，最后破壞僅出現在鋼柱局部屈曲破壞；如果采用縱向加固，則會出現高性能新型布與鋼構件之間的剝離破壞。

第三，高性能新型用于鋼結構的加固應用還有好些方面。如采用高性能新型加固后，鋼結構會存在疲勞損傷，那么它的剩余疲勞壽命均成倍增長，加固效果良好。但應注意到，對高性能新型加固鋼結構采用高性能新型加固后，會改變鋼結構原有受力狀態，原來全部荷載由鋼結構承受，在加固后通過膠粘劑的傳遞，由鋼結減應力或正應力存在應力集中，容易引起膠層的破壞。為了避免膠層的剝離破壞，常采用把高性能新型板兩端做成45。角的方式以有效減小膠層的應力；也可把高性能新型布兩端固定，用以抵抗端部較大的正應力和減應力，同時，應著眼于開發性能高成本低、適用于鋼結構加固的膠粘劑材料。

三、結論

高性能新型材料在我國的應用的領域主要為結構的加固修補方面，在其它方面的應用相對滯后，技術也不是很成熟。而高性能新型材料作為一種新型的建筑材料，雖然目前其市場價仍然處于較高水平，對它的廣泛投入使用有一定程度的制約，但其綜合效益不可忽視，必將給建筑工程結構帶來新的發展契機。因此我們仍然要研究高性能新型在建筑工程結構中的應用，使得這種新型材料能廣泛的應用到各個領域。

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