浅析碳纤维复合材料(CFRP)在土木工程加固中的应用

碳纤维复合材料(CFRP)作为一种新型材料,有着优良的物理力学性能,近年来在土木工程加固中的应用越来越广泛。本文介绍了CFRP的发展历程及主要研究成果,分析了CFRP的材料特性,同时对CFRP在土木工程加固中的应用进行了研究。     

CFRP复合材料在土木工程中的应用现状

纤维增强塑料(FRP)是土木工程应用的热点，而破纤维(CFRP)以其良好的物理力学性能被应用得最广泛、最成熟．对CFRP在土木工程中应用情况进行了分析，并进一步指出目前存在的问题．     

浅谈碳纤维复合材料的运用

碳纤维(CFRP)以其良好的物理力学性能使其在土工程中得到广泛应用.本文结合国内外应用情况,对CFRP在国内土木工程中的应用加以总结,并进一步指出目前存在的问题.     

碳纤维材料在加固混凝土结构中的应用研究

随着碳纤维材料的技术的成熟，碳纤维材料（CFRP）已成为应用于土木工程加固修复中最广泛应用的一种高科技材料。本文简单介绍了碳纤维加固技术的发展，重点对CFRP加固混凝土结构原理及设计原则进行了探讨。     

CFRP筋混凝土梁受弯承载能力有限元分析

碳纤维筋在混凝土结构中的研究及应用是目前土木工程领域研究的热点。根据FRP筋的力学特性,结合钢筋混凝土受弯构件的基本理论．应用ADINA软件对碳纤维筋（CFRP）混凝土梁简支弯曲试验进行非线性有限元分析,给出有关设计及应用的建议。     

CFRP加固钢梁的数值模拟分析

结构加固是土木工程中的一个重要研究领域,工程结构中的受弯钢梁由于腐蚀或疲劳损伤需要进行加固和修复。与传统的钢结构加固方法相比,粘贴CFRP加固钢结构具有很大的优势和应用前景。通过数值模拟的方法对受弯钢梁粘贴FRP加固后的性能进行了分析,并对加固效果的影响因素进行了讨论。分析结果表明,CFRP加固工字钢粱受弯构件能有效提高截面的承载力及刚度,减小构件变形。     

混凝土结构对新材料的挑战

进入21世纪，混凝土结构将继续大力发展和应用。它对新材料提出了挑战。本文筒述很有发展前景的CFRP及AFRP、OFBP的优良性能以及它们在国内外土木工程中应用的情况，最后，本文提出了面对FRP，土木工程师应做些什么的问题。     

CFRP加固轴心受压方钢管柱的试验研究

钢结构在设计、制造和施工过程中可能产生各种缺陷,在使用阶段因超载、锈蚀和疲劳等原因会引起损伤累积而影响结构的安全.因此,如何加固修复损伤钢结构一直是土木工程领域研究的一项重要课题.碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Rein-forced Polymer,简称为CFRP)加固技术是一种具有独特优势的加固方法,在加固钢筋混凝土结构和砌体结构中具有较为成熟的研究及应用,而对加固钢结构的研究及应用依然很少.采用有限元软件Ansys建立了“三维实体-弹簧-壳”的有限元计算模型,通过课题组对CFRP加固轴心受压方钢管柱的试验研究,验证有限元模型的有效性.     

CFRP约束圆钢管高强混凝土短柱轴压试验研究

为研究混凝土强度、径厚比、CFRP(碳纤维增强复合材料)层数及CFRP包裹方式等参数对CFRP约束圆钢管混凝土轴压静力性能的影响,进行了6个圆钢管混凝土短柱和18个CFRP-钢管混凝土短柱的轴压对比试验.研究发现CFRP的约束对圆钢管混凝土承载力有较显著的提升,且承载力的提高幅度随着CFRP的增加而增加.钢管高强、超高强混凝土短柱的破坏形态呈现为剪切破坏,延性较差,CFRP的约束可以改善其延性,且CFRP层数越多延性越好.半包CFRP试件性能接近于全包CFRP试件性能.随径厚比增大,CFRP约束效果下降.若黏结良好,试件失效前,CFRP与钢管能保持协同工作;最后选取了3个经典的CFRP约束钢管混凝土轴压承载力公式进行验算,发现基于CFRP和钢管双重约束的公式能较好地预测其承载力.     

CFRP材料加筋粘土的试验研究

作为新型材料CFRP材料应用于加筋材料在国内尚未开始研究.测试了CFRP材料作为加筋材料的力学指标试验.将CFRP材料作为加筋材料,应用3轴试验研究加筋粘土试样的强度变化规律.试验表明CFRP材料完全可以作为加筋材料,而且在粘土中加入CFRP材料后可以明显提高粘土试样的强度.试验表明CFRP材料不适合饱和度较大的粘土.图8,表5,参10.     

碳纤维增强型复合材料在非破坏雷电流脉冲下的动态导电特性

为了研究碳纤维增强型复合材料(CFRP)层合板在雷电流脉冲作用下的动态导通机制,建立了CFRP动态导电特性实验平台,通过研究非破坏性10/30、20/60及40/120μs的雷电流脉冲作用下CFRP层合板的动态响应,分析了铺层结构、试样夹持方式及雷电流参数对CFRP动态导电特性的影响。研究结果表明:在100～1 000A的雷电流作用下,受到内部铺层结构的影响,CFRP层合板厚度方向电导率(10-3 S/mm)远小于平面方向电导率(100S/mm),具有各向异性非线性电导率;CFRP层合板表现出明显的电感效应,即动态电压超前于电流,动态伏安特性曲线中上升与下降阶段不重合;施加的雷电流上升速率越低、波长越长,CFRP层合板动态电导率越大;CFRP层合板在雷电流脉冲作用下所表现出的电感效应与碳纤维丝的电感特性密切相关。CFRP动态导电特性及导通模型的研究能够为CFRP雷电直接效应热电耦合模型的建立以及CFRP性能优化和结构提升提供理论支撑。     

预应力CFRP加固混凝土桥梁非线性分析

为研究预应力CFRP加固混凝土桥梁的受力性能,以阜新市东环路大桥加固工程为背景,应用预应力CFRP对其进行加固。运用ANSYS软件对6组预应力CFRP加固的混凝土桥梁的受力性能进行了数值模拟,得到的荷载—挠度曲线与理论结果吻合较好,验证了有限元模型的准确性,在此模型基础上对预应力CFRP加固混凝土桥的受力性能进行了非线性分析,研究了预应力CFRP加固中预拉力值大小、粘贴层数对被加固桥梁受弯性能的影响。结果表明,预应力CFRP加固桥梁较非预应力CFRP加固桥梁其屈服荷载与极限荷载提高20%~40%,挠度降低25%~55%,混凝土与CFRP之间剥离的应力产生几率大大减小,有效解决了非预应力CFRP加固梁所产生的应力应变滞后的问题。     

体外预应力CFRP筋混凝土梁正截面抗弯试验研究

为研究体外预应力CFRP筋混凝土结构的正截面抗弯特性,研制了CFRP后张预应力筋夹片式锚具,对1片体外CFRP筋直线布置体外预应力混凝土梁和2片体外CFRP筋曲线布置体外预应力混凝土梁进行了正截面抗弯试验研究.试验结果表明:体外预应力CFRP筋混凝土梁受力过程与体外预应力钢筋混凝土梁有较多相似之处;跨中设一转向块的体外预应力CFRP筋混凝土梁的开裂荷载和极限承载力均比不设转向块的体外预应力CFRP筋混凝土梁要大,而跨中极限挠度则比不设转向块的体外预应力CFRP筋混凝土梁要小.在跨中设置转向块,可有效提高体外预应力CFRP筋混凝土梁的极限抗弯承载能力.按所推导的体外预应力CFRP筋混凝土梁的极限抗弯承载力理论公式,计算值与试验实测值吻合良好.     

两端锚固预应力CFRP板加固混凝土梁抗弯性能试验研究

在自主研发的预应力CFRP板锚具的基础上,分别使用粘贴和无粘贴张拉CFRP板的加固方式对6根混凝土梁进行试验,研究施加不同大小的预应力和不同的跨度对加固梁的抗弯性能的影响,对加固梁的极限承载能力、截面应变、CFRP应变和跨中挠度等进行研究.试验结果表明:使用预应力CFRP板加固能明显提高混凝土梁的抗弯性能,提高CFRP...     

CFRP约束受损混凝土柱的试验研究

通过对CFRP加固受损混凝土圆柱体与CFRP加固混凝土圆柱体的试验对比研究,测得CFRP加固后的极限强度和变形值,并与混凝土圆柱体试件的强度和变形值进行对比分析,并分析了CFRP加固混凝土圆柱体的破坏特征,为实际工程的加固提供了试验依据.     

强迫激励下CFRP斜拉索面内分叉特性

基于CFRP斜拉索横向各向同性假设的动力学理论,研究在强迫荷载作用下CFRP斜拉索的面内非线性动力学行为.将CFRP斜拉索的空间动力学控制微分方程约化处理得到面内运动控制微分方程,通过无量纲处理后,利用Galerkin方法进行一阶模态截断,得到CFRP斜拉索在强迫激励下面内运动常微分控制方程.利用4阶龙格库塔法对微分方程进行数值积分,得到在不同激励荷载作用下CFRP拉索的时间历程图、相图和功率谱图,进而对其非线性动力学行为进行研究.研究结果表明,在强迫激励下CFRP斜拉索有较为丰富的非线性动力学行为.     

碳纤维增强复合材料黏结型锚固体系弯拉性能试验研究

为了研究碳纤维增强复合材料（CFRP）黏结型锚固体系的弯拉性能,对设计的锚固体系试件进行了10组轴向拉伸试验与12组弯拉试验。在锚固体系优化基础上研究了CFRP筋直径、弯曲半径改变下试件的极限承载力、破坏模式、锚固效率及CFRP筋荷载?应变关系。结果表明,锚固体系的弯拉承载力折减量系数随CFRP筋弯曲半径的增大而减小,CFRP筋直径越大试件承载力折减量系数越大,并且CFRP筋横向约束有利于弯拉极限承载力的提高。此外,CFRP筋荷载?应变曲线的非线性变化是试件失效前的典型特征。弯曲半径和CFRP筋直径的比值与锚固效率系数为线性关系,比值在2.4‰以下时试件的弯拉锚固效率系数小于80%,试件呈不均匀断裂和剪切的破坏形式。     

非破坏雷电流A分量作用下碳纤维复合材料的动态特性

建立了碳纤维复合材料(CFRP)雷电冲击特性的实验平台,通过实验验证和对CFRP等效电路模型的分析,提出了采用两电极测试系统,通过检测流经CFRP层合板的脉冲电流和其两端的动态电压,研究了CFRP动态特性的测试方法,分析了在雷电流A分量作用下CFRP的动态特性。实验结果表明:在峰值时间为30.2μs、半峰值时间为72.2μs的非破坏雷电流A分量冲击作用下,碳纤维复合材料具有较强的导通能力,并且随着脉冲电流强度从5A增加至100A,其电阻由20Ω减小至2Ω左右,即具有显著的非线性;CFRP试品两端的电压先于电流达到峰值,材料整体显示出一定的电感效应。利用建立的CFRP层合板的等效电路模型,对CFRP在雷电流冲击下表现出的动态电阻非线性、电感特性、高导电微碳纳米管(MCNT)夹层对材料动态伏安特性的影响等现象进行了合理的解释。研究结果为CFRP的电气特性、树脂热降解、温度场分布以及热失重等研究提供了必要的理论支撑,同时为CFRP在航空航天领域的广泛应用奠定了坚实的基础。     

浅析CFRP在桥梁加固中的应用

碳纤维加劲塑料（CFRP）是一种高强轻质、耐腐蚀、耐疲劳的新型复合材料,随着对现代复合材料的不断研究与利用,CFRP在桥梁工程中的应用也日趋多样化。本文着重介绍CFRP材料在桥梁加固中的应用。     

预应力碳纤维修复含裂纹钢板的应力强度因子分析

海洋平台作为海上油气勘探开发生产的重要装备,随其服役期临近设计使用寿命,平台在多种载荷的作用下已存在多种形式的裂纹缺陷,对其开展修复加固研究以延长服役期是降本增效提质的有效措施。碳纤维复合材料(carbon fiber reinforced polymer, CFRP)凭借其优异的力学性能,可应用于海洋平台的修复加固技术,从而达到延长服役期的目的。建立了CFRP修复含裂纹钢板有限元模型,结合线弹性断裂力学,验证了模型的可靠性,考虑了预应力对修复效果的影响,进行了以裂纹尖端应力和应力强度因子为评价指标的仿真分析研究,并拟合了CFRP上预应力与应力强度因子之间的变化关系。研究表明：CFRP可以减小裂纹尖端的应力和应力强度因子,CFRP对含裂纹钢板有良好的修复效果;并且裂纹尖端的应力强度因子随着CFRP上预应力的增大而减小,预应力的施加可以增强CFRP对含裂纹钢板的修复效果;此外,CFRP上预应力与应力强度因子之间存在线性关系。