【复合材料-土建结构的力学特性与加固技术探究】复合材料损伤力学

　　摘 要：本文主要是从对复合材料的分析入手，通过复合材料作为构成元件在土建结构中的应用和复合材料作为加固介质在土建结构中的应用这两个方面对复合材料-土建结构的力学特性与加固技术进行了深入的探究。
　　关键词：复合材料；土建结构；力学特性；加固技术
　　中图分类号： TB33 文献标识码：A
　　一、复合材料
　　所谓的复合材料，是指利用化学方法或物理方法将两种或两种以上的具有不同性质的材料，组合成一种新的、宏观上的材料，而且该材料具有新的功能，复合材料一般具有耗量低、强度大、结构轻等优点。通过材料的合成，可以将不同材料的优势集合在一起，并产生协同效应，因为复合材料的综合性能要比组合成复合材料的原材料的性能更佳，因此复合材料可以适用更多、更高的使用要求。按组合成复合材料的原材料的属性的不同可以将复合材料划分为：金属与金属复合材料、金属与非金属复合材料和非金属与非金属复合材料这三种，我们将组合成复合材料的原材料称为基体材料，常用的金属基体材料有镁、钛、铜、铝及钛合金，而常用的非金属基体材a有橡胶、石墨、合成树脂等等。此外，有时为了增强复合材料的复合效果，需添加一些增强材料，常用的增强材料有碳纤维、金属丝、石棉纤维和玻璃纤维等等。
　　近年来，随着我国经济的发展和科技的进步，复合材料凭借着自身独特的优势已在很多领域中得到了广泛的应用，而在土建结构中，对复合材料的应用主要有两个方面：①作为构成元件应用于土建结构中；②作为加固介质应用于土建结构中。
　　二、复合材料作为构成元件在土建结构中的应用
　　如今，随着我国建筑材料行业的崛起和发展，FRP复合材料凭借着自身的优势，如结构质量轻、易于成型、耐腐蚀性强、外观美及颜色丰富等，在我国的土建行业中已得到了一定的应用，但因受生产工艺、生产规模等因素的影响，FRP复合材料在我国的应用中并还没有真正的推广开来，没有充分的利用FRP复合材料这一新材料的优势。而在其他一些发达的国家和地区，对FRP复合材料的应用会比较广一点，如在酒吧、餐厅等中大型的公共建筑中都或多或少的采用了FRP复合材料。
　　与普通的钢材料相比，FRP复合材料的质量要比普通的钢材料轻75%～80%，且FRP复合材料的机械强度并不亚于普通的钢材料的机械强度，甚至有可能超过它。FRP复合材料在土建结构中的应用，一个可以将建筑结构的自重减轻，另一个可以将建筑结构的基础承载力降低，这对保证甚至延长建筑结构的使用寿命起着十分重要的作用，FRP复合材料作为构成元件在土建结构中的应用，一般是将其用于层面材料及各种墙体材料等的制作。除此之外，FRP复合材料对于电讯系统的建筑物而言，具有特殊的实用意义，其主要原因为：①FRP复合材料易于成型，能够制造成结构复杂的结构杆件，且所制造出来的结构杆件，其质量轻、刚度大，如圆锥形的组装结构及其整体；②FRP复合材料的隔热性能好，可用于夹层结构的制作，同时，FRP复合材料的抗腐蚀性也比较好，能够在各种管道、泵等里面应用；③FRP复合材料的绝缘性佳，电磁波不会对其造成影响。
　　有人做过这样的一个实验：梁均为简支，对称作用的集中载荷，一是纵向弯曲加强(即用Glass Fiber Reinforced Plastic简称GFRP作纵筋，steel作箍筋)，二是量力加强(即用steel作纵筋，GFRP作箍筋)，对它们的静力强度进行了研究，并作荷载一挠度曲线，结果发现最初曲线是线弹性，至主纵筋屈服，砼被压碎进入非线性，可见，破坏为非剪切破坏，GFRP可代替钢筋使用，特别适用于腐蚀地区。
　　Harris在文中阐述了一种新研制的有延性的聚脂棒的设计方法(hybrid fiber reinforced polymer)。这种棒具有等效双线性应力一应变特性，具有接近于钢的杨氏模量，近似钢的延性，可代替钢筋使用，发挥它的耐腐蚀、非金属、绝缘、高强度等优点。
　　Theriault报道了聚脂棒(HFRP)代替钢筋使用，根据加强率和砼强度来预测裂逢宽度、裂逢间距、荷载挠度曲线、程限承载力及破坏类型，得出随着加强比率的提高，裂逢宽度和高度均降低，裂逢宽度与砼强度无关等结论。
　　三、复合材料作为加固介质在土建结构中的应用
　　长时间以来，如何减轻和抵抗工程结构受人为或非人为的影响，是人们一直所关注的话题。譬如说：①改变土建结构的荷载、用途及结构体系：建筑物的使用要求有时会因各种各样的因素而改变、桥梁车辆的吨位提高、民住房改建为工用房等，这些改变都会使得建筑结构的负担增加；②加固以备抗震抗灾：因受自热灾害的影响，使得土建结构受损，或原有的土建结构的抗震抗灾指标与相关的规范文件不符；③受灾后的土建结构或纠正因设计及施工的失误：因为受灾、设计及施工的失误，都有可能降低了钢筋砼结构的刚度和强度，进而对其的正常使用产生影响。综上所述，对于以上的各类原因，通常都需要加固土建工程结构。
　　对于土建工程的加固，就其材料而言，近几年来应用最为广泛的加固介质为钢材料，所采用的加固方法为粘钢、绕丝法、置换法等。而如今，随着经济的发展和科技的进步，对粘帖复合材料作为加固介质进行梁柱等结构的加固的研究已是越来越多。
　　同钢材料对比，将复合材料当作加固介质进行梁柱等结构的加固，其优势在于：①结构厚度小，且自重轻；②长度不受限制，且无需搭接；③无需对材料进行预加工；④允许板材间相互交叉；⑤强度大、抗疲劳和抗腐蚀能力强；⑥产品模量不受限制；⑦在进行施工时，不受施工环境的影响等。此外，粘贴剂也有以下的优点：①模量高、强度高；②能够适用于多种不同类型的基材；③在荷载不变的情况下，具有抗蠕变、抗腐蚀的效果，且与环保要求相符。
　　复合材料凭借着其自身的优势，如抗疲劳、抗腐蚀能力及较高的强重比等，作为加固介质已在土建工程结构的加固工作中得到越来越多的认可，通过复合材料进行土建工程结构的加固，不仅不会影响该结构的使用，同时也不会对其美观性造成影响。然而，由于各方面的原因，当前的机理性工作大多数都还停留在实验室的阶段，即使是已在市场上出现的较为成熟的产品，其设计依据同样也离不开试验。
　　复合材料作为加固介质对土建工程结构进行加固，在对其进行力学特性研究的同时也展开了对加固技术的研究。如今，在国外，复合材料已成为成熟的产品在土建工程结构的加固工作中得到了广泛的应用，是土建结构的使用寿命得以延长，同时也因此而节省了大量的养护资金。比如说：在加拿大的温尼伯市，正是通过对复合材料的应用，对该市的污染控制中心的屋顶进行了加固；在日本的大阪，也是利用了复合材料对海湾大桥进行了加固等等。
　　结语
　　综上所述，复合材料虽说在国内外的土建工程结构中得到了一定的应用，但是，对复合材料-土建结构的力学特性与加固技术的相关研究，还有许多问题是需要等待解决的，如在复合材料-混凝土组合构件的刚度及强度的计算中，需要解决二次应力和预应力的问题。这些问题的存在，给材料科学工作者及力学工作者展开了一个施展才能的平台。
　　参考文献
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