复合纤维混凝土结构在水利工程中的研究与应用（李志伟,李国起,张金鹏,张淑桐）-水利工程混凝土施工.docx

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1、复合纤维混凝土结构在水利工程中的研究与应用（李志伟,李国起,张金鹏,张淑桐）|水利工程混凝土施工#TRS_AUTOADD_1231896764000 MARGIN-TOP: 0px; FONT-SIZE: 12pt; MARGIN-BOTTOM: 0px; LINE-HEIGHT: 1.5; FONT-FAMILY: 宋体#TRS_AUTOADD_1231896764000 P MARGIN-TOP: 0px; FONT-SIZE: 12pt; MARGIN-BOTTOM: 0px; LINE-HEIGHT: 1.5; FONT-FAMILY: 宋体#TRS_AUTOADD_123189676

2、4000 TD MARGIN-TOP: 0px; FONT-SIZE: 12pt; MARGIN-BOTTOM: 0px; LINE-HEIGHT: 1.5; FONT-FAMILY: 宋体#TRS_AUTOADD_1231896764000 DIV MARGIN-TOP: 0px; FONT-SIZE: 12pt; MARGIN-BOTTOM: 0px; LINE-HEIGHT: 1.5; FONT-FAMILY: 宋体#TRS_AUTOADD_1231896764000 LI MARGIN-TOP: 0px; FONT-SIZE: 12pt; MARGIN-BOTTOM: 0px; LIN

3、E-HEIGHT: 1.5; FONT-FAMILY: 宋体/*-JSON-:line-height:1.5,font-family:宋体,font-size:12pt,margin-top:0,margin-bottom:0,p:line-height:1.5,font-family:宋体,font-size:12pt,margin-top:0,margin-bottom:0,td:line-height:1.5,font-family:宋体,font-size:12pt,margin-top:0,margin-bottom:0,div:line-height:1.5,font-family

4、:宋体,font-size:12pt,margin-top:0,margin-bottom:0,li:line-height:1.5,font-family:宋体,font-size:12pt,margin-top:0,margin-bottom:0-*/ 摘 要：开发探讨的现代无金属水工结构即复合纤维混凝土结构在性能上完全能够满意建筑设计的要求，同时它具有低成本、抗老化、免维护等优点。天津市中小型水利工程众多，气候和水质对金属结构和钢筋混凝土腐蚀很大，降低了工程的运用寿命，每年都要投入大量的维护费用。经探讨和试验，复合纤维混凝土结构完全可以在水利工程以及建筑工程中推广应用。该项技术具有非常显

5、著的社会经济效益和环境爱护效益。应用前景非常广袤。 关键词：无金属 复合纤维 混凝土结构 防腐 1 复合纤维混凝土结构概念 复合纤维混凝土结构所指的复合纤维是指长纤维与环氧树脂胶的胶合体，通常称为纤维增加聚合物（Fiber Reinforced Polymers），简记为FRP；也有的称为复合纤维增加材料（Fiber Reinforced Composites），简记为FRC。高级的纤维材料和环氧树脂胶都是纳米级高科技材料,用它们复合而成的FRP具有纳米材料的性能。复合纤维作为一种建筑材料，国内外已经广泛应用于航空航天、能源交通、石油化工、军用装备、纺织机械、建筑材料、电子工程、医疗器械、文体

6、器材等领域。 2 复合纤维混凝土结构的特性 复合纤维混凝土结构设计理论是借鉴钢筋混凝土结构的设计原理并结合复合纤维混凝土结构加固应用实例探讨渐渐发展形成的。复合纤维混凝土结构设计照钢筋混凝土结构设计方法进行配筋，然后根据复合纤维和钢筋的抗拉强度进行截面面积换算出所需的复合纤维。 复合纤维混凝土结构，就是用复合纤维替代结构中的金属，或仿制、增加非金属材料，得到新型无金属结构，复合纤维混凝土结构的特性如下： 2.1 材料强度高 给出复合纤维代表性参数，以及与传统建筑材料比较的部分内容。 2.2 体积小，重量轻 由密度值可知复合纤维重量较轻，由于强度高，在同等强度条件下材料重量和体积将明显减小，这也

7、意味着在结构抗震、抗爆破、抗风、抗侧向冲撞应用时，可明显减小水平向惯性力。体积小将更适用于建立抗强地振动和冲击波工程。 2.3 耐腐蚀 碳纤维材料的化学性质稳定，具有极佳的耐腐蚀性能及耐久性能，复合纤维布材可用于包袱结构构件外部来爱护内部构件免遭腐蚀，因而粘贴碳纤维布加固修补混凝土结构有良好的耐腐蚀性和耐久性，反抗建筑物常常遇到的各种酸、碱、盐对结构物的腐蚀。试验分析表明，0.8mm厚结构，纤维砌块结构和纯的复合纤维爱护层可有效爱护构件免遭腐蚀，寿命可超过90年；有试验探讨证明：在弱酸环境中，经肯定次数冻融循环、肯定次数干湿交替作用、肯定光照时间后，在70水中浸泡30d，碳纤维布与混凝土间的粘

8、接性能均无降低，耐久性能也很好；热循环（20-20）101次后，构件承载力仍无降低。 2.4耐火 早期复合纤维多用于缠绕增加枪筒、炮筒，在射击高温下仍可正常放射。高质量的复合纤维可抗大气层摩擦产生的2000度高温，是制造巡航导弹外壳的材料。钢的熔点只有1600oC，而碳纤维在2000oC高温下仍具有良好的摩擦性能，而密度只有钢的四分之一。它在高温下也不易膨胀，其热膨胀变形不会超过万分之一。目前转向民用的复合纤维中，环氧树脂胶一般均是阻燃的，而纤维本身在摄氏几一百零一度高温时不丢失任何强度。 2.5 防水 由于复合纤维造价相对较高，从经济角度考虑，不适合做特地的防水材料，可考虑在主要利用其高强度

9、特性的同时，兼顾利用其防水特性。特别的环氧树脂胶粘贴复合纤维于水中构件上，这一加固可用潜水员水下作业完成。 2.6无磁 复合纤维本身就是制造隐形飞机的原材料。目前转向民用的复合纤维材料经多次磁性检测也证明是无磁的，因此，在地震监测预报地磁房建设以及广播、通讯、气象监测等领域，都会满意无磁结构建筑要求，具有广袤的实际应用前景。 2.7形态可塑 复合纤维胶合体可按模具胶合成形，因此可按结构抗力，设计和配置材料分布，对实现最优化理论结构设计至关重要。而钢材形态可塑性特别差，即使它由直线弯成设想形态，它的各方面强度也会大打折扣。 2.8安装简洁，对环境干扰小 在修复工程中，与粘钢、铆筋等技术相比，施工

10、简洁，对居民居住、道路交通或工厂生产等影响较小，在经济效益上可明显节约安装费用，并且基本上不变更结构原设计刚度。成品复合纤维布材加固材料是一种幅宽不等，长度为50101m卷成卷的织物，现场运用时可依据须要用剪刀随意裁剪，而不须要特地的切割工具。据统计，粘贴复合纤维布材是粘贴钢板施工工效的48倍。 2.9不削减建筑物的运用空间 复合纤维布材料质轻且薄，其密度仅为1.76g/cm3，粘贴一层的厚度仅1.0mm左右。加固修补后，基本不增加原结构自重及原构件尺寸，从而有利于保证原有建筑物的运用空间。 2.10环保效果明显 复合纤维材料属于石油化工产品，与传统建筑材料生产工艺相比，环境污染和破坏明显减小

11、，会明显节约原材料资源，依据环保的须要有望替代部分传统建筑材料。 2.11 价格低廉 复合纤维这样的化工产品成本很低，但目前复合纤维价格的确定因市场需求浮动，在同等强度要求下复合纤维价格低于钢材价格。复合纤维混凝土水工闸门模板制作、混凝土配比、浇注和养护与一般钢筋混凝土相同。不同点在于复合纤维筋制作处理上，独立的纤维丝不能很好地发挥其抗拉强度高的优点，一般将其与环氧树脂复合加工成复合纤维筋作为复合纤维混凝土中的主要受拉材料。同时在制作复合纤维筋时，施加第一层次预应力。为了解决复合纤维混凝土结构握裹力不足问题，在加工过程中把复合纤维制作成复合纤维环筋和复合纤维锚筋。模拟闸门入水后最不利受力工况，

12、通过预先安装的应变片和千分表，依据有关规范要求，对复合纤维混凝土水工闸门变形进行监测。通过测试数据分析闸门受力变形趋势，并依据该闸门实际应用效果，对纤维混凝土水工闸门综合性能作出评价。 3 复合纤维混凝土结构工程应用实例 2002年天津市水利局在津南区双桥河南闸进行了复合纤混凝土闸门的试验探讨。双桥河南闸3.3*5m两孔钢结构闸门， 自11010年修建以来，因其处于淡水、海水、污水交汇区域，水工建筑物受到很大的侵蚀破坏，钢结构闸门经验了多次翻修维护，已不能正常运用。为了对比试验探讨，本次对双桥河南闸其中一孔更换成复合纤维水工闸门，另一孔仍为钢结构闸门。2002年5月完成现场安装，经过试用观测，

13、闸门表现出优良的性能。复合纤维筋抗拉强度达到3000MPa，弹性模量210MPa；复合纤维混凝土强度C25，抗渗等级W6，抗冻等级F300，允许挠度小于L0/500，经过几年的运行，效果良好，而另一孔钢结构闸门运行一年后就锈蚀严峻。2022年专家鉴定会上，该项成果被评为国际先进水平，并先后获得国家独创专利2项，国家好用新型专利2项。复合纤维混凝土不仅适用于水利工程，小型水闸的底板、翼墙、闸墩、机架桥以及水上移动式码头等，同时也可应用于整个建筑领域，推广应用前景非常广袤。 4 复合纤维混凝土结构应用前景 复合纤维混凝土结构主要包括纤维混凝土结构、纤维砌块结构和纤维仿木结构，是以复合纤维（玻璃纤维

14、、芳伦纤维、碳纤维、玄武岩纤维）替代金属而构造成能够保持金属结构原有优良性能的无金属结构。复合纤维在工程建设中作为一种新材料，在力学性质上完全能够满意建筑结构设计要求，已经在国内外建筑和桥梁中已经得到应用。 天津地处渤海湾，九河下梢，水利工程众多，其中小型水工建筑上千座，大部分为钢筋混凝土结构和钢结构，少部分闸门为木结构。由于水位改变，建筑物常常处于湿干交替环境中和空气或水中各种化学介质易产生电化学作用，在水位改变区，钢结构及混凝土钢筋锈蚀很严峻。天津市潮湿的气候和空气中的盐份等腐蚀性介质相对较高，地面以下的结构工程，由于海相沉积土作用，浅层地下水含盐碱量大，对钢结构和钢筋混凝土结构有严峻的腐

15、蚀作用。除此以外，由于经济发展带来的环境负面影响，很多的河道变为排污河道，污水对水工结构的腐蚀也很严峻。复合纤维混凝土结构就是用复合纤维替代了钢筋，其耐腐性能又明显强于混凝土或砖、石。因此在水利工程结构中会成倍延长工程结构的寿命。 复合纤维混凝土结构造价明显低于具有同样功能的钢闸门和钢筋混凝土，依据施工综合成本测算，其成本比钢筋混凝土节约30%以上。同时其耐腐蚀，耐老化、终生免维护的特性，省去了大量的维护修理资金，而且设计运用寿命可达50a。 小型水利设施经常在野外，无人值守的居多，日常巡察很难到位。钢结构和钢筋混凝土除了遭遇环境破坏以外，还常常遭遇人为的破坏。由于钢铁回收价值高，不法分子对钢

16、结构建筑破坏严峻，给水利和工农业生产造成很大的影响，每年要投入很大的力气来解决这样的问题。由于复合纤维混凝土采纳廉价的纤维增加聚合物，在建设成本低廉的同时，回收价值也很低，能够有效的避开野外设施设备被偷盗问题，使得犯罪分子无利可图。这样就削减了因偷盗给工程本身带来的损失和由此带来的工农业生产的损失。 5 结语 随着复合纤维混凝土结构在建筑、水利行业的不断推广应用，尽早出台现代无金属水工结构设计规程已是当务之急，有关部门应给与关注与支持，以便在今后的无金属结构设计中更加规范。 参考文献 1华东水利学院、大连工学院等合编.水工钢筋混凝土结构学M.水利电力出版社，11016,(4). 2谭春如.钢筋

17、混凝土板梁结构在水工闸门上的应用J.南昌高校学报（工科版），19101,(5). 3李大华,罗兆辉. 论现代无金属结构M，北京，地震出版社，2002,(10). 4李大华，现代无金属水工闸门问世，高科技纤维与应用，第28卷，第5期，2003年。 5张金鹏等.现代无金属水工闸门承载力模拟测试与分析J.硅酸盐通报，第25卷2022，(5). 6杨秀富等.新型无金属水工闸门开发应用探讨J.中国水利水电市场,2022,(2-3合刊). 7 孙中博等复合纤维混凝土结构在小型水工建筑中的应用J. 水科学与工程技术， 2022(增刊). 8水利水电工程钢闸门设计规范（DL/T5013-95）G.水利电力出版社，11015. 作者简介 李志伟，（1966-），男（汉族），高校本科学历，高级工程师，从事水利水电施工工作。 第14页 共14页第 14 页 共 14 页第 14 页 共 14 页第 14 页 共 14 页第 14 页 共 14 页第 14 页 共 14 页第 14 页 共 14 页第 14 页 共 14 页第 14 页 共 14 页第 14 页 共 14 页第 14 页 共 14 页