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【行业资讯】读完才知道!原来纤维增强复合材料可以用在这些地方?

波镁特防腐专家2018-12-04 14:59:32


FRP材料简介

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材料构成

纤维增强复合材料FRP,英文全称Fiber Reinforced Polymer /Plastics,由纤维材料与基体材料构成。用于建筑结构时,常用的纤维材料有碳纤维、玻璃纤维,基体材料有环氧树脂、乙烯基酯树脂、不饱和聚酯树脂。由微观到宏观,首先由极细的纤维丝按一定方向排列或编织为板、布等形式,再与基体材料胶结后形成FRP制品。

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发展历史

从20世纪40年代问世以来,FRP首先被应用于航空航天、军事等领域。以客机为例,客机制造材料中的FRP占比逐年增高,至波音787和空客350均已超过50%(重量比),高于钢、铝、钛等金属及其合金。


随着材料制备成本的降低,FRP也开始走入大众生活,常用的有玻璃纤维增强复合材料GFRP(俗称玻璃钢)、碳纤维增强复合材料CFRP。GFRP多用于景观雕塑、座椅、垃圾桶、储料罐等,CFRP可用于游艇、汽车、自行车、体育休闲器具等。

FRP最早于1960年代被用于民用建筑。但直到1990年代,随着FRP加固钢筋混凝土结构技术的兴起,工程界才逐渐认可对这种新型材料,并扩展到对钢结构、木结构、砌体结构的加固工程中。

鉴于大家可能对FRP加固技术已经有相当的了解,本文主要选择了FRP在新建建筑作为结构材料和建筑表皮应用的案例,尝试说明FRP材料的优缺点。

FRP材料特点

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重量

FRP的密度约为14-21kN/m3,约为钢的1/6~1/4,亦轻于金属铝。应用于大跨结构中时,可极大减轻结构自重。

以乔布斯剧院为例,整个碳纤维屋盖自重仅80t,可采用整体吊装方式施工。按屋盖直径约47m计算,折合每平米平均重46kg,仅相当于约6mm厚的钢板。如此惊人的减重效果,才使得屋面承重于周边结构玻璃成为可能,造就了令人惊叹的空间效果。

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强度

天然物质晶体结构中都有缺陷,材料越细,缺陷越少,强度越高。碳纤维、玻璃纤维的强度可达钢材的10~20倍,综合考虑纤维和基体的强度差异,FRP材料的强度/重量比通常可达钢材的4倍以上,使得FRP大跨结构的极限跨度比传统结构大2~3倍。

有研究学者曾对利用CFRP索建造跨度10000m的直布罗陀大桥进行了论证,其强度由此可见。

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成型方便

FRP的生产制作工艺包括拉挤、缠绕、手糊、喷射成型等多种方式。不仅可规模化生产形状规则的FRP制品,更可制作出几乎任意形状的板材用于构筑非线性建筑造型。

以下展示了手糊工艺制作异形面板的典型流程:加工底膜->手糊->脱模得到基本单元->单元组装。采用数控机床或3D打印技术进行模具加工,可以精确、快速地得到任意曲面造型。

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便于拆卸组装

FRP具有包括栓接在内的多种连接方式,其材料的轻便性使其更便于拆卸和组装。扎哈的香奈儿流动艺术博物馆面积约700m2,主结构构件为钢结构,外皮为宽度不超过2.55m的GFRP曲面板,在较短时间内就能进行拆卸和拼装,使其成功地完成了从香港途径东京、纽约、莫斯科、伦敦直至巴黎的全球巡展。

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腐蚀

海边造房子最怕什么?其实是腐蚀,无论是钢材还是混凝土。小i去年去鼓浪屿“考察”,偶然间看到腐蚀后的桥墩,对此深有感触。而FRP可在酸、碱、盐和潮湿环境中长期使用,亦可抵抗除冰盐和空气中盐分的腐蚀。

萨夫迪和扎哈都设计过可水中移动的“建筑”——游艇,对于海水中的长时间浸泡,FRP表示毫无压力。


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各向异性

不同于钢、铝等材料各向同性的特点,由于纤维铺设常具有方向性(单向或双向交织),使得FRP在沿纤维和垂直纤维方向力学性能相差较大,属于复合材料力学范畴,力学分析复杂,设计难度较大。

由于层间拉伸/剪切强度低,使得连接部位容易成为构件的薄弱部位,需尽量减少连接,并特别重视连接设计。重要的连接节点可采用钢节点。

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其他特点

弹性模量:FRP的弹性模量与混凝土、木材相当,相比其高强度,结构设计常由变形控制。可通过合理地选择结构形式、与其它材料组合以及施加预应力等方式控制变形。

线胀系数:远小于钢、铝等金属材料,一方面使其应用于超长结构时引起的温度应力不明显,有利于结构设计;另一方面自带较好的保温隔热效果,不再需要额外的建筑保温层,节省建筑空间。

防火性能:树脂在高温下会由于软化导致力学性能降低。可利用在树脂中掺入阻燃剂+FRP表面防火处理的办法提高防火性能。良好处理的FRP防火效果已能和混凝土相当,详见后文“旧金山现代艺术博物馆扩建工程”案例。

经济性:FRP材料的价格高于钢材。但考虑其轻质高强、耐腐蚀、低维护需求等特点,综合成本具有竞争力。且随着科技进步,材料生产成本逐年降低,例如用于加固的CFRP价格如今不到起步时的25%,可以预见FRP材料的潜力

国内外案例

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国外案例

拉宾中心 Yitzhak Rabin Center

以两侧屋面白色的不规则曲面象征和平鸽的双翅,纪念诺贝尔和平奖得主以色列前总理拉宾遇刺十周年。采用类似帆船船体的FRP夹芯板作为屋面材料,在荷兰分块生产后运抵建造地进行单片翼(最大尺寸可达20x30m)拼装,并在其表面涂上防紫外线和防火涂层,而后将5片翼吊装就位。本工程为早期的建筑结构一体化的成功案例,为后续工程提供了宝贵的经验。

弗莱彻酒店 Fletcher Hotel

A2高速公路旁这栋60m高的筒状建筑,由外层曲面玻璃和内层GFRP曲面板构成的双层表皮。原先的设计方案是将玻璃固定在木龙骨上,但参与本项目的Octatube公司由于具有拉宾中心等应用FRP曲面板的经验,最终采用了更具表现力的FRP彩色曲面板,并将圆形窗扇直接镶嵌于其中。每层使用10块GFRP面板,每块GFRP面板上固定4块曲面玻璃 (1.8mx3m),表皮面积总计4000m2。

蛇形画廊 (SerpentineSackler Gallery)

此建筑是为原有画廊扩建增设的第二艺术区和餐厅,建筑面积约900m2,其主体结构为钢结构,屋面、天花板及异形柱外覆多种FRP[白色壳体PTFE涂层玻璃纤维布(外)+有机硅涂层玻璃纤维布(内)+GFRP收口+钢结构异形柱外包GFRP]。

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国内案例

武汉阳光凯迪

这个非线性曲面建筑主体结构为钢管框架,外皮采用了FRP夹芯板(表层为3mm厚的GFRP面板,夹芯层为100mm厚阻燃聚氨酯泡沫材料)。设计时,将非线性外皮分割为53块尺寸约为1.5mx4.5m的夹芯板单元,在工厂预制成型后运送现场拼装。此建筑将保温隔热等功能特性集成到FRP夹芯板的结构骨架中,是结构功能一体化非线性建筑在我国的成功实践。

北京通州某桥

桥两侧富有层次感的曲面造型采用FRP曲面板进行塑造,使用面板面积约9000m2。看图片中的面板造型还是很流畅的。

小结

在之前提到的知乎热帖中,有人分析FRP材料在国内的新建建筑结构中应用很少的原因之一是没有相应的设计规范。如果真要设计只能参考国外FRP型材结构设计规范、参考已有研究成果或进行试验研究。

目前情况正在改观,国内有关FRP型材的产品规范已经发布,设计规范正在编制中,顺利的话明年就可以发布。相信有了设计规范的指导,设计师们选用FRP材料会更有底气。小i也热切期望以后国内能出现越来越多的合理应用FRP材料的结构作品。如果您知道其它FRP建筑作品,希望能与我们分享。



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