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材料界的“新宠”——FRP材料

发布时间:2020-12-16    信息来源:本站    浏览次数:

今年苹果公司举行iphone X 发布会时,乔布斯剧院吸引了很多关注,刷爆了朋友圈。剧院的整个地上结构除了科技感十足的玻璃之外,舒展轻盈的屋顶也是其一大特色,而这个屋顶所使用的材料正是 FRP。

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 一、FRP简介 

1、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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2、发展历史

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。

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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。

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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。

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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。

 二、FRP特点 

1、重量轻

FRP的密度约为14-21kN/m?,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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2、强度高

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。

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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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3、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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4、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700㎡,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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5、耐腐蚀

海边造房子最怕什么?其实是腐蚀,无论是钢材还是混凝土。笔者去年去鼓浪屿“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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萨夫迪(左)和扎哈(右)设计的游艇

6、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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 三、其他特性 

1、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。

2、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。

3、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。

4、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。而且随着科技进步,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。

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