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欧洲先进的土木工程复合材料外文资料翻译
毕业设计外文资料翻译
题目欧洲先进的土木工程复合材料
学院土木建筑学院
专业土木工程
班级土木1110
学生xxx
学号20110622132
指导教师xxx
二〇一五年三月九日
StructuralEngineeringInternational,1999,9.pp.267-273.ISSN1016-8664
欧洲先进的土木工程复合材料
ChrisJ.Burgoyne博士
剑桥大学，剑桥，英国
摘要：
复合材料在欧洲被认为用于结构许多年了。
用于结构的材料都具有低蠕变的特点，这些结构被期望能够承受显著永久荷载。
较高刚度的纤维，即碳、芳族聚酰胺、玻璃和聚酯等材料在大多数的应用中被使用。
不幸的是，高强度是以高成本为代价的，人们在试图寻找钢材的一对一替代品的过程中在材料成本的基础上犯了错误。
成功的应用都使用其他合适的材料，其中最重要的是重量轻和顺向易于处理。
预应力玻璃纤维棒
1978年，一个预应力系统（称为Polystal[2]）用玻璃纤维并掺入树脂形成圆棒。
进行了大量的研究确定系统的性能，包括量化的应力破坏现象。
锚具是用树脂包裹成束并挤压入钢管中形成的。
这种钢管提供约束限制和可用于机械紧固。
许多桥都用这种刚结束建造：
在杜塞尔多夫，一个简单的人行桥是两跨连续结构，内部筋。
二者被认为具有相当数量的未受力筋被设计为部分预应力。
这些例子紧随其后的是柏林的体外预应力筋还有德国和奥地利的一些地方。
尽管该系统技术成功还没有被认为是商业成功，但是这种钢筋已经停产。
预应力芳纶棒
在20世纪80年代早期的研究开始于荷兰使用芳族聚酰胺纤维预应力挤压成型的形式，无论平条或圆棒全都命名为Arapree[3]。
棒的表面可以缩进或涂有沙，以提高粘结。
和Polystal筋一样，它很难为永久荷载提供长期锚地，由于力必须通过树脂转移，容易蠕变和受温度的影响。
由于锚固系统已经被开发出来，适合短期载荷。
这些棒适合做在预制混凝土中做预拉伸筋。
在欧洲和日本该系统已被用于构建各种结构，范围涉及到码头的发展，如隔音屏障和鱼堰木板等非结构组件，建造房屋部件和主要部分。
在巴塞罗那，该系统作为悬臂系统也被用于建设高速公路。
在早期的实验中，由于热效应的影响，筋的横向扩张也被记录下来。
沿开裂混凝土分布的钢筋，当钢筋露出表面是也被记录。
这是通过用钢筋表面涂抹的包含有微气泡的树脂的图层来克服的。
碳纤维板
碳纤维用于结构的应用在瑞士联邦实验室（EMPA）[5]首次被研究。
其中第一应用考虑，这已被证明是商业上的成功，是使用碳纤维板加固的。
这些通常是用于修复有缺陷的结构，以允许增加所施加的负荷，或允许该结构的变形例中的变化使用[5]。
这是首次在工作中认识到碳纤维在材料成本基础上是不经济的。
然而，它支付的，因为本身在现场和所需的时间缩短相当大的减脚手架与使用的钢板进行比较。
碳板是非常薄比钢当量，它允许将不同之间做出搭接接头元素。
减少偏心的板也减少的倾向剥离失败。
所使用的碳纤维量为非常小的，对于结构是完整的母体结构的刚度影响甚微。
纤维来到自己时的传统钢筋屈服；大株在与相应的碳引起的应力。
使用这个系统，各种结构已经被修复。
第一个应用程序是在伊巴赫桥苜蓿，瑞士。
钢筋被切断当桥是钻支持标志门架。
其他应用包括一个古老的木材桥梁加固让它把现代交通和各种应用的建筑离散。
许多这些应用程序涉及的改变现有的结构新的孔是必需的，例如在地板接收电梯槽，或在烟囱允许添加新的烟道。
图一：
试验梁上的粘钢板
现在有很多的应用[6]和技术显然是达到成熟的商业。
有些系统使用较厚的拉挤成型，挤压到准备好的表面上；其他使用较薄的系统可以形成起伏[7]。
许多的商业系统，如开发强大的计划在英国，开始合作研究项目。
强大的团队修复和测试了一些结构，包括一些梁拆除已严重腐蚀后张预应力筋在英国牛津博特利路立交桥附近。
广泛的研究证明，粘合剂是必须的，他们的耐久性和新的失效机理可能发生，如剥离表面的层压板。
在碳纤维片加固砌体结构抗震方面，已经进行了实验。
随后这样的条已被用于在意大利和希腊的圆顶古教堂。
这被认为是易受地震破坏。
继续在这一领域发展，尤其是系统将允许应在板一次他们结合的结构[12]。
加强板与混凝土表面平齐的很尴尬，因为压力系统已经基本上是片面的。
它必须也长期保持预应力足以使胶粘剂达到它的全部力量，或额外的端部固定需要提供。
虽然这样的实验室实验是成功的，在实践中应用地址仍然是一个问题。
另一个地区，吸引了相当多的利益，但造成重大的问题，是加固剪切[13，14]。
该问题是在的端部实现足够粘结在纤维上。
在一个典型的梁板桥配置，碳纤维片可绕底的光束，但塔顶束由于该板难以锚定材料在压缩区。
多种机制正在研究解决这个问题[15]，但它仍然是是否抗剪加固过将取得同样的成功被动弯曲钢筋。
碳纤维电缆停滞和预应力筋
碳纤维拉索，通常由从多个拉挤成型，使用的越来越多。
这就要求锚固系统的发展这允许多个杆被锚定在同一块。
为了避免应力集中问题在杆进入锚地，块的形状是严格控制的。
与固定树脂中加入每一个不同的刚度层[16]。
柔软的树脂放在哪里杆进入终端，用更硬的树脂回。
其他各种锚固系统已经开发，所有旨在缓和应力集中[17]。
在瑞士斯托申桥温特苏尔，一个总长度124米，它的24电缆是用碳纤维制作的[18]。
类似的电缆已用于预应力下一个管状钢结构人行天桥的和弦瑞士卢塞恩附近。
英国盒子里桥斯托克，有碳纤维光缆[19]，如丹麦海宁的80米长的桥在铁路站场[20]。
后者的桥，相信是最大的了碳纤维增强聚合物（CFRP）电缆，进行走道和紧急车辆。
它16斜拉索锚固在两架飞机到中央塔。
此外，部分甲板用的预应力CFRP筋。
在CFRP拉索，和芳纶绳的作用下，提供了跨度悬索斜拉桥的可能性，这是目前的极限重量电缆。
当考虑静态条件时长达10公里的跨度是可能的[21，22]，但这种结构类型在实际的限制几乎可以肯定为气动稳定性[23]。
复合棒加固
尽管刚度低和缺乏延展性，但不腐蚀钢筋有一个要求。
结构这种类型的加固可能是由刚度，而不是实力。
一个联盟成立调查采用FRP加固混凝土广泛开展玻璃钢棒耐久性的研究[24]。
这些调查涉及拉挤成型的生产各种纤维为主要张力加固。
随后，设计钢筋混凝土的指导制作[25]。
Fidgett天桥是英国第一个混凝土人行天桥，充分利用钢筋与玻璃FRP（玻璃钢）杆。
振弦式应变计和热敏电阻被扔到混凝土光纤传感器安装在板允许长期监测桥。
桥上还装有玻璃钢扶手。
同时，钢筋更重要的工作已对进行，最引人注目的是在法国[26]，并且玻璃钢复合材料可以作为组合永久性模板和受拉钢筋[27]。
芳纶绳系统
纤维也进入了绳工业结构工程领域。
该Parafil系统为在上世纪70年代开发的系泊海洋平台提供大的无线电天线[28]。
随着高强度和刚度的人造纤维，编织的必要性或铺设绳索被删除。
这两种使用最常见的纤维系统是聚酯和芳纶纤维。
平行细丝放置在挤出的热塑性护套，使保护钢丝绳的结构和纤维免收紫外线的破坏。
该系统的基本原理是在结束处（图2），由外锥形筒和内部精心塑造的穗组成[29]。
绳子和穗拉入桶，径向应力的设置在纤维上产生的摩擦力。
精心设计的形状的尖峰，该系统可以给一个非常均匀的力使他成纤维，使绳子的强度充分被利用。
图二：
平行敷设的终结系统
本系统的各种结构的工程应用已经被开发。
外部后张法预应力混凝土是一个合乎逻辑的使用，其中的化学纤维的稳定性意味着他们可以暴露。
英国的冷却索普沼泽电塔发电站，已经开发出了大裂缝，通过在裂缝注射树脂的和加预应力外部parafil电缆修复[30]。
主要的成本节约在减少钢丝绳重量轻的接入成本。
图三：
特林桥：
预应力砌体
该parafil系统已应用在对预应力砌体[31]在英国一岭。
人行天桥是在乡村公园河流上建造的（图3）。
甲板建造成垂直式四连接管，这样的强大的横向节点（层）和weaker（垂直型）是垂直的。
parafil电缆对垂直管和插入其中预应力，然后甲板旋转成水平。
在挪威的oppegaard天桥本质上是在系杆拱与parafil绳的张力带（32）提供的。
桥穿越高尔夫球场的小流。
梁是通过玻璃纤维与热塑性直杆玻璃钢的剪切链接的。
钢丝绳具有高强度，高刚度和重量轻的特点，因此，作为斜拉索的理想材料[33]。
其重量轻的特点，简化了安装和良好的疲劳性能，意味着更高比例的力可以用来抵御可变荷载。
电绝缘的拉索在许多应用中是所需要的。
无线电天线需要支撑还需要电绝缘，所以绳子的高成本可以抵消对绝缘子的消除。
在发射天线的情况下，高电流可诱发无线电波和电缆抵御这些影响。
电器绝缘也被要求支持铁路接触网和有轨电车系统。
电的使用意味着绝缘没有绝缘体是必需的，从而简化了施工，减少开销量，减少视觉的干扰。
在巴塞罗那的类似的绳索也被用来作为电信塔的拉索[34]，钢丝绳会造成电气干扰的问题。
图四：
在没有绝缘子的情况下纤维绳用来支持电车电缆
FRP加固
粘结加固
它与钢筋混凝土假设能够结合的很好则对于钢与混凝土是件好事。
如果发生钢筋劳损和裂纹变高，钢产量和无应力集中的情况可能发生。
然而，复合材料线性弹性的，没有塑性平台，它已被证明：
混凝土通过高力矩容量高的旋转能力使其粘合增强了。
不同的复合材料的粘接性能是目前广泛的学科[35，37]研究，由于FRP复合材料有非常不同的粘结的特性，钢和来自其他的材料，取决于表面纹理。
图五：
三种类型钢筋的推断粘结压力[35]
柱加固
为抵抗地震荷载，欧洲已经完成了相对较少的工作。
在德国和其他地方已经进行大量的工作来对腐蚀的列基地提供额外的加固，通常是由于对公路除冰盐的原因[38]。
在英国，一个广泛的抗高冲击载荷的柱加固方案将要开始[39]。
钢筋混凝土管
一个广泛对FRP的使用管的计划工作是在英国的南安普顿进行。
由复合材料制造的管采用纤维缠绕用低捻角生产，管本身几乎没有任何的轴向刚度，所以没有减少约束引起的[40]管的膨胀。
被观察到很明显列的增强强度和应变能力，不仅与轴负载，而且负载那里是一个重要的受弯构件。
新型钢筋
纤维增强材料的特性导致他产生新的形式。
在特别的弯曲元件时拉挤成型难以弯曲成常规钢筋的形状而不产生弱化。
为什么不利用的纤维灵活的形式在链接前添加树脂形成新的增强材料？
在德国的研究正在进行中在各种纺织品的使用过程，包括双层与经编针织技术，产生三维结构[41，42]。
图六：
双编织钢筋
强化木材
木结构在许多方面也可以采用复合结构进行强化。
在英国巴斯正在进行一个工程，通过在木材中添加复合材料以增加其强度，在俄罗斯至少一个木桥通过GFRP进行了加强。
全复合材料结构
结构完全由复合材料制作要想从一个全新的观点进行思考。
生产过程与传统的结构是不同的，控制材料的性能对许多工程师是不熟悉的。
他们两个有最合理的生产技术，挤拉、缠绕，产量具有相当大的各向异性的产品。
这导致了形成接头相当的困难。
钻孔螺栓容易切断承载纤维，以及缺乏排除其他各向同性加载路径[45]。
焊接是不可能的，虽然粘合剂可以使用，设计高效、耐用的粘合剂接头是不平凡的。
它是由一个英国的咨询工程公司确认的，复合材料最容易制作的
形式的是拉挤成型，不可避免地意味着加强纤维是轴向对齐的，除了当用编织磁带时。
拉挤成型要求死，这是昂贵的，这意味着标准断面（虽然不是一定标准加固）必须经济的再利用。
连接系统需要部件被装配制作。
结果是“肘关节”，其中的主要元素有装配槽如拉挤成型过程的一部分，包括附加钢筋。
这两种元素可以被粘在一起，随着FRP切换栏介绍将元素放在一起直到该粘合剂设置[46]的。
图七：
阿伯费尔迪桥
为促进土木工程社区新的技术验收，使用相同的原则作为存在码的文件已经产生。
这需要检验制度的发展，保证质量原理可以应用[47]。
该系统的第一个主要的应用是提供一个桥梁围栏在米德尔斯堡的A19高架桥，英国[48]。
这个大的高架桥，河上开发的主要公路，主要材料是钢板梁与混凝土甲板。
它已经出了严重的腐蚀问题，并且通行非常困难。
因此其要求是，提供一个外壳，将保护钢免受大气污染和提供在未来的维护通道。
由此产生的设计提供了一种玻璃钢地板系统由木板，连在一起的通过切换系统，还包括从现有的衣架桥。
这是第一个理想的技术应用是以合理的成本的结构。
并且足够重视。
一旦投资已经取得的生产过程和质量控制，随后的应用更容易了。
该阿伯费尔迪桥在英国已在文献[49]广泛报道。
它连接两半的高尔夫球场的泰河的两边。
主要结构由斜拉玻璃钢甲板，由芳纶绳索从玻璃塔悬浮。
虽然最初只为行人设计的，它最近已加强局部由另外一些高度强调位置的CFRP为了对付球手的机动“车”。
已经有一些担忧由于玻璃低的杨氏模量的GFRP结构的灵活性，可导致不可接受的低阶固有频率[50]。
很轻的重量使得被普遍的添加到本地的结构（通过填充一些与混凝土管），弯曲和扭转固有频率可以分离。
图八：
连接轧机升降桥
复合材料重量轻时提供优势的活动桥是必需的，因为在机械重大的节省可以实现。
英国，格洛斯特附近的粘结轧机升降桥为重型卡车通过运河到达工业地产的而在最近重新开放。
桥面是由玻璃钢拉挤成型，类似于阿伯费尔迪。
小房间的上层填充结构级泡沫的抗局部轮载作用下的弯曲。
整个结构可以通过一对液压千斤顶[51]手段解除。
GFRP系统现在已经集成到空间的概念，在一个自动制造钢管桁架结构具有GFRP单位外部包层[52]。
最重要的创新是能够增加剪切两系统之间的连接，使他们能够作为一个单一的整体单元。
该玻璃钢的抗弯承载力的贡献将因其低刚度，但它对扭转刚度有显著的影响，因为它形成了一个盒子桥梁。
报告[53]确定模块化建筑结构作为一个重要的新技术。
一些不幸的经历与模块化的混凝土平板系统在上世纪60年代使模块化建筑收到了一个坏的名字后。
这些问题围绕在面板之间的接头强制造困难，鲁棒性和水密。
然而复合材料节点细部设计的出发点，是其成功的基础。
第二塞文河隧道工程师的现场设备都采用这一系统的建立，这些现在已经变成了一个游客中心。
这是一个广泛应用的建筑物原型。
图九：
空间系统
在欧洲的其他地方，其他系统已经被用来制造轻型桥。
在瑞士，在特雷西亚一个两跨梁桥已经开始标准的拉挤成型制造。
在一个跨梁是由螺栓连接，其他的使用胶粘剂[54]梁。
这座桥是独特的，它的目的是要取消每年在冰雪融化，然后重新预防一次洪水的危险已经过去了。
因此，重量轻是设计的一个重要因素，两个12.5米的跨通过直升机放到位置上。
在丹麦的Kolding桥，穿越电气化铁路线[55]人行道。
这座桥是由格构梁和38米长的中央塔支撑玻璃钢拉索连接而成的。
图十：
在塞文河隧道设置办公场所/游客中心
海洋产业的复合材料
船和游艇的玻璃钢的使用是这个材料最早的应用，因为它提供了比木材更耐用的特性。
因此英国皇家海军考虑把FRP用在猎雷艇上。
当靠近矿山时这些船只一向由木头来降低磁信号工作。
包括船体和舱壁之间的节点详图都进行了创新，其中纤维不能被周围的角落，和大型玻璃钢结构使用。
对于发动机支座。
金属最小化的使用，具有特殊的细节加入的船体和上层建筑玻璃纤维的设备[56]金属元素。
特殊的细节也被开发出来，进行高一点力量，如在发动机支架，并在武器装备的安装位置。
复合系统现在已经发展到提供冲击和海上应用的消防系统，包括使用在直升机甲板，管道支撑系统，和阀罩。
在巨魔平台，还安装了约180吨的玻璃钢复合材料为主要结构，而一些立管支撑结构，每个约4吨的重量。
在绿柱石B平台，一个主要的方案已经进行了加强墙抵抗在生产领域的爆炸及预防船员区损伤。
这项工作大部分是碳纤维预浸料进行的，这是相对灵活的，因此可以在杂乱的机械空间应用。
这些被结合的结构和原位固化。
这些元素是非常大的，延伸超过几层楼，旨在抵御大量的爆炸荷载。
铁路行业的复合材料
铁路行业的复合材料提供了的在结构上相当大的范围内使用。
这里有在铁路车辆本身复合材料的几种应用。
在列车前面的整流罩通常是玻璃钢；这些不仅仅是导风板也提供显著的抗冲击。
也有在铁路车辆[57]技术创新，具有完整由碳纤维长丝缠绕而成的车身。
铁路基础设施的变化提出了许多挑战与机遇并存的复合材料行业。
近年来混凝土结构可以采用板粘接手段增强。
在瑞典进行的时候，一些铁路桥进行加固处理更高的车轮荷载。
然而，许多老铁路结构是由铸造或锻造铁，并且许多是在修复或加强的需要。
当钢筋表面相对平坦，板键可以使用，如英国伦敦地铁使用大量的铸铁桥。
往往在面对降低压应力的观点，一个更具吸引力的选择是将预应力碳纤维化以提高铸铁的应力分布。
对铆接结构的铁路存在的其他问题，铆钉的存在是为了防止粘结钢板的使用，因此芳纶绳系统可能是适合的。
几组正积极寻找在加强铸造方法或铁艺拱门的实验发现，其中的曲率产生一些有趣的影响。
据估计，这些应用的复合材料的成本可能高达十倍的常规材料。
然而，在铁路隧道受限空间和隔夜跟踪财产持续少于4个小时的工作时，处理的材料远远大于材料成本较高的作用。
地下工程复合材料
纤维被广泛地应用在水泥工业[58]。
土壤加固一直是多年的商业产品，成功竞争材料钢铁的替代品[59]。
聚酯纤维是包含在聚乙烯护套，以平带的形式提供。
这是具有竞争力的价格，并且更容易安装和更耐用。
它已被用于一些应用，包括在墙上的例子是在潮汐范围，导致干湿交替。
其他应用包括在德国使用玻璃钢复合土钉支护，在巴黎复合地锚的使用，用于多层建筑的地下室的临时支撑。
复合锚被放置在地上后要通过的隧道掘进机开挖；钢锚会切割机器的头部造成严重中断。
商业因素和未来
CFRP作为使用外贴被动弯曲钢筋是一个商业上的成功，由于材料的重量轻，相应的节省了施工时间。
同样的，玻璃纤维复合材料的使用被证明是使经济有困难的建设进入常规重型结构。
使用聚酯土壤加固也是商业上的成功，由于其耐腐蚀性能的潜在侵略性的土壤条件。
其他应用还没有起飞的商业。
有复合加固的使用范围，但只在钢快速腐蚀是可以预期的，只有当变形不是限制因素的区域。
后张法预应力混凝土与外部电缆应经济提供全寿命周期费用和适当的替代设计的评价。
预应力筋的内部不经济，主要是因为有钢筋的几个问题，除非有某种形式的自动化生产过程中可以用机器制造的抗剪钢筋。
对于其他的行业，目前，在新的解决方案是专门的应用，发现存在的问题，利用该复合材料具有性能的组合。
成功的应用程序都使用复合材料，使成本问题不那么严重。
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