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材料界的“新寵”——FRP材料

瀏覽次數:1225 次發表日期:2018-01-24

    今年蘋果公司舉行iphone X 發布會時,喬布斯劇院吸引了很多關注,刷爆了朋友圈。劇院的整個地上結構除了科技感十足的玻璃之外,舒展輕盈的屋頂也是其一大特色,而這個屋頂所使用的材料正是 FRP。


FRP簡介

  • 材料構成

    纖維增強復合材料FRP,英文全稱Fiber Reinforced Polymer /Plastics,由纖維材料與基體材料構成。用于建筑結構時,常用的纖維材料有碳纖維、玻璃纖維,基體材料有環氧樹脂、乙烯基酯樹脂、不飽和聚酯樹脂。由微觀到宏觀,首先由極細的纖維絲按一定方向排列或編織為板、布等形式,再與基體材料膠結后形成FRP制品。


  • 發展歷史

    從20世紀40年代問世以來,FRP首先被應用于航空航天、軍事等領域。以客機為例,客機制造材料中的FRP占比逐年增高,至波音787和空客350均已超過50%(重量比),高于鋼、鋁、鈦等金屬及其合金。



    隨著材料制備成本的降低,FRP也開始走入大眾生活,常用的有玻璃纖維增強復合材料GFRP(俗稱玻璃鋼)、碳纖維增強復合材料CFRP。GFRP多用于景觀雕塑、座椅、垃圾桶、儲料罐等,CFRP可用于游艇、汽車、自行車、體育休閑器具等。

 

    FRP最早于1960年代被用于民用建筑。但直到1990年代,隨著FRP加固鋼筋混凝土結構技術的興起,工程界才逐漸認可對這種新型材料,并擴展到對鋼結構、木結構、砌體結構的加固工程中。

FRP特點

  • 重量輕

FRP的密度約為14-21kN/m3,約為鋼的1/6~1/4,亦輕于金屬鋁。應用于大跨結構中時,可極大減輕結構自重。

以喬布斯劇院為例,整個碳纖維屋蓋自重僅80t,可采用整體吊裝方式施工。按屋蓋直徑約47m計算,折合每平米平均重46kg,僅相當于約6mm厚的鋼板。如此驚人的減重效果,才使得屋面承重于周邊結構玻璃成為可能,造就了令人驚嘆的空間效果。


  • 強度高

    天然物質晶體結構中都有缺陷,材料越細,缺陷越少,強度越高。碳纖維、玻璃纖維的強度可達鋼材的10~20倍,綜合考慮纖維和基體的強度差異,FRP材料的強度/重量比通??蛇_鋼材的4倍以上,使得FRP大跨結構的極限跨度比傳統結構大2~3倍。



有研究學者曾對利用CFRP索建造跨度10000m的直布羅陀大橋進行了論證,其強度由此可見。


  • 成型方便

    FRP的生產制作工藝包括拉擠、纏繞、手糊、噴射成型等多種方式。不僅可規?;a形狀規則的FRP制品,更可制作出幾乎任意形狀的板材用于構筑非線性建筑造型。

以下展示了手糊工藝制作異形面板的典型流程:加工底膜->手糊->脫模得到基本單元->單元組裝。采用數控機床或3D打印技術進行模具加工,可以精確、快速地得到任意曲面造型。



  • 便于拆卸組裝

    FRP具有包括栓接在內的多種連接方式,其材料的輕便性使其更便于拆卸和組裝。扎哈的香奈兒流動藝術博物館面積約700㎡,主結構構件為鋼結構,外皮為寬度不超過2.55m的GFRP曲面板,在較短時間內就能進行拆卸和拼裝,使其成功地完成了從香港途徑東京、紐約、莫斯科、倫敦直至巴黎的全球巡展。


    • 耐腐蝕

        海邊造房子最怕什么?其實是腐蝕,無論是鋼材還是混凝土。筆者去年去鼓浪嶼“考察”,偶然間看到腐蝕后的橋墩,對此深有感觸。而FRP可在酸、堿、鹽和潮濕環境中長期使用,亦可抵抗除冰鹽和空氣中鹽分的腐蝕。

        薩夫迪和扎哈都設計過可水中移動的“建筑”——游艇,對于海水中的長時間浸泡,FRP表示毫無壓力。


  •                             薩夫迪(左)和扎哈(右)設計的游艇

    • 各向異性

        不同于鋼、鋁等材料各向同性的特點,由于纖維鋪設常具有方向性(單向或雙向交織),使得FRP在沿纖維和垂直纖維方向力學性能相差較大,屬于復合材料力學范疇,力學分析復雜,設計難度較大。

        由于層間拉伸/剪切強度低,使得連接部位容易成為構件的薄弱部位,需盡量減少連接,并特別重視連接設計。重要的連接節點可采用鋼節點。


    • 其他特性

    彈性模量:

    FRP的彈性模量與混凝土、木材相當,相比其高強度,結構設計常由變形控制??赏ㄟ^合理地選擇結構形式、與其它材料組合以及施加預應力等方式控制變形。

    線脹系數:

    遠小于鋼、鋁等金屬材料,一方面使其應用于超長結構時引起的溫度應力不明顯,有利于結構設計;另一方面自帶較好的保溫隔熱效果,不再需要額外的建筑保溫層,節省建筑空間。

    防火性能:

    樹脂在高溫下會由于軟化導致力學性能降低??衫迷跇渲袚饺胱枞紕?FRP表面防火處理的辦法提高防火性能。良好處理的FRP防火效果已能和混凝土相當,詳見后文“舊金山現代藝術博物館擴建工程”案例。

    經濟性:

    FRP材料的價格高于鋼材。但考慮其輕質高強、耐腐蝕、低維護需求等特點,綜合成本具有競爭力。而且隨著科技進步,材料生產成本逐年降低,例如用于加固的CFRP價格如今不到起步時的25%,可以預見FRP材料的潛力。





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