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中国土建领域未来发展的福音——记吴智深教授团队的国家科技进步二等奖项目

发布时间: 2014-05-28

  1月18日,2013年国家科技奖励大会在北京举行,由我校吴智深教授课题组完成的“纤维增强复合材料的高性能化及结构性能提升关键技术与应用”荣获国家科学技术进步二等奖。
  纤维增强复合材料(FRP)是由纤维材料与基体材料按一定的比例混合,经过特别的模具挤压、拉拔而形成的高性能材料。该材料具有质轻、不导电、机械强度高、回收利用少、耐腐蚀等特点。近些年来,土木工程结构学科的快速发展,在很大程度上得益于性能优异的新材料、新技术的应用和发展,而FRP以其优异的力学性能及适应现代工程结构向大跨、高耸、重载、轻质发展的需求,正被越来越广泛地应用于桥梁工程、各类民用建筑、海洋工程、地下工程中,受到土木工程界的广泛关注。然而,价格偏高、强度利用率低、不能充分满足结构综合性能要求以及缺少新型关键技术作为依托等瓶颈问题,则使FRP在结构工程中的应用受到制约。针对这一现状,由我校城市工程科学技术研究院院长吴智深教授领衔的课题组,经过十多年的自主创新和集成推广,建立了FRP高性能化、FRP加固既有结构及增强新结构等方面的理论和技术体系,开发了多项国际领先的关键技术,使FRP在结构工程领域的规模化应用成为可能。
  那么,所谓的FRP材料到底有何魅力?相关产品的高性能化以及结构性能提升,到底能给我们的生活带来怎样的变化?
  带着这些疑问,记者走访了吴智深教授。
小震不坏,中震可修,大震不倒
    看过电影《唐山大地震》的人脑海里都会有一幅画面:1976年7月28日3时42分53.8秒,强度里氏7.8级的大地震,楼倒房塌,整个唐山市顷刻间夷为平地,24.2万人的生命永远定格……而在四十年后的今天,大震来袭,不倒不塌的建筑物将比比皆是,人的生命和财产安全的保障度也更高。据吴智深教授介绍,在结构领域,以目前的设计能力而言,只要设计合理,面对九级左右的强震,很多建筑物都将巍然矗立。但矗立的建筑物的质量如何,是否可修、是否可以继续使用,则是结构设计和建筑行业的一个难题。
  我们知道,建筑结构主要以钢筋混凝土为主。钢筋的强度高,能够有效地承受外力的作用,因此,被广泛地应用于各种建筑结构、特别是大型、重型、轻型薄壁和高层建筑结构中。但是,外力的侵袭,一旦超过钢筋所能承受的拉应力的临界值,建筑物结构的损伤将非常严重,那么,即使建筑物依然矗立,内部结构却已是“伤痕累累”,成为重病之体。吴智深教授课题组研发出的“基于结构性能目标的FRP混杂材料和复合设计理论”以及“损伤可控的SFCP增强混凝土结构”,正是致力于解决这一难题。
  吴智深教授指出,虽然各种FRP各具优势,但单一的FRP往往难以充分满足重大工程结构加固和增强时综合性能(例如,强度等基本力学性能、疲劳蠕变等长期力学性能以及在冻融、高腐蚀等极端环境下服役性能等)的要求。基于纤维与钢丝或者钢筋性能的高度互补,课题组研发出FRP与钢的混杂材料,并提出了FRP与钢的复合设计方法。使用钢-FRP复合材料的建筑结构,不仅能够有效地抗击高强度的外力袭击,而且“损伤可控”,使建筑物“健康”地矗立着,从而实现“小震不坏,中震可修,大震不倒”。
  据悉,在课题组的长期艰难攻关之下,FRP布/板/筋/索/型材/网格等系列高性能混杂FRP制品,钢筋-FRP复合筋(SFCB)、钢丝与纤维复合板、钢丝-纤维复合索等综合性能优异、性价比高的新型钢-FRP复合材料制品等相关产品已经实现了工业化生产。2007年开始,已经陆续有一定规模的碳/玄武岩纤维混杂制品出口日本和美国。这种具有自主知识产权的高性能低成本新型制品,不仅带动了复合材料制造业和高分子材料产业的发展,而且一定程度上还打破了日、美等发达国家对我国高技术纤维的长期垄断。同时,也推动了我国具有自主知识产权的玄武岩纤维产业不断的技术创新,使得近五年来我国玄武岩纤维行业总体的年产量成倍增长,并实现了玄武岩纤维及相关制品的出口创汇。
建筑材料里有了“神经线”
  我们知道,一个人的体内,布满了神经线。人体的结构与功能非常复杂,体内各种器官、系统的功能和各种生理过程都是在神经系统的直接或间接调节控制下进行的。一旦身体发生异常情况,神经系统就会给大脑发出指令信号,使人体做出适当处理,避免造成更大的损伤。
  对于建筑材料而言,基于混杂碳纤维和光纤的分布式传感FRP智能材料就起着“神经线”的功能。“经过一定处理之后,将混杂碳纤维和光纤的分布式传感FRP智能材料植入钢筋,就像在建筑材料里布入了‘神经线’。”吴智深教授非常形象地指出,“这样,建筑材料就有了自诊断、自监测的性能。由同样材料制成的传感器识别到损伤之后,外界可以及时处理,从而提高结构的寿命。”更值得一提的是,这一损伤识别不仅精确而且能够实现准确定位。
  据了解,利用碳纤维压阻效应和导电性,以及与光纤复合开发FRP智能材料是国际上的一个研究热点。这种新型材料“一材两用”(即兼作结构材料和传感材料),综合成本低、附加值高,用于结构时相当于在结构上布设了健康监测系统,从而为结构性能的全面把握提供了依据。但是,这种新型智能材料尚存在频带宽度窄、测量灵敏度和精度不够高、结构损伤定位困难、用于动态测试有难度、数据稳定性不足,以及应用测量数据反演结构性能的方法不完善等瓶颈问题。
  混杂碳纤维和光纤的分布式传感FRP智能材料正是吴智深教授课题组突破这一瓶颈问题的重大成果。混杂碳纤维智能复合材料是基于碳纤维的压阻效应和导电性而提出的。通过对混杂碳纤维传感、分布式监测及增敏等关键技术的突破,碳纤维智能复合材料实现了高精度的分布式监测和损伤准确定位。2005年,混杂碳纤维智能复合材料在国内首个实桥——“沪宁高速公路无锡段三跨预应力砼连续箱梁桥和简支T梁桥”破坏性试验中得到成功示范应用。此后,混杂碳纤维智能复合材料从工业化生产、优化布置方法、施工工艺、数据采集及结构动静态性能反演等方面逐渐形成了完善的技术体系。而基于光纤的分布式传感FRP智能材料,不仅将传统智能FRP传感标距从厘米级提高到米级,而且其测量精度、灵敏度和抗噪音能力、耐久力和经济性、综合性能指标等均超过了国际上同类产品,并在杭州庆春路过江隧道、九江长江大桥等重大工程中完成了示范应用。
一层薄薄的网格布,撑起巨吨大桥
现实生活中,我们经常能够看到锈迹斑斑的桥墩、缆索、道路护栏、建筑墙体等,这些腐蚀、裂缝不仅会使桥梁、建筑的使用期限缩短,严重的还可能导致安全事故。这正是工程结构先天不足、耐久性差的表现,也是各国工程结构领域可持续发展的瓶颈问题之一。而现有工程加固,所耗费的人力、物力、财力、时间成本等更是不能小觑。
  以水下结构的加固为例。我们知道,桥梁水下结构的使用条件和使用环境较之水上结构更为恶劣。水下较高的静态应力和疲劳应力、河水冲刷、淘刷、磨损、气蚀、严寒地区的冻融和侵蚀、船舶碰撞、浮冰及地震袭击、环境荷载(如生物附着)和桥梁上部结构传递的工作荷载等,均容易导致桥梁水下结构形成各类损伤缺陷,且不易发现。这些损伤、缺陷导致桥梁承载能力和耐久性降低,严重威胁行车安全和桥梁寿命。传统的水下结构加固工程,主要以钢围堰加固和加桩加固为主,不仅施工周期长,工艺复杂,造价高,而且耐久性并不理想。因此,研究可行的快速、便捷、低成本的桥梁水下结构加固技术意义重大。
  如今,这一快速、便捷、低成本的桥梁水下结构加固技术已经在吴智深教授课题组的多年艰苦攻关下诞生——高性能混杂FRP网格制品,依托FRP网格加固水下结构的特色加固新技术,不可思议的事情就发生了:出现裂缝的水下粗壮桥墩,只需潜水员潜入水下,贴上一层0.1—0.3毫米的薄薄的网格布,再注入粘结剂加以固化,即可实现桥墩加固,延长桥梁使用寿命。
  据不完全统计,从1998年到2011年,全国应用FRP加固技术的产值已经达到数百亿元,经济效益十分显著。
万米级跨海大桥何以可能?
  “如今,建设千米级跨度的桥梁已经不是难题。那么,未来千米级以上甚至是万米级的超大跨度的跨海桥梁是否可能呢?”这是吴智深教授课题组一直致力于解决的问题。2009年,我国第一座体外预应力CFRP索公路桥建设完工,CFRP即碳纤维增强复合材料作为体外预应力索的形式在新建桥梁工程建设中成功使用,标志着吴智深教授课题组建设万米级跨海大桥的宏大构想有了初步实践的基础。
  传统的桥梁拉索主要以钢拉索为主。针对钢拉索自重大和易腐蚀的缺点,吴智深教授课题组研发了具有自监测自减振功能的混杂/复合纤维拉索,平均减振性能提升了三倍以上。未来的千米级以上和万米级超大跨度的桥梁,采用碳纤维及混杂/复合纤维制作而成的拉索,不仅有效地克服了传统的钢拉索自重大、易腐蚀的缺点,而且有效跨径提升了2-7倍,索重减轻30%-80%,耐久性大大提升。
  经常开车出行的人一定曾经遇到过这样的现象:交通高峰期,某段桥面围挡修护,拥堵严重,让急于上班或回家的你更加抓狂。这是因为,传统的桥面板主要以钢筋混凝土为主,其使用寿命只有5-20年的时间,必须定期进行更换和维护,否则会严重威胁整座桥梁的使用期限。如今这一情况也有望得到全面改善。桥面板一旦植入纤维增强复合材料,其具有的自减振功能能很好地抗衡汽车行走桥面产生的振动对桥面板造成的伤害,桥面板的使用期限可达60-100年之久,甚至在整座桥梁的使用期间都无需维护和更换桥面板,桥梁的耐久性得到了全面提升,节能环保特点突出。我国第一座基于FRP桥面板的组合结构公路桥梁的建设完工,不仅标志着针对FRP桥面板与钢梁及桥面铺装层整体工作的技术难题的成功解决,而且使我国在这一领域的探索与研究达到国际水平。
  目前,高性能化后的FRP制品及FRP加固既有结构关键技术在人民大会堂、中国革命历史博物馆、海关总署办公楼、江阴长江大桥南引桥、广东虎门大桥、天津永和大桥、北京首都机场高速公路桥梁、云南省六库怒江大桥等数百个重大工程中得到应用,FRP增强新结构关键技术也在11项示范性工程(均为国内首个)中得到了良好的应用,直接或间接地推动了FRP的规模化应用,项目组直接技术支撑下完成的可统计产值已达11.9亿元。“能否做到耐久性强、经济实用以及节能环保,这是中国土木工程建设可持续发展问题的症结所在。”谈到中国土建的可持续发展问题,吴智深教授充满了担忧,“不能以花子孙后代的钱为代价,我们应该用自己的钱为子孙后代造福。”
                 (李冬梅)
       ――《东南大学报》2013年3月20日第1214期

 

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