摘要：隨著科技不斷發(fā)展，新材料、新技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。采用納米碳纖維新型材料替代結(jié)構(gòu)中的金屬，開發(fā)一種新型無金屬結(jié)構(gòu)。即纖維混凝土結(jié)構(gòu)、纖維砌塊結(jié)構(gòu)和純復(fù)合纖維結(jié)構(gòu)，借鑒鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論和復(fù)合纖維強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論，進(jìn)行復(fù)合纖維混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。結(jié)合津南區(qū)雙橋河閘更換閘門機(jī)會(huì)，按鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論研制復(fù)合纖維混凝土水工閘門；按有關(guān)規(guī)范要求，對(duì)該閘門的承載能力指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)檢測；并在實(shí)際運(yùn)行中對(duì)其耐久性、防腐蝕能力等與水工鋼閘門進(jìn)行對(duì)照比較分析。該項(xiàng)技術(shù)具有十分顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境保護(hù)效益，推廣應(yīng)用前景也十分廣闊。

        一、新型無金屬結(jié)構(gòu)與天津市水閘的基本狀況

        納米技術(shù)作為一種高新技術(shù)，國內(nèi)外已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天、能源交通、石油化工、軍用裝備、紡織機(jī)械、建筑材料、電子工程、醫(yī)療器械、文體器材等領(lǐng)域。其中復(fù)合纖維材料在建筑中已得到廣泛應(yīng)用，許多國家已將很多橋梁工程中使用復(fù)合纖維，取得了良好的效果。我國起步之初，主要研究碳纖維，并應(yīng)用到實(shí)際當(dāng)中去。隨著社會(huì)的進(jìn)步，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，復(fù)合碳纖維已在更多的領(lǐng)域中應(yīng)用。但是在水利工程中應(yīng)用很少，而本次研究的納米復(fù)合纖維水工閘門，是一項(xiàng)新技術(shù)。隨著復(fù)合碳纖維在水工閘門上的應(yīng)用，其優(yōu)越性能將得到充分體現(xiàn)，復(fù)合纖維材料將在水利工程中得到廣泛的推廣。

        2.新型無金屬結(jié)構(gòu)的基本概念

        所謂無金屬結(jié)構(gòu)，就是用復(fù)合纖維替代結(jié)構(gòu)中的金屬，或仿制、強(qiáng)非金屬材料，得到新型無金屬結(jié)構(gòu)。

       新型無金屬結(jié)構(gòu)所研究的復(fù)合纖維是指長纖維（幾十厘米以上）與環(huán)氧樹脂膠的膠合體，通常稱為纖維強(qiáng)聚合物（FiberReinforcedPolymers），簡記為FRP；也有的稱為復(fù)合纖維強(qiáng)材料（FiberReinforcedComposites），簡記為FRC。高級(jí)的纖維材料和環(huán)氧樹脂膠都是納米級(jí)高科技材料,用它們復(fù)合而成的FRP具有納米材料的性能。復(fù)合纖維材料物理力學(xué)性能有別于傳統(tǒng)的“土木”工程材料，用復(fù)合纖維替代金屬材料建造的結(jié)構(gòu)稱為新型無金屬結(jié)構(gòu)。

       2.天津市水閘的基本狀況

        天津市水工閘門3千多座，大部分為金屬的鋼鐵結(jié)構(gòu)閘門，少部分為木結(jié)構(gòu)閘門，也有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)閘門。在水工閘門中普遍存在著鋼鐵材料腐蝕，壽命短，維修費(fèi)用高等問題。由于水位變化，在經(jīng)常處于濕干交替環(huán)境中和空氣或水中各種化學(xué)介質(zhì)易產(chǎn)生電化學(xué)作用，閘門銹蝕很嚴(yán)重。應(yīng)用復(fù)合碳纖維材料將很好的解決這一問題。同時(shí)可充分發(fā)揮復(fù)合纖維材料受拉強(qiáng)度高和混凝土受壓強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，組成具有重大技術(shù)經(jīng)濟(jì)潛力的組合結(jié)構(gòu)，進(jìn)而將其在水利行業(yè)中推廣，推動(dòng)天津市水利工程技術(shù)得到創(chuàng)新和發(fā)展，使水利工程技術(shù)提高到一個(gè)嶄新的水平。

        二、新型無金屬水工閘門研究的主要內(nèi)容與關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新

        現(xiàn)代水工建筑物中，大多含有鋼材，屬于金屬結(jié)構(gòu)，水工建筑中也越來越多地使用鋼材。但是鋼材在應(yīng)用上也存在著弊端，不僅易腐蝕使用壽命短、且安裝制造難度大造價(jià)高。經(jīng)過大量的調(diào)研和前期試驗(yàn)研究我們選用納米復(fù)合碳纖維材料替代鋼材，不僅材料性能優(yōu)于鋼材、安裝制造方便，造價(jià)也有降低的空間。本課題以水工閘門為研究重點(diǎn)，采用復(fù)合碳纖維材料（非金屬材料）替代現(xiàn)代結(jié)構(gòu)中的鋼材或強(qiáng)非金屬結(jié)構(gòu)，制成纖維混凝土結(jié)構(gòu)水工閘門，取代水工鋼閘門和水工鑄鐵閘門，并在不加造價(jià)的前提下明顯提高結(jié)構(gòu)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)和綜合防災(zāi)能力。下一步還將在其他無金屬水工結(jié)構(gòu)中進(jìn)行研究應(yīng)用與推廣。具體研究內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：

        1.復(fù)合纖維混凝土水工閘門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論研究

        本課題研究的復(fù)合纖維混凝土水工閘門設(shè)計(jì)理念主要是借鑒鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論。鋼筋混凝土水工閘門，由于應(yīng)用范圍較小，沒有相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)以往鋼筋混凝土水工閘門設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，可以將鋼筋混凝土水工閘門作為鋼筋混凝土板梁結(jié)構(gòu)，把閘門劃分為若干疊加梁，對(duì)每一根梁，根據(jù)其受力情況，分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。最后將設(shè)計(jì)鋼筋配筋量，根據(jù)鋼筋和復(fù)合纖維筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，換算成復(fù)合纖維筋配筋量。

        2.復(fù)合纖維混凝土水工閘門制造工藝研究

         復(fù)合纖維混凝土水工閘門模板制作、混凝土配比、澆注和養(yǎng)護(hù)與一般鋼筋混凝土相同。不同點(diǎn)在于復(fù)合纖維筋制作處理上：

        （1）實(shí)踐證明，獨(dú)立的纖維絲是不能很好地發(fā)揮其抗拉強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，一般將其與環(huán)氧樹脂復(fù)合加工成復(fù)合纖維筋作為復(fù)合纖維混凝土中的主要受拉材料。同時(shí)在制作復(fù)合纖維筋時(shí)，施加第一層次預(yù)應(yīng)力。

        （2）為了解決復(fù)合纖維混凝土結(jié)構(gòu)握裹力不足問題，在加工過程中把復(fù)合纖維制作成復(fù)合纖維環(huán)筋和復(fù)合纖維錨筋。

        3.復(fù)合纖維混凝土水工閘門性能測試研究

        模擬閘門入水后最不利受力工況，通過預(yù)先安裝的應(yīng)變片和千分表，根據(jù)有關(guān)規(guī)范要求，對(duì)復(fù)合纖維混凝土水工閘門變形進(jìn)行監(jiān)測。通過測試數(shù)據(jù)分析閘門受力變形趨勢，并根據(jù)該閘門實(shí)際應(yīng)用效果，對(duì)纖維混凝土水工閘門綜合性能作出評(píng)價(jià)。

        4.現(xiàn)代無金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)用推廣價(jià)值

        通過本課題研究說明現(xiàn)代無金屬結(jié)構(gòu)具有性能好、造價(jià)低、免維修、可替代鋼材和部分木材等社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益。并通過復(fù)合纖維材料在水工閘門上的應(yīng)用，結(jié)合纖維材料具備的優(yōu)良性能和實(shí)際應(yīng)用效果，對(duì)現(xiàn)代無金屬結(jié)構(gòu)在工業(yè)與民用建筑工程、水利工程、海洋工程、監(jiān)測與通訊工程等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用推廣價(jià)值進(jìn)行評(píng)價(jià)。

        三、無金屬水工閘門設(shè)計(jì)及指標(biāo)

        本項(xiàng)目研究的無金屬水工閘門為復(fù)合纖維混凝土閘門，無金屬水工閘門設(shè)計(jì)即指復(fù)合纖維混凝土閘門設(shè)計(jì)。目前，復(fù)合纖維混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還沒有國家或部頒標(biāo)準(zhǔn)，其主要設(shè)計(jì)理念來自鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理。

         主要包括閘門的孔口形式主要尺寸和擬采用的結(jié)構(gòu)形式，以用來確定計(jì)算模型；采用的主要材料，以用來確定采用的主要設(shè)計(jì)理論和材料的力學(xué)指標(biāo)；原始水文資料，以用來確定荷載情況；水閘的運(yùn)行環(huán)境、主要建筑物級(jí)別和結(jié)構(gòu)安全等級(jí)。

        復(fù)合纖維混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論是借鑒鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理并結(jié)合復(fù)合纖維混凝土結(jié)構(gòu)加固應(yīng)用實(shí)例研究逐漸發(fā)展形成的。本課題所研究的現(xiàn)代無金屬水工閘門的復(fù)合纖維混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同樣先按照鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行配筋，然后按照復(fù)合纖維和鋼筋的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行截面面積換算出所需的復(fù)合纖維。

        由于鋼筋混凝土水工閘門應(yīng)用較少，目前還沒有部頒標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)以往鋼筋混凝土水工閘門設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，可以把其作為一板梁結(jié)構(gòu)，即根據(jù)閘門結(jié)構(gòu)尺寸和截面形式，將鋼筋混凝土閘門沿豎直方向分成若干疊加梁，就每一根梁根據(jù)其所受的荷載，分別進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)。

        1．主要設(shè)計(jì)指標(biāo)

        （1）材料性能指標(biāo)

         復(fù)合纖維性能指標(biāo)包括：抗拉強(qiáng)度指標(biāo)和彈性模量�；炷列阅苤笜�(biāo)包括：混凝土強(qiáng)度等級(jí)、抗?jié)B等級(jí)、抗凍等級(jí)。

        （2）水工閘門性能指標(biāo)

        閘門性能指標(biāo)包括：允許撓度、耐久性、防腐能力。

        2．結(jié)構(gòu)測試設(shè)計(jì)

        測試的主要目的是模擬水工閘門下水后的，在最不利工況下的極限受力情況，來檢驗(yàn)閘門的可靠性。主要測試指標(biāo)是復(fù)合纖維混凝土閘門的檢測部位的應(yīng)變和撓度。試驗(yàn)按時(shí)間順序分為測試儀表安裝、預(yù)載和標(biāo)準(zhǔn)荷載三步。

        （1）測試儀表安裝

         該項(xiàng)內(nèi)容包括應(yīng)變片粘貼和百分表安裝。

        按計(jì)劃先粘貼應(yīng)變片，沿著水閘門中心線布置若干個(gè)測點(diǎn)，每個(gè)測點(diǎn)沿橫向粘貼1個(gè)應(yīng)變片。在閘門中心線兩側(cè)對(duì)稱布設(shè)若干個(gè)百分表。

        粘貼應(yīng)變片分為以下幾個(gè)步驟：

        a應(yīng)變片檢查分送：包括外觀檢查、阻值檢查等。

        b測點(diǎn)處理：測點(diǎn)檢查、打磨、清洗打底、測線定位等。

        c應(yīng)變片粘貼：分別為上膠、擠壓、加壓。

        d固化處理，采用自然干燥的方式。

        e粘貼質(zhì)量檢查：外觀檢查，阻值檢查，絕緣度檢查。

        f導(dǎo)線連接：引出線絕緣，固定點(diǎn)設(shè)置，導(dǎo)線焊接。

        g防潮防護(hù)，用膠類防潮劑澆注或加布帶綁扎。

        （2）測試儀表預(yù)載

         預(yù)載加載方式為沿著水閘門中心線對(duì)稱布載，仿照閘門在水中極限受力的方式，梯形布載。加載程序分為預(yù)載、標(biāo)準(zhǔn)荷載兩個(gè)階段。

         預(yù)載的目的在于：a使試件各部分接觸良好，進(jìn)入工作狀態(tài)，荷載與變形關(guān)系趨于穩(wěn)定。b檢驗(yàn)全部試驗(yàn)裝置的可靠性。c檢驗(yàn)全部觀測儀表工作正常與否。d檢查現(xiàn)場組織工作和人員的工作情況，起演習(xí)作用。

        預(yù)載分可三級(jí)進(jìn)行，每級(jí)取標(biāo)準(zhǔn)荷載值的20％；加至標(biāo)準(zhǔn)荷載的60％后停歇20h，然后再分級(jí)卸載，每級(jí)取標(biāo)準(zhǔn)荷載值的20％；每加（卸）一級(jí)，停歇10h。

        通過預(yù)載試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)一些潛在的問題，并把它解決在正式開始之前，對(duì)于保證試驗(yàn)工作順利進(jìn)行具有重要意義。

        （3）標(biāo)準(zhǔn)荷載試驗(yàn)

         加載分五級(jí)進(jìn)行，每級(jí)取標(biāo)準(zhǔn)荷載值的20％，每加載一級(jí)停歇15h，恒載時(shí)間為30h。

         卸載分五級(jí)進(jìn)行，每級(jí)取標(biāo)準(zhǔn)荷載值的20％，每卸載一級(jí)停歇15h；空載時(shí)間為30h。最后再撤下支撐。

        （4）試驗(yàn)結(jié)果分析

         通過分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以判斷閘門隨荷載加的變形趨勢，并可根據(jù)有關(guān)規(guī)范判斷閘門在極限荷載作用下的變形是否滿足使用要求。

        四、新型無金屬水工閘門應(yīng)用

         本項(xiàng)研究利用天津市津南區(qū)河道管理所管轄的雙橋河閘更換閘門的機(jī)會(huì)，研制出纖維混凝土閘門替代原來的鋼閘門。通過主要材料的選擇和實(shí)驗(yàn)；無金屬閘門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；無金屬閘門的現(xiàn)場制作；無金屬閘門承載力模擬測試與分析。本課題研制的現(xiàn)代無金屬水工閘門于2004年4月雙橋河南閘下水投入使用，在使用期間對(duì)水位進(jìn)行的觀測記錄。

         這次現(xiàn)代無金屬水工閘門試用觀測結(jié)果表明，該閘門經(jīng)過近一年的使用，特別是汛期的上下游高水位差及頻繁啟閉，閘門運(yùn)行狀況良好，且沒有變形、老化、腐蝕現(xiàn)象。

         雙橋河南閘自1970年修建以來，因其處于淡水、海水、污水交匯區(qū)域，水工建筑物受到很大的侵蝕破壞，閘門經(jīng)歷了多次翻修維護(hù)，已不能正常使用。本次對(duì)雙橋河南閘其中一孔更換成無金屬水工閘門，經(jīng)過試用觀測，閘門表現(xiàn)出優(yōu)良的性能，受到用戶——津南區(qū)防汛抗旱指揮部辦公室的肯定。

         五、結(jié)語

         這次全新研制的現(xiàn)代無金屬結(jié)構(gòu)水工閘門的研究過程，得到如下具有說服力的結(jié)論。

        1.這次全新研制的現(xiàn)代無金屬結(jié)構(gòu)水工閘門，采用了纖維混凝土結(jié)構(gòu)形式，碳纖維布和碳纖維筋選用美國赫氏公司和臺(tái)灣塑料工業(yè)公司的原材料進(jìn)行制作，材料拉壓強(qiáng)度在4000Mpa左右，混凝土選用陶�；炷粒囼�(yàn)檢測強(qiáng)度為C25以上。研究結(jié)果表明，材料的選用是較為經(jīng)濟(jì)合理的。

        2.本課題研究的水工結(jié)構(gòu)纖維混凝土閘門。從設(shè)計(jì)上具有以下特點(diǎn)：

        (1)設(shè)計(jì)形式新穎、簡潔，結(jié)構(gòu)尺寸明顯含有民族特征；

        (2)結(jié)構(gòu)受力明確，強(qiáng)度大，閘門板、梁、柱渾然一體，抗?jié)B強(qiáng)；

        (3)設(shè)計(jì)賦予閘門的抗腐蝕性能優(yōu)良，以確保壽命長，

        (4)設(shè)計(jì)控制的閘門經(jīng)濟(jì)造價(jià)較低，可以達(dá)到比較經(jīng)濟(jì)的效果；
        
        (5)設(shè)計(jì)較為充分地考慮了閘門加工施工的方便。

         3.本課題從事的這種纖維混凝土結(jié)構(gòu)水工閘門的研制在我國尚屬首次，該閘門強(qiáng)度和剛度技術(shù)指標(biāo)均已符合我國有關(guān)技術(shù)法規(guī)的要求，并且通過了檢測試驗(yàn)，結(jié)果表明，該閘門研制獲得了成功。這也標(biāo)志著現(xiàn)代無金屬水工閘門問世。

         4.現(xiàn)場堆載試驗(yàn)檢測表明本課題研制的水工閘門具有很好的承載能力，進(jìn)一步證明了該閘門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，加工技術(shù)可靠。

         5.本課題研究的這類閘門的造價(jià)明顯低于具有同樣功能的鋼閘門，耐腐蝕，耐老化，結(jié)構(gòu)終生免維護(hù)，而設(shè)計(jì)使用壽命可達(dá)50年，遠(yuǎn)長于鋼閘門壽命。因此，具有明顯的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。

         該項(xiàng)成果2005年進(jìn)行了國內(nèi)外技術(shù)成果查詢并于2005年底通過了由天津市科委組織的專家鑒定，專家對(duì)此項(xiàng)創(chuàng)新性較高的技術(shù)成果相當(dāng)關(guān)注并評(píng)價(jià)為國際先進(jìn)水平。該項(xiàng)成果獲得2006年度天津市水利科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)，2007年和2008年分別獲得國家發(fā)明專利2項(xiàng)、實(shí)用新型專利2項(xiàng)。為了更好的應(yīng)用推廣這項(xiàng)技術(shù)項(xiàng)目組準(zhǔn)備立項(xiàng)開展“無金屬水工結(jié)構(gòu)操作規(guī)程研究”。

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