FRP材料在土木工程中的應用發展之淺析

雷紅雨

【摘要】本文綜述了國內外對 FRP復合材料及其在現代土木工程中應用的研究，文中在綜合有關資料的基礎上，介紹 FRP復合材料的優良技術特點以及在現代土木工程中應用的關鍵技術，并展望FRP應用前景。

【關鍵詞】FRP；土木工程；特性；趨勢

FRP，是Fiber Reinforced Polymer的縮寫，意為纖維增強塑料，是對膠合后的連續纖維材料經過一定的加工工藝后而組成的復合材料。相對于早期的加固方法，FRP由于具有輕質、適用面廣、高強、抗疲勞、耐腐蝕、耐久性好和易加工等優良的技術特點，近年來，已經越來越多地應用在土木工程領域，尤其是結構的補強加固領域中。

一、FRP種類及特性

在建筑領域中常用的FRP材料主要包括碳纖維（carbon fiber，簡稱CFRP）、玻璃纖維（glass fiber，簡稱GFRP）以及芳綸纖維（aramid fiber，簡稱AFRP）等。這幾類纖維材料的物理力學性能十分優越，如拉伸強度與比重的比值，即我們所說的“比強度”是鋼材的幾十倍，輕質高強的特點十分突出。它們的拉伸模量與比重的比值，即我們所說的“比模量”也明前高于鋼材。CFRP的比模量是鋼材的10倍，AFRP的比模量是鋼材的2～3倍。除上述提到的種類外，還有一種叫做混雜復合纖維（hybrid fiber簡稱HFRP），它是由兩種或兩種以上不同纖維、不同基體、不同形狀的纖維材料混合加工而成的?；祀s纖維兼具各組成成分的優點。

總之，與鋼材等傳統的加固材料相比，FRP材料具有明顯的優勢，具體體現在以下幾個方面：（1）比強度較高，即具有輕質高強特性。與傳統的鋼材加固相比，采用FRP材料能有效減輕結構自重；（2）耐酸、耐堿、耐潮濕、抗疲勞性能好；（3）可設計性強，通過使用不同類型的纖維材料、含量和鋪設方向設計出不同強度指標、彈性模量以及其它特殊性能要求的 FRP產品，滿足不同角度的需求；（4）具有良好的線彈性性能，應力應變曲線接近線彈性；（5）具有易于加工、運輸及儲藏等優點，FRP的成型產品還特別適合工業化施工，這極大提高了加固工程的質量、促進了勞動效率和建筑工業化。

雖然如此，FRP材料也有其不足之處。如材料各向異性導致其受力性能不均勻，彈性模量較低及抗火性能差也限制了其應用。

二、FRP材料優點

FRP在建筑工程結構的主要應用形式為纖維布，而纖維布主要用于結構工程加固。FRP材料與傳統結構材料相比，具有極其大的優勢：

1.輕質高強。這種特性大大降低了結構自重，在建筑工程中，若采用FRP材料的大跨空間結構體系，其理論極限跨度是傳統材料結構大2～3倍。在橋梁工程中相同條件下采用傳統結構材料，理論上的極限跨度在5000m以內；如果換作使用FRP，極限跨度可達8000m以上。此外，在抗震結構中，FRP材料因為輕質高強，結構自重大大減輕，能有效減小地震作用，且可顯著改善結構的耐疲勞性能。

2.耐腐蝕。纖維增強復合材料適用于不同的環境，在酸性、堿性、氯鹽和潮濕環境中均可使用。這也是纖維增強復合材料被廣泛用于化工建筑、海洋工程、鹽漬地區的地下工程和水下工程的原因之所在。據統計，我國每年有相當數量的橋梁因鋼材銹蝕而造成的損壞修復費用極高，而且這個維護費用正逐年攀升。，因此，從可持續發展戰略考慮出發，強烈建議在寒冷地區和沿海地區橋梁、建筑結構盡量采用FRP結構或FRP配筋混凝土結構，這樣可以延長結構使用年限，降低維護費用，節約社會資本。

3.可設計性強。纖維增強復合材料不同于傳統的結構材料，FRP的強度指標、彈性模量是可以根據工程需要而變化的，通過采用不同纖維材料、纖維含量以及鋪陳方式的改變等不同的設計工藝，生產出不同的FRP產品，以滿足特定工程的特殊性能要求。

三、FRP材料在土木工程中的研究和應用現狀

美國是首先研發FRP材料的國家。但由于GFRP用于混凝土中效果并不理想而一度中斷。而后，隨著FRP筋在日本的成功運用，得到世界各國的普遍重視，紛紛加入到FRP筋應用的研究領域，并相繼取得了一些可喜的成果。在最近5年內，美國己建成近百座FRP橋梁。

近幾年來，FRP筋混凝土結構和預應力混凝土結構在國外發達國家相繼取得成功，極大地調動了我國技術人員的研究熱情，多家科研單位和高校紛紛開展了對FRP筋的研究。我國在FRP筋應用方面尚未頒布相關的指導意見和規范，采用FRP筋建成的混凝土結構還很少。近期，國內第一座CFRP斜拉橋和CFRP體外預應力簡支粱橋將分別于江蘇鎮江和淮安建成，兩座橋梁均由東南大學設計完成。

四、FRP材料的廣泛應用

1.FRP用于鋼結構的加固應用還有好些方面。如采用FRP加固后，鋼結構會存在疲勞損傷，那么它的剩余疲勞壽命均成倍增長，加固效果良好。但應注意到，對FRP加固鋼結構采用FRP加固后，會改變鋼結構原有受力狀態，原來全部荷載由鋼結構承受，在加固后通過膠粘劑的傳遞，由鋼結減應力或正應力存在應力集中，容易引起膠層的破壞。為了避免膠層的剝離破壞，常采用把FRP板兩端做成45。角的方式以有效減小膠層的應力；也可把FRP布兩端固定，用以抵抗端部較大的正應力和減應力，同時，應著眼于開發性能高成本低、適用于鋼結構加固的膠粘劑材料。

2.FRP加固修復鋼結構。其一，用于受彎構件的加固。如果鋼梁沒有初始損傷，此時用FRP修復加固會一定程度的提高其承載能力，但是不對其剛度造成影響。如果受彎構件本身已經損傷，再用FRP加固修復，其剛度是能夠很大程度恢復的，最好的情況下可恢復未損傷狀況下鋼梁剛度的90%以上，鋼結構極限承載力同時受到加固量和損傷程度影響。對損傷鋼梁采用FRP加固后，FRP材料在損傷部位與鋼梁將發生剝離破壞，從而從分發揮出FRP材料的高強作用。但是也有可能過早發生剝離破壞，在實際施工中，重點是把握好剝離破壞發生的時間，并采取措施延緩或避免剝離破壞的發生。其二，FRP布加固受拉構件。這種方式可有效提高鋼構件的屈服荷載和極限荷載，且破壞大多發生在斷面附近或FRP布端部的脫膠破壞，破壞極限是FRP不被拉斷。鋼構件的極限承載能力隨脫膠的位置和程度的改變而改變。因此，膠粘劑在FRP用于受拉構件的加固中起著十分重要的作用。FRP對于受壓構件的加固中，一般情況下采用沿柱子環向粘貼FRP布，這樣粘貼效果好于縱向粘貼的加固，極限承載力可提高15%～18%。同時，采用環向FRP布加固，不會出現FRP布斷裂和鋼構件與FRP布之間的剝離現象，最后破壞僅出現在鋼柱局部屈曲破壞；如果采用縱向加固，則會出現FRP布與鋼構件之間的剝離破壞。

五、FRP應用展望

隨著經濟高速發展和技術飛速進步，傳統建筑材料很難滿足這種發展要求。FRP 復合材料，具有輕質、適用面廣、高強、抗疲勞、耐腐蝕、耐久性好和易加工等多種優點，在一些比較重要的土木工程中具著巨大的優越性，將會極大地推動現代土木工程的技術進步.它還將為現代復合材料產業開辟出巨大的應用市場，因而具有非常廣闊的發展應用前景。

參考文獻：

[1]呂西林.建筑結構加固設計[M].北京：科學出版社，2001.

[2]杜興宇.磚扶壁柱法加固房屋磚墻的實例分析.科技經濟市場，2006/08，90-91.