關于復合材料在土木工程中的應用和發展

摘 要：隨著經濟的發展，土木工程取得較大程度上的進步，面對技術的不斷更新，尤其是面對新材料和新技術的出現，復合材料在整個土木工程中的應用愈加廣泛，是當前土木工程的新的發展趨勢。本文主要對復合材料在土木工程中的發展和應用進行了探討。

關鍵詞：復合材料；土木工程；應用

纖維增強復合材料（ Fiber Reinforced Polymer，FRP） 是近 20 年來在土木工程中發展起來的一類新型結構材料，由碳纖維、玻璃纖維、芳綸、玄武巖纖維等高性能纖維與樹脂基體混合，經過一定的加工工藝復合而成，并由此形成了一系列的新型結構技術。 FRP 具有輕質、高強、施工成型方便、耐腐蝕等優點，使其逐漸在土木工程中成為混凝土、鋼材等傳統結構材料的重要補充，合理地將 FRP 應用于各類結構物中已經成為土木工程發展的一個重要方向。

FRP也就是纖維增強復合材料，它有著較長的發展歷史，在上世紀的五六十年代，人們進行了一種嘗試，那就是在民用建筑中運用 FRP，在 1961 年的時候，英國斯梅西克的一座教堂尖頂就運用了玻璃纖維增強復合材料，隨后利物浦也建立了一座利用玻璃纖維增強復合材料作為連續梁的人行天橋。而我國則是在二十世紀五十年代末才開始嘗試將玻璃纖維束應用與混凝土構件中，到了七八十年代，才開始在結構工程中大量應用和研究纖維增強復合材料。

1.對工程結構發揮的加固和補強的作用

復合材料在各方面的應用主要是利用各種方法將 FRP 附著在構件表面受力，這樣就可以讓原有構件的受力性能得到有效增強。在上個世紀八十年代的時候，我國就曾嘗試在工程實踐中運用混凝土結構外貼玻璃纖維增強復合材料內夾高強鋼絲的加固方法，但是主要目的就是為了起到防腐作用，同時將鋼絲和混凝土結合在一起，所以這種嘗試并沒有加以廣泛推廣。而在九十年代初，利用碳纖維增強復合材料對瑞士的多跨連續箱形梁橋進行了加固并獲得成功后，使得纖維增強復合材料的加固結構修復技術得到大范圍的研究，并也得到了快速發展，并大量應用于實際的工程中，同時也是不斷地實踐中驗證了FRP 加固技術在修復加固已被損壞的工程結構中所具有的優越性。在我國，第一項 CFRP 加固工程的成功完成是在 1998 年，開辟了我國 FRP 的發展道路，隨之該技術也在一些重大工程中得到了應用，尤其是在汶川大地震后，FRP 加固技術更是為建筑重建以及加固修復震損結構提供了大力支持。目前，FRP已經在各類型結構加固中得到了成功運用，例如鋼結構、混凝土結構等方面，并且其涉及領域不僅包括橋梁和建筑結構，還包括水工結構、地下結構以及隧道等。其主要加固形式包括 FRP 布纏繞加固混凝土柱、將 FRP 片材粘貼在梁、板手拉面以及利用 FRP 片材包裹或者 U 形箍包裹梁、柱構件。當前FRP 在混凝土結構加固方面應用較多，同時在鋼結構、木結構以及砌體結構加固方面也有較多的應用與研究，其中 FRP在鋼結構加固方面的運用正在成為 FRP 研究的重點。

2.FRP筋索和預應力 FRP筋混凝土結構介紹

對于 FRP，整個纖維的比重較大，其筋的重量較小，同時，強度較高，是常規鋼筋的多倍。它在耐腐蝕方面特點突出，也是實現對鋼筋有效代替的主要性能，避免出現銹蝕現象，致使結構受到破壞，也有利于節省維護費用，降低時間成本。另外，其非磁性的特征突出，能夠達到相關工程的無磁性標準。FRP 索在橋梁工程中應用較多，可以發揮纜繩的作用，抑或是用作預應力筋。早在二十世紀六十年代，這種配筋就應用在混凝土的橋梁建設中，目的是借助 GFRP 的性能，避免一些特殊地區的不利因素的影響，如寒冷或者沿海地區的鹽蝕現象。另外， GF RP 價格不高，操作簡單，耐久性強，使用比較廣泛。

2.1在梁、板受拉面粘貼 FRP 片材，提高其抗彎承載力，并可使裂縫得到有效控制。這種加固形式在國內應用較多，但從加固效果來看存在以下一些問題： ①FRP 片材的受拉作用只是在受拉鋼筋屈服以后才能得到有效發揮，而此時梁和板的撓度變形一般已很大，因此 FRP 片材用于受彎加固只能作為一種安全儲備。為了提高受彎加固效果，近年來已有研究采用預應力方法； ②受彎加固提高程度與原配筋梁有很大關系，且 FRP 的強度一般不能得到充分利用； ③FRP 片材用于受彎加固時易產生剝離破壞，應充分注意采取抗剝離的構造措施； （ 3） 對梁、柱構件采用 FRP 片材包裹或 U 形箍包裹，提高其抗剪承載力。這種加固形式也較為有效，不過同樣需注意其提高程度與構件原配箍率有關，且 F RP 片材強度的發揮一般只有 20% ～ 40%。

除用于混凝土結構加固外，FRP 加固砌體結構、木結構和鋼結構都得到了較多的研究。其中 FRP加固砌體結構和木結構在實際工程中得到了較多的應用，FRP 加固鋼結構正在逐漸成為研究的熱點。

3.對FRP組合結構的介紹

FRP 組合幾個就是將不同類型的形式的 FRP 產品與鋼材或者混凝土進行結合，發揮各自最大優勢，從而形成新的結構。對于 FRP，鑒于性能的完善下，其可塑性較強。

3.1FRP管混凝土分析

將混凝土填至纏繞成型的 FRP 管仲，形成混合構件，這種方式比較合理，除了發揮對混凝土約束的作用外，還可以發揮模板的作用，加快施工，提高較高的耐久性。對于 FRP 管混凝土的研究比較多，深入開展對組合結構的受力等方面的探索。

3.2 FRP-混凝土組合梁

FRP-混凝土組合梁，通過組合作用使上部的混凝土受壓，下部 FR P 受拉，其關鍵問題是保證 FRP與混凝土協同工作的剪力連接件。經過組合使 FRP材料的利用更加充分，而且可以將輕質的 FRP 構件作為永久性模板，方便施工。關于 FRP 組合梁和FRP 組合板的研究在各國都有開展。

3.3FRP-木組合構件

FRP 與木材有類似的纖維構造形式，都具有各向異性的受力特點，都有抗火性能較差的不足，但兩者進行合理組合后，FRP 充當構件中的增強部分，木材充當填充部分，從而實現更為優越的力學性能。FRP-木組合構件在加工中也非常方便，采用成熟的技術就能夠實現。

FRP 組合結構相對傳統結構在耐腐蝕、輕量化等方面具有顯著的優勢，同時相對全 FRP 結構在受力方面可避免脆性破壞，且降低了造價，因此具有顯著的優勢。目前世界各國的研究者都在不斷的應用FRP 與各種結構材料進行組合以實現新型結構構件，乃至結構體系。

結束語

本文從一些工程實例出發對復合材料在土木工程中的應用現狀及其新進展作了一概述，并提出所需解決的問題.未來的社會是復合材料的社會， 隨著人們對復合材料的力學性能研究的深入， 以及在土木工程中對復合材料作為外包結構修復、加固、翻新原有結構和全復合材料結構、復合材料用于結構的主要受力構件研究的深入， 將會制定出有效的設計標準、力學測試方法和評價準則？在不影響環境的前提下力求達到提高結構運行能力、延長結構使用壽命、降低建筑投資成本的目標， 對復合材料的研究必將帶來土木工程的一場革命。

參考文獻

[1]馮鵬，葉列平，孟鑫淼. FRP 加固與增強金屬結構的研究進展[C]. 第 22 屆全國結構工程學術會議論文集第Ⅰ冊. 2013.

[2] 彭祥 . 淺析 FRP 復合材料在土木工程中的實踐效果 [J]. 四川水泥 ，2014（11）：166.

[3] 琚宏昌 ， 張鳳 ， 張貝宜 ， 等 .FRP 復合材料在土木工程中應用的研究進展 [J]. 混凝土 ，2012（2）：11-1.

作者簡介；潘宗林，民族蒙古，性別男，助理工程師 21138 11979 11149612。