探討交通土建工程中FRP的運用

曹坤

摘要：改革開放以來，在社會經濟發展的推動之下，交通業發展也越來越快速，尤其是土建工程的發展速度更是不斷加快，漸漸發展成國內經濟的一個重要支撐。而且在交通土建工程的長期發展中，將FRP復合材料應用在其中，能夠進一步促進國內交通土建工程項目的安全、穩定及可持續發展。鑒于此，本文主要從FRP材料在舊橋梁的改造加固、隧道、道路及新建橋梁中的應用展開分析，深入了解FRP復合材料在交通土建工程中的具有應用，以期為以后的交通土建工程建設提供相關的參考依據。

關鍵詞：交通土建工程；FRP復合材料；應用

中圖分類號：TU2 文獻識別碼：A 文章編號：1001-828X（2016）013-000-02

前言

FRP主要指纖維增強塑料，主要由基體材料和纖維材料根據相應的比例進行混合，經特殊模具進行拉拔及擠壓之后，所制成的一使用形成較好的復合型材料。此材料最大的特點是，密度較小、抗疲勞性能與耐腐蝕性較好，以及抗拉強度非常高等。當前受到很多土建工程研究人員的廣泛關注，在很多新型建筑工程、橋梁結構加固、改造及修復中的應用非常廣。而且，FRP材料因其獨特的使用性能，在交通土建工程行業的發展潛力越來越大，已逐漸發展成目前土建工程行業研究和應用的關鍵點。

一、分析新建橋梁中FRP復合材料的應用

當前，由于FRP材料的高強度、輕材質、耐腐蝕以及抗疲勞等優勢，在土建工程中受到越來越多研究人員的關注和重視，在國內很多工程建設中，都應用FRP材料來構建FRP橋梁、拉索等，同時將FRP應用在合龍段的混凝土中。

1.FRP材料構建的橋梁結構

FRP橋梁屬于一種在已經存在的橋梁結構上，應用FRP材料構建而成的新型橋梁。該橋梁結構大多是是應用FRP材料，因FRP材料的密度較小，能夠較好的減少橋梁上部結構的承載力，所有，可使用該材料來適當加大橋梁的跨徑。而橋梁下部的結構主要應用鋼筋混凝土，這樣可承受橋梁上部結構的重量。因而，在一些地基條件比較差的施工現場，可選用FRP橋梁。由于在早期的橋梁建設過程中，很多設計人員、施工人員對FRP材料缺乏一定的認識，其在橋梁中的使用并不多，FRP橋初期只是應用FRP的橋面板取代以往的鋼橋面板或是混凝土橋的面板，之后隨著科技不斷發展，才將FRP材料應用在橋梁的上部結構[1]。

2.FRP材料構建的組合橋梁結構

FRP組合橋梁結構主要是應用FRP材料，取代以往的鋼筋的混凝土結構當中的部分構件，所形成的一種全新橋梁結構。在FRP組合橋梁的結構中，主要包括：FRP材料的混凝土、主梁混凝土板、主梁-混凝土橋面板結合結構、管-混凝土-鋼管結合的結構[2]。FRP材料的混凝土組合結構主要使用FRP材料取代混凝土內的鋼筋或是預應力筋形成的一種全新的混凝土結構。由于FRP材料的高強、輕質護耐腐蝕性等特點，能夠提升整個橋梁結構持久性，延長橋梁使用期限；FRP主梁混凝土板的組合結構主要應用FRP制作主梁，以取代鋼筋的混凝土主梁；FRP主梁-混凝土橋面板組合結構，主要由FRP主梁和橋面板經剪力的連接件進行組合，所形成的一種構建，最大的特點是，施工簡便、快速以及便于組裝等；FRP管-混凝土-鋼管組合結構主要指，由FRP材料的外管、內鋼管及二者間填充混凝土的一種構件，該種組合構建的材質較強、耐腐蝕性較強。應用FRP材料當做外管，鋼管為內管，向內填入混凝土，不僅能確保FRP可提供充足承載力，還可降低對鋼管造成的腐蝕。

3.FRP材料構建的拉索

隨著國內交通業發展逐漸擴大，超過千米級的較大跨徑橋梁越來越多，這就使得斜拉橋、懸索橋成為最合適的選擇。這兩種橋梁的橋型由于鋼材強度較強，一直都是大跨徑橋梁的首選。但因鋼材的自重較大，熬成彈性模量逐漸降低，在長索當中十分明顯，這就大大降低了拉索應用效率，在一定程度上限制了橋梁的跨越能力[3]。并且，隨著高強度的鋼質的拉索的腐蝕性、耐久性問題漸漸嚴重，據相關資料顯示，國內外很多橋梁吊桿、鋼斜拉索等均由于腐蝕性、疲勞損害較為嚴重，都被迫換拉索。應用FRP材料制作拉索，能夠較好的發揮FRP材料自身的抗拉強度及耐腐蝕等特點。

二、分析舊橋改造和加固中FRP材料的應用

在以往的橋梁建設過程中，因橋梁設計水平較低、施工操作錯誤以及材料老化情況較為嚴重等，對鋼筋混凝土的橋梁損壞變得十分嚴重，對于舊橋梁的改造與加固非常有必要。FRP材料因其輕質、非磁性及耐腐蝕性強，且加固施工較為方便以及施工時間較短等優勢，在國內外舊橋改造中受到廣泛關注。

1.FRP材料加固橋梁結構

FRP材料屬于一種新型材料，由于片材較薄、抗拉強度較高等被廣泛應用到橋梁改造中歐，FRP加固法能夠加固整個橋梁，提升橋梁的承載能力，特別是在橋梁高度受到限制的之后，該種方法屬最佳選擇。而且，因施工過程、工藝簡便，常常適合用在鋼筋混凝土受到壓柱中，以便提升橋梁耐久性，也可以用在橋梁的梁、板加固中。FRP材料加固屬于一種全新的橋梁結構加固技術，抗拉性能較強，主要因碳纖維布主要應用環氧樹脂直接粘貼在梁體的地面，使其分解原結構受力，進而適當調整舊橋承載能力[4]。

2.FRP材料構建的橋面板

橋梁的橋面板主要是承受車輛輪壓的一個主要承重結構，其車輛的承載經橋面板直接傳至主梁，鋼筋或是預應力的混凝土的橋面板、鋼橋面板因橋面鋪裝造成損壞，從而導致鋼筋或是鋼板受到銹蝕，最后損壞整個橋面，影響到整個道路交通通行。

而隨著FRP材料的應用，部分研究人員嘗試使用FRP材料所建造的橋面板來取代鋼筋混凝土的橋面板。FRP材料構建的橋面板主要由兩塊FRP面層與FRP夾層互相粘結構成，根據構造主要分成：FRP型橋面板、FRP空心夾層橋面板。當前，很多正在運行的橋梁均存在病害，損壞最為嚴重的就是橋面板，大部分交通重要干線的橋梁的結構性能逐漸下降，以及橋梁的抗力漸漸衰減，嚴重影響橋梁運行，因此，及時更換橋梁非常關鍵。FRP材料因其自重輕、耐腐蝕、施工及維護過程較為簡便，應用FRP橋面來更換橋面板十分有效。例如，英國的WestMill橋于1878年建成，應用混凝土橋面板，而在2002年，對該橋進行改造，應用黏合拉擠型材的復合材料橋面板取代以往的混凝土橋面板。將34根的GFRPASSET橋面板的拉擠型材，全部黏合起來，并將其橫鋪在橋梁的主梁上。同時，還對該橋梁實行動力特性、穩定性研究，橋基頻大約為8Hz，和鋼筋的混凝土橋沒有太大差異[5]。

三、分析道路工程中FRP材料的應用

據相關研究結果顯示，截止2014年年底，國內高速公路投入運行通車的總里程大約為12公里，但因形式的車輛逐漸增多，很多路面受到雨水、大氣、風化作用及溫度等變化的影響十分嚴重。一般混凝土路面的材料易發生病害，對人們的行車安全造成很大影響[6]。而將FRP材料應用到其中，將水泥漿、混凝土或是砂漿當做基礎材料，以FRP材料作為增強路面的材料，將兩者組合成水泥復合材料。該材料能夠有效的控制基本的混凝土裂縫發展，提升橋梁結構的抗裂性。把FRP材料應用到混凝土路面中，能夠加好的改善混凝土特性，提升路面的抗滲性能、抗凍性能、耐磨性及抗裂性等，進而縮減路面病害，延長道路使用壽命。在FRP材料的混凝土中，主要品種包括：鋼纖維、玻璃纖維、聚丙烯纖維、植物纖維以及碳纖維混凝土等。

鋼纖維在混凝土中的使用時間比較早，同時也是當前道路中使用比較多的一種纖維，最大的特點是抗拉強度、抗折強度、抗壓強度及抗裂能力非常強。玻璃纖維在土建工程中使用較早，其輕度非常高，彈性模量業混凝土比較接近，可能是以后發展FRP混凝土材料的一種主要原料。盡管玻璃纖維在混凝土路面中的應用效果良好，但一般玻璃纖維的堿腐蝕性非常差，在一些硅酸鹽的水泥混凝土當中并不適用，這就使得在道路工程建設中很難大量使用。碳纖維主要是應用纖維材料經合成的新型復合材料之一，其抗拉強度、彈性模量均非常高，而且該種材料的化學性質非常穩定，和混凝土的粘結與耐腐蝕性較好。在科技發展的推動之下，隨著道路生產成本逐漸降低，道路施工單位逐漸將其應用到用交通土建工程的建設當中。

四、分析隧道工程中FRP材料的應用

在隧道施工當中，不管應用何種施工手段，當隧道主體一直處在惡劣的條件下，隧道內部鋼筋易發生嚴重腐蝕，造成整個隧道主體受到嚴重損壞，從而引發一系列安全運行問題。例如，國內某個地鐵站中的屋頂的頂層使用FRP筋當做隧道主體的受力筋，盡管可以較好的解決隧道腐蝕問題，但因FRP筋彈模非常低，則會造成隧道主體的混凝土面發生嚴重的裂縫。隧道施工人員在進行一般砂漿錨桿施工的時候，因難以確保所注入砂漿的質量，造成鋼筋和砂漿間產生較大的空隙，進而腐蝕鋼筋，而應用FRP材料的錨桿能夠較好的避免此問題。FRP格柵不僅能夠用在隧道的設計方面，還能用在整個隧道的加固施工中，當FRP格柵和FRP材料的錨桿聯合應用，能夠較好的控制整個圍巖不易發生變形。

由于隧道施工一直都在地下進行，其結構施工起來比較復雜，這就使得隧道結構受力和地面結構受力存在很大差異。而在隧道的洞頂與洞側，受到土壓力作用非常打，且對凈空的要求較高[7]。因此，施工人員在對隧道裂縫進行修補的時候，以往的加固措施難以起到較好的作用，而使用FRP材料中的芳綸纖維布，能夠較好的滿足加固維修施工要求。由于在整個隧道拱頂或是側壁裂縫當中，常常會有很多不規則的結構，這就需要隧道的修復材必須具備較好的抗剪性能。并且，芳綸纖維布不會導電，因而，在以后的隧道施工過程中，芳綸纖維布是較為合適的選擇。

五、結束語

總而言之，FRP材料因其獨特的特性，當前受到很多土建工程施工單位的重視，并已經成為各個領域研究的關鍵點，且取得較好的研究成果。因FRP材料在交通土木工程建設中的廣泛應用，在以后的工程建設過程中，其應用領域也會進一步擴大，但是由于FRP材料自身也存在一定的缺陷，如彈模較低及離散性非常大、抗剪能力較小等，在應用過程中，施工人員應意識到這些缺點，并不都彌補，同時處理好FRP材料在應用過程中所產生的問題，從而提升FRP材料的使用效率。雖然FRP材料在交通土建工程施工中存在缺陷，但隨著科技不斷進步，及施工工藝、施工技術的不斷健全與完善，所出現的問題在以后的土建工程應用過程中都可以得到很好的解決，因此，FRP材料在以后的交通土建工程，甚至是其他行業中的應用領域將會逐漸擴大。

參考文獻：

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[4]張保龍，吳剛，紀衛尚.纖維增強材料綁扎膠結復合連接節點及其力學性能的研究[J].工業建筑，2016，15（6）：102.

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[6]謝建和，孫明煒，郭永昌等.FRP加固受損RC梁受彎剝離承載力預測模型[J].中國公路學報，2014，21（12）：621.

[7]熊明權，邱振清，鄭愚等.FRP筋纖維混凝土受彎構件試驗研究[J].東莞理工學院學報，2013，25（5）：241.

作者簡介：曹 坤（1988-），男，漢族，江西景德鎮人，碩士學位，科員職位，技術員，研究方向：城市道路、公路工程。