關于復合材料在土木工程中的發展與應用研究

■趙李艷 ■南昌市建筑工程技工學校，江西 南昌 330000

在當前的土木工程復合材料中，FRP 是纖維增強復合材料，是新型的結構材料，由多種性能較強的纖維和樹脂組合而成。這種材料的特征是重量較輕、強度較高、成型便捷、具有較強的耐腐蝕性，發揮在土木工程中實現對傳統材料混凝土和鋼材的有力補充，科學合理地將土木將FRP 應用在土木工程中已經成為其重要的發展趨勢。

1 對工程結構發揮的加固和補強的作用

對于復合材料的應用，主要是采取某種方式，將FRP 附著在構件的表面，達成受力狀態，目的是強化原有構件的受力能力。早在上世紀八十年代，對于這種構想就進行的常識，主要是在混凝土外加貼纖維復合材料，內部帶有高強度的鋼絲，實現加固的目的，但是，這種方式主要的作用是增強防腐效果，實現了鋼絲與混凝土的結合。發展到九十年代，碳纖維增強復合材料出現，應用在對橋梁的加固方面，促使纖維增強復合材料在加固和修復方面的影響增強，研究的范圍實現了拓展，在具體的工程中得到應有，促使FRP 在修復和加固方面彰顯優勢。此時，我國的CFRP 加固工程出現，為新型復合材料的發展奠定的基礎，當前，FRP 技術在結構加固工程中得到極大推廣，發展到橋梁和建筑，涉及混凝土、地下隧道等多種形式，加固方式展現為纏繞、粘貼等多種方法。FRP 在混凝土結構中的加固形式較多，在各種結構架構中應用比較普及，其中，在鋼結構加工方面的運用最為突出。

2 FRP 筋索和預應力FRP 筋混凝土結構介紹

(1)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，GFRP 價格不高，操作簡單，耐久性強，使用比較廣泛。

(2)在我國，使用較大的市FRP 筋、索產品以及配套錨夾具。在FRP 筋混凝土的研究中，主要涉及兩個方面的內容，一個混凝土與筋之間粘結的問題，一旦效果不佳，加之處理方式的不同，會得到不同的粘結效果。另外一方面是在力學方面的性能，主要是鑒于FRP 筋具有彈脆性材料類型，使得其在混凝土構件受力方面與傳統方式存在不同，為此，要立足不同，進行深入研究。

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。

3.1 FRP 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-鋼管-混凝土組合構件的分析

在構件的中間部分設置空心的鋼管，外面包FRP，之間添加混凝土，在具體施工進行中，鋼管發揮的承力的作用，FRP 充當模板，鋼管受到了保護，防止銹蝕的發生，變形幾率降低，自重降低，

3.3 FRP-混凝土組合梁分析

FRP-混凝土組合梁分析主要是借助組合方式關鍵，促使上部混凝土受壓，下部受拉。在組合件的作用下，材料的利用率提高，將其作為長久使用的模板，有利于施工的順利開展。

3.4 CFRP-鋁合金組合構件的分析

CFRP-鋁合金組合構件是將FRP 在鋁合金的外面進行包裹，以實際設計為依據，最大地發揮二者的優勢，如高強、耐腐蝕等，防止脆性的發生，這種方式比較適合在大跨度的結構中使用。

3.5 FRP-木組合構件

FRP 在纖維構造方面與木材具有相似的構成，具有受力方面的特性，抗火能力不強，在實現組合之后，FRP 能夠發揮增強的作用，木材發揮內部填充的功能，在力學方面達到性能最強。這種組合方式操作簡單，技術成熟，有利于降低工程造價支出。

4 對全FRP 結構的介紹

鑒于FRP 在力學方面的優勢，例如，耐腐蝕性、絕緣性以及隔熱性，使得其在設計和優化方面優勢明顯，全FRP 結構具有不可替代的作用，在民用工程中應用較多。在當前的土木工程中，全FRP 結構主要分為如下幾種形式。

4.1 對FRP 橋面體系的分析

以FRP 材料作為橋梁的面板，能夠實現結構內力的降低，增強對環境侵蝕的抵抗能力，減少后期維護的支出。借助這種新的橋板，橋面的重量降低，使用時間增長。

4.2 對FRP 輕質橋梁的分析

對于這種輕型的橋梁，主要應用在人行天橋，幾乎全部構件都采用FRP，較小了整個上部構造的重量。FRP 輕質橋梁與傳統方式存在受力的不同，首先，這種橋梁承載能力強，但是剛度不大，采取變形控制的方式。其次，受力特點為線性，變形與承載成正比關系，在出現完全破壞之前，變形十分明顯，呈現比較突然的狀態。當前，這輕質橋梁的研究發展不大，缺少相關標準和要求。

4.3 對FRP 編制網結構的分析

這種方式的結果是以一定的標準為依據，將FRP 板條進行編織，在張拉作用下，形成一種結構體系，柔性較強。這種結構借助的是輕質的特征，比較適合于較大跨度的結構，建筑效果比較突出，適合于大型建筑。

4.4 FRP 桿間空間結構分析

在空間結構系統中應用FRP，能夠實現網架結構的獲取。FRP 網架結構桿件主要是由CFRP 片粘貼而成，按照不同的角度和層次，實現節點與錐頭的有效連接。這種結構重量較小，施工方便，不需較長時間，具有較強的耐腐性，防止凝露的出現，維護費用不高。這種結果比較適合于環境差、跨度大的結構。

4.5 多種款式的FRP 曲面結構物

如果采用傳統材料來實現不規則的建筑結構形式，需要較高的成本，但是FRP 效能較高、成本較低，有利于多樣化的結構形態的需求。同時，FRP 的可設計性較強，有利于結構方面的優化。FRP 有利于彌補傳統結構的不足，借助優化作用，促進結構受力的合理化，為此，FRP 是非線型建筑的理想結構物。

5 結束語

綜上，隨著土木工程的高速發展，雖然混凝土和鋼材使用量較大、規模龐大、應用時間長，但是面對復雜的建筑環境，仍無法滿足土木工程的需要。FRP 作為一種全新的復合材料，以其多樣化的表現形式廣泛應用在土木工程領域，應用愈加廣泛，具有更加廣闊的發展前景。

［1］高娜.纖維增強復合材料在土木工程中的應用［D］.西安工業大學，2012.

［2］王茜.纖維復合材料在土木建筑工程中的應用進展［J］.知識經濟，2012，06∶93.