探究CFRP筋材在土木建筑工程中的應用

田麗芳（定西武陽水利水電工程有限公司）

探究CFRP筋材在土木建筑工程中的應用

田麗芳
（定西武陽水利水電工程有限公司）

CFRP筋材，即是指碳纖維增強復合材料，該型筋材優(yōu)勢眾多，比如，耐腐蝕性高、抗拉強度高、以及自重輕等，因此CFRP在土木工程中的應用逐漸變得廣泛，且土木工程業(yè)界和復合材料界對其的關注也日益增大。本文就CFRP筋材的國內外研究現狀、特性，以及其在土木工程中的實際應用狀況進行了簡要探究與分析，以作參考。

CFRP筋材；土木工程；現狀；應用

前言：CFRP筋材主要是由連續(xù)碳纖維采用樹脂做浸染以后，再用特制的模具將其擠壓后拉拔成型，CFRP筋材一般可分為絞線類、棒類、片筋或是板筋、以及其余各種類型筋材在經工廠加工成型后，而后在施工現場直接進行拼裝。就目前來說，運用得最為廣泛的便是絞線類與棒類。絞線類的形狀就如同鋼線，棒類則可以做成普通鋼筋的形狀，且主要包含有噴沙筋、光面筋和螺紋筋等幾種。

一、CFRP筋材的國內外研究現狀

在上世紀70年代的時候，CFRP筋材的應用就已經逐漸步向成熟，而在上世紀60年代的美國，便已將其運用到土木工程中，可惜當時的價格較高，且最終的試驗效果也不如人意，故而在這之后的二十余年里，CFRP筋材在土木工程中并沒有獲得實質性的進展。一直到上世紀80年代，歐美、日本等這些發(fā)達國家逐漸開始重視CFRP筋材在土木工程中的研究及其應用，且并具體應用范圍也比較廣，其中對于橋梁方面的應用最多。

CFRP筋材在國內的研究起步相對要晚些，直到上世紀90年代中后期才逐漸開始了對該筋材的研究和應用。CFRP筋材在1999年中國臺灣地震災害后的修補及其重建工程中發(fā)揮了非常大的作用，人們對這項新技術有了更深層次的認識。隨著科技的發(fā)展以及CFRP筋材在土木工程應用中的日益增多，國內很多企業(yè)都相繼開始生產CFRP以及CFRP筋材，并且在修復及其加固混凝土結構方面的理論方面相對比較成熟了，在技術上也越來越完善。

二、CFRP筋材的特性研究

碳纖維增強塑料筋，主要是經連續(xù)纖維組成的一種各向異性復合型材料，不管是它的生產工藝、纖維體積分數，還是樹脂類型、纖維方向，CFRP的性能都會受到這些因素的影響。

（一）物理性能。CFRP筋材的密度是鋼材密度的1/5～1/4，其自身密度在1250～2100kg/m3之間，纖維縱向或是橫向會造成熱膨脹系數產生差異，而差別的大小則主要是受到纖維與樹脂的類型，及其纖維的提及率的影響。

（二）力學性能。CFRP筋材的抗拉強度是普通I級鋼筋的4～5倍，可以說其抗拉強度相當之高，且在受拉被破壞之前不會表現出任何的塑性，其應力應變關系主要是線彈性，纖維體積分很大程度上影響著CFRP筋材的抗拉強度及其剛度。

（三）減震性能。由于CFRP筋材自震頻率較高，因此可有效防治其早期共振，同時內部阻力也比較大，即便發(fā)生激震，衰減速度也會很快。

（四）產品形狀。CFRP的制備材料較為柔軟，而且樹脂也是流動性的，因此，產品的形狀受限很小，著色方面也可以隨意進行，從而達成材料美學及其結構形式的完美統(tǒng)一、高效結合。

三、土木工程中CFRP筋材的應用情況

隨著科技的發(fā)展，各類新材料被運用到土木工程中，這也是世界建筑設計的主流發(fā)展，而土木工程中CFRP的應用情況主要分為兩大類，即修復舊結構、以及直接應用于新結構。

（一）修復舊結構

在普通鋼筋混凝土以及預應力鋼筋混凝土結構的表面粘貼上CFRP，不僅施工工藝簡單、且效果明顯，而且該粘貼技術將混凝土柱、板，以及梁的抗壓、抗彎強度及其結構表面的抗腐蝕能力往上提升一個檔次，同時，這種技術不會增加結構的永久負荷。我國目前的粘貼CFRP的工藝技術已經比較成熟，在應用方面也逐漸增多。

（二）增強新結構

（1）全負荷結構體系。在FRP建造橋梁的面板、欄桿以及梁等方面的構件，應用的就是全負荷結構體系，并最終組成復合材料橋。就比如，上世紀90年代后期，美國馬丁公司的研究與發(fā)展部，設計并制造出了一種全復合型材料高速公路的1/4橋面。該橋面尺寸是5.5m x 9.1m，總質量為11.340t，大約可承受326.59kN的車輛負載（2）。該復合材料橋梁，就是先在工廠進行FRP型材的事先預制，之后再連接成為一體，直接在現場裝配，如此在降低生產成本的同時，也有效保證了生產質量。

（2）新型CFRP混凝土體系。

1 . CFRP棒增強混凝土。把碳纖維筋制作成類似鋼筋樣式的外形，用來替代鋼筋，，從而形成CFRP混凝土。美國設計者就制造出了一種CFRP混凝土的面板，其縱向受筋力是碳纖維棒，箍筋則是玻璃纖維筋，并用它代替取代了傳統(tǒng)的鋼筋混凝土面板（4）。

2 . CFRP圓管混凝土柱體系CSS。該體系是被最先設計出的一種標準復合型材料的混凝土結構體系，其主要是通過混凝土填充的先進復合材料甲板以及抗剪連接器等組合而成。在CFRP混凝土柱和面板中嵌進連接組件，其中面板是玻璃纖維增強型的材料組合拼接而成的。這種結構板在進行現場拼裝前，可事先在工廠加工好，其重量約為傳統(tǒng)材板的1/4，可大幅度的降低結構重量。并且，試驗測試結果表明，在該結構體系加載到56kN的時候，且通過200 x 104次頻率是1Hz的循環(huán)加載之后，并沒有能夠降低其結構強度。而在加載到490kN時，組件受到破壞，這主要是因為達到了設計屈服強度的8.8倍（3）。該次試驗充分體現并證明出了結構設計的可靠性。

3 . 大跨度懸索橋以及斜拉橋體系。當橋梁建造跨度達到5km以上時，通常只能由CFRP來充當繩索材料，同樣，也只能是CFRP來擔當斜拉橋的主梁。這也充分說明了這一點，也就是當跨度達到或是超過4km以上時，CFRP就會獲得極強的競爭力。若是再進一步降低施工費用及其使用期的維修費用，那么這種超大跨度纖維橋梁毫無疑問會更有競爭力，其帶來的經濟效益也會明顯提高。

結束語

綜上所述，CFRP作為各向異性的一種新型材料，與傳統(tǒng)的建筑結構材料相比，它的材料性質存有很大不同。結合到我國目前土木工程中CFRP材料的研究現狀及其應用發(fā)展，尚還有許多改進的問題。并且，在通過借鑒國外的一些發(fā)展經驗后，國內首先應加強研究CFRP的增強方式，應用技術的開發(fā)、以及CFRP的更加標準化及其規(guī)范化工作的步伐，這也是進一步提升土木工程的整體建筑質量的一大重要途徑。

[1]張作誠,周建方.CFRP筋材在土木建筑工程中的應用[J].河海大學常州分校學報,2005,01:23-27.

[2]諸葛萍,章子華,丁勇,盧彭真.土木工程用CFRP筋彎折抗拉性能[J].復合材料學報,2014,05:1300-1305.

[3]季園園,韓慶華,蘆燕,劉錫良.CFRP在土木工程中的應用研究[J].結構工程師,2014,05:210-219.

[4]周先雁,王蘭彩.碳纖維復合材料(CFRP)在土木工程中的應用綜述[J].中南林業(yè)科技大學學報,2007,05:26-32.

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