復合材料在土木工程中的發展與應用

萬 健

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0 前言

纖維增強復合材料具有質量輕、強度高、成型方便、耐腐蝕等優點，近20年來纖維增強復合材料逐漸取代混凝土和鋼材等傳統材料成為土木工程中的結構材料重要補充。上世紀五六十年代復合材料首次在民用建筑中得到了應用，我國在1958年開始用玻璃纖維代替鋼筋來成型混凝土構件。本文從復合材料加固結構、復合材料筋鎖、復合材料組合結構以及全復合材料結構等方面介紹了復合材料在土木工程中應用，希望能夠擴大復合材料在土木工程中的應用范圍，加快其應用發展。

1 復合材料在土木工程中的應用

復合材料在土木工程中的應用主要可以分為四類，工程結構加固補強、替代鋼筋和鋼索、與傳統材料組合以及直接使用復合材料建造工程結構件。

首先是工程結構加固補強，將復合材料附著在結構件的表面，可以增強其受力能力。目前復合材料在結構件上的加固補強主要使用在混凝土結構、砌體結構、鋼結構以及木結構等，同時應用于各種領域中，包括建筑結構、水工結構、橋梁、隧道等。其中最為主要的應用是將復合材料纏繞在混凝土柱上，通過對混凝土進行約束，然后增強混凝土的強度和變形能力，進而提高其抗震能力。復合材料對混凝土柱的加固補強，主要與其截面形狀有關，一般情況下對于變形能力和抗剪能力的提高較高，而要想提高其承壓能力，可以將截面設計成具有一定弧度的。另外還可以在梁或者板的受拉面粘貼復合材料，可以提高其抗彎能力，同時有效控制裂縫的產生。同時還可以使用復合材料片材對梁或者柱等結構件進行包裹，提高這些結構件的抗剪切能力。

其次是使用復合材料替代鋼筋和鋼索，復合材料筋與普通的鋼筋相比具有輕質和高強的優點，其強度是普通鋼筋的6倍，而重要僅有普通鋼筋的1/5。同時還具有抗腐蝕、抗疲勞以及低松弛和非磁性的特點。使用復合材料筋替代普通鋼筋，可以減少鋼筋腐蝕給建筑結構帶來的損害，減少維護費用。同時還可以應用在一些特殊的工程中。一般情況下，使用的復合材料筋主要有四種形式，分別是表面砂化處理的復合材料筋、復合材料預應力筋、表面壓痕和滾花處理的復合材料筋以及纖維交錯編織的復合材料筋。

第三是復合材料組合結構，復合材料的可設計性非常強，可以形成不同形式的結構件，主要有復合材料管混凝土、復合材料/鋼管/混凝土結構件、復合材料/混凝土組合梁、復合材料/鋁合金組合構件以及復合材料/木組合構件等。其中復合材料管混凝土是最常見的一種結構件，是將混凝土填充在復合材料管中形成的一種組合構件，其中復合材料管不但可以約束混凝土，還可以作為樁、柱和梁使用，可以提高施工速度，耐久性好。復合材料/鋼管/混凝土組合構件，該構件在主要是在鋼管的外部包裹復合材料，在鋼管和復合材料之間填充混凝土，這樣鋼管作為承力結構，而復合材料作為模板，既可以避免鋼管被腐蝕，還可以起到一定的約束作用，提高結構件的抗變形能力和承載能力，同時還可以減輕結構件的自重。復合材料/混凝土組合梁中混凝土處于上部承受壓力，而復合材料處于下部受拉力作用。復合材料/木組合構件中復合材料作為增強部分，而木結構作為填充部分，可以有效提高其力學性能。總之，復合材料組合結構件較傳統的土木工程結構件耐腐蝕性更好，且重量更輕。

最后是全復合材料結構，全復合材料結構件與傳統的結構件相比，具有比強度高、比模量高的優點，同時還具有耐腐蝕、絕緣性、隔熱性等特點，另外其可設計性和可加工性，也使得其在一些需要特殊功能的結構中成為最佳選擇。目前應用較多的全復合材料結構件主要有復合材料橋面體系、復合材料輕質橋梁、快速架設的應急復合材料橋以及復合材料編織網結構、復合材料桿件、曲面結構件、耐腐蝕結構件等。其中復合材料橋面體系可以降低下部支撐結構的內力，抵御腐蝕，減少維護費用等。復合材料輕質橋梁主要應用在人行天橋，可以大大減輕橋體結構的重量，同時使得人行天橋的外觀更加美觀。另外當發人為或自然災害時，需要快速運送和架設橋梁，而復合材料結構件輕量化、預制化以及耐腐蝕等特點使其非常適合用于快速架設橋梁。復合材料編織網結構是將復合材料進行編織、張拉后形成的具有一定彈性的柔性結構，主要用于超大跨度的屋蓋結構中，例如體育場、大型廠房等大跨度建筑中。復合材料桿件空間結構主要是將復合材料桿件通過端頭的鋁合金錐頭連接起來，形成網架結構，其重量為鋼筋網架的1/5，而且施工簡單，工期短，耐腐蝕，不凝露，后期的維修保養費用也較低，同時線膨脹系數小，溫度效應小等。適用于大跨度和環境惡劣下的建筑。復合材料的可設計和易加工性可以使其較容易形成曲面造型，因此在建造形態較為復雜的建筑時，可以選擇全復合材料結構件。另外隨著節能環保等要求的不斷提高，各種脫硫、脫硝以及污水處理工業結構越來越多。而這些建筑物對于耐腐蝕都有非常高的要求。同時隨著對海洋的不斷探索，對于結構件耐氯鹽侵蝕的要求也越來越高。

2 總結

復合材料在土木工程中的應用環境更加復雜，且對其耐久性和穩定性具有非常高的要求。復合材料具有輕質高強、耐腐蝕、介電性能優異、可設計、易加工等一系列優點，但是目前復合材料在土木工程中應用的時間還非常短，本文對其目前主要的應用方式進行了分析研究，希望能夠促進復合材料在土木工程中應用的快速發展。當然這還需要所有的建筑從業人員和復合材料研究人員的共同努力，研究出更多的復合材料在土木工程中的應用方式，促進土木工程的不斷更新換代。

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[3]沙政輝.復合材料在土木工程中的發展與應用[J].中外企業家，2015（18）：222.