FRP材料在土木工程中的運用分析

鄧 毓

(江西省教育國際合作與教師發展中心，江西 南昌 330000)

在各種新技術以及新材料的強力支撐下，我國土木工程建設水平近幾年得到了大幅度提高，而在眾多技術以及材料當中，FRP屬于一個典型代表，其在推動土木工程建設效率和質量不斷提高方面發揮出了重要作用，目前來看，其具備著非常高的應用價值以及廣闊的發展前景。由于FRP材料具備較為良好的高強度、高剛性、高抗腐蝕性以及密度低等特性，所以逐漸成為我國航天航空、建筑行業以及海洋運輸等多個領域當中較為廣泛應用的材料，對其在土木工程中的合理運用做出研究，有助于推動我國土木工程行業不斷向好發展。

1 FRP材料簡述

1.1 概念分析

對于FRP材料而言，又可以稱之為“纖維增強復合材料”，按照定義來看，主要指的是由兩種或者是兩種以上不同物質通過科學合理的材料設計以及人工合成等得到的具備一些新的優越性能的一種多相固體材料，一般情況下，能夠將結構用復合材料的基本組成成分有效劃分為兩大內容，即基體材料以及增強材料。通俗來講，FRP材料指的便是一種經由高強度的玻璃纖維以及樹脂基體有效復合而成的具備良好功能性以及結構性的新型復合材料[1]。

這種材料最早誕生于20世紀30年代的美國，進入到40年代后開始廣泛應用到軍事領域，例如：海軍以及空軍武器裝備等方面，進入到50年代之后，此種材料開始在全球范圍內廣泛應用，并且得到了快速的發展。

由于部分FRP制品擁有著類似玻璃的觀感以及鋼的力學性能，所以在國內也將這些制品稱作是“玻璃鋼”，在其組成成分當中，玻璃纖維負責提供材料的強度以及剛性，而相應的樹脂基體則負責提供材料的耐化學性以及韌性等。

1.2 特點分析

FRP材料具備的特點大體上可以分為以下幾點：一，比強度高以及比模量大；二，材料具備良好的可設計性；三，抗腐蝕性以及耐久性能優越；四是熱膨脹系數大體上與混凝土相近等。由于這些特點的存在，使得FRP材料可以充分滿足現代結構不斷向著大跨、輕質高強、高聳以及重載等方向發展的現實需求，也可以切實滿足現代建筑施工工業化發展的現實需求，所以FRP材料開始廣泛應用于土木工程項目當中，并且取得了令人滿意的應用效果。

2 FRP材料在土木工程當中具備的優勢分析

2.1 FRP材料的可設計性優勢

在將FRP材料當做一種結構材料進行應用的過程中，因為FRP材料屬于基體材料以及增強材料等各種組分材料的一種物理組合材料，所以性能方面不但能夠有效保持原組分材料的部分特點，同時還可以發揮出組合之后的一些新特性，并且能夠結合結構實際需求開展設計工作，從而可以滿足單一材料難以達到的某些性能要求。

2.2 FRP材料的比強度以及比剛度優勢

部分FRP材料，例如，碳纖維T300以及環氧5208等材料實際比強度能夠達到鋁材的6.3倍以及鋼的5倍，其實際比剛度能夠達到鋁材的4.16倍，所以在土木工程當中合理應用FRP材料可以有效縮短工期，并且能夠降低工程建設的復雜性。

2.3 FRP材料的抗疲勞優勢

對于一般的金屬來講，其疲勞強度大約為拉伸強度的45%左右，而對于FRP材料而言，疲勞強度能夠達到自身拉伸強度的75%左右。

2.4 FRP材料的抗化學反應優勢以及抗化學腐蝕優勢

土木工程當中采用的傳統建材，例如，鋼筋等材料一般不耐腐蝕，特別是一些近海工程當中，這些材料比較容易與項目周圍的空氣、污水或者是海水當中的一系列化學物質產生化學反應，從而容易導致土木工程出現一定的質量問題，甚至無法發揮應有價值和作用導致其出現一些重大損失。而對于FRP材料來講，大多數材料都屬于較為優良的一種電絕緣材料，借助這些材料制作的設備或者是構件等通常都可以擁有非常好的耐酸、堿以及鹽等一系列化學介質的侵蝕能力。

2.5 FRP材料的抗震優勢

與傳統建材相比，FRP材料的自振頻率非常高，一般不會出現共振問題，同時在相同加載速度以及頻率下，通常不會出現由于共振而引發的快速脆斷問題。除此之外，由于FRP材料存在大量的界面，所以其震動阻尼性也非常強，如果激起震動，也能夠很快衰減。

2.6 FRP材料的過載安全優勢

FRP材料存在著大量獨立的纖維，所以過載時FRP材料當中即便出現了少量纖維斷裂，其中的載荷也可以快速地重新分配到一些其他未被損壞的纖維當中，這樣可以避免由于土木工程中相應構件在瞬間失去承載能力而引發的斷裂問題出現。

2.7 FRP材料美學優勢

FRP材料組內當中具備的材料纖維一般都是柔軟的，而且樹脂是能夠進行流動的，所以其產品的形狀通常都不會受限，并且能夠任意著色，這樣可以達到結構型式以及材料美學之間的高度統一。

2.8 FRP材料的智能化優勢

通過在土木工程當中合理應用智能纖維材料，還能夠促使建筑結構有效獲取到一定的智能性。比如，美國曾經有建筑設計師在建筑當中借助智能復合材料打造出了梁，通過熱電控制技術，這種梁能夠像人體的肌肉纖維一般出現形狀以及張力方面的變化，這樣便可以結合建筑物實際受到的震動情況合理有效改變梁固有的剛性以及固有振動頻率，從而達到減小振幅的目的，可以促使框架結構的實際使用壽命得到有效延長，并且可以實現建筑物結構噪聲以及振動方面的主動控制。

3 FRP材料在土木工程中的運用研究

3.1 在加固工程中的運用

對于FRP材料而言，主要以纖維材料混合為主，因此，在材料強度等方面具備明顯的優勢[2]。這也使得FRP材料目前被土木工程行業廣泛用于加固工程，其可以顯著提高土木工程的建設質量以及安全性。依照類型來分，FRP材料主要應用在土木工程當中的混凝土材料、鋼架結構以及土石結構等。其中混凝土材料，目前在土木工程建設施工當中應用較為廣泛，因此在混凝土材料當中有必要做好FRP材料的應用工作，以此來達到加固的目的。借助在混凝土材料外層開展FRP材料的纏繞工作，可以進一步提升材料的穩定性，并且能夠滿足變形、壓力以及地震等多個方面的要求，使得混凝土材料結構具備良好的承載力。除此之外，在具體施工當中，還能夠將FRP材料有效應用到梁以及板等位置，這樣可以提升混凝土結構的抗彎曲能力，有效避免由于外力作用而導致的裂縫問題等。另外，由于FRP復合材料具備著較強的抗腐蝕性，所以可以將其運用到鋼筋工程當中，從而實現對鋼筋材料的進一步保護，增強其抗腐蝕性，這樣可以避免后期產生質量問題或者是成本增加等相關問題。其具體加固領域如下。

一，梁體加固。借助環氧樹脂在一些待加固的相應梁的外部開展鋼板結構方面的粘貼作業。借助這種方式，可以有效增加梁自身的彎曲強度，大約15%左右，同時施工操作相對較為簡便。

二，柱體加固。主要在結構表面借助FRP材料開展一定程度的纏繞。這樣能夠對柱體結構產生一定的封閉式的包裹作用，以此來形成一個有效的保護層，從而實現加固目標。在實際施工過程中，如果柱體本身并不是圓柱體形狀，則要求施工人員先對柱體表面開展一定的處理工作。

三，混凝土板方面的補強加固。在借助FRP材料開展混凝土板方面的補強加固工作時，具體應用策略與梁的方法基本一致。區別在于實際施工過程中，應該將FRP材料有效貼在或者有效嵌入到混凝土板體結構當中的受拉部位，以此來起到保護作用，避免混凝土板出現損毀以及破裂等相應問題。

四，節點加固。對于節點來講，屬于土木工程當中不同構件之間的一個連接部位，所以其安全性良好與否可以對整個土木工程項目的使用性能以及安全性能產生重要影響，通過對FRP材料的應用可以顯著提升節點部位的延展性，并且能夠促使節點承載力極限值得到顯著提高。所以可以有效提升土木工程的安全性以及穩定性。

將FRP材料運用到土木工程的鋼筋混凝土加固工程中，目前在我國土木工程實際項目中已經有了較為廣泛的應用，例如，上海寶山飛云橋以及南京大橋引橋等相應橋梁當中，都對其進行了運用，以此來增強構件的受力性能，促使橋梁使用壽命得以延長。

3.2 FRP筋的應用

對于FRP筋而言，其具備著高強輕質、工藝簡單以及耐腐蝕、良好的電磁絕緣性等特點，所以目前在FRP筋混凝土結構、盾構技術以及邊坡加固等多個方面有著較為廣泛的應用。與普通鋼筋相比，表現出了優異的性能，如果合理使用能夠在相應結構當中有效替代鋼筋或者是鋼索。

3.2.1 在盾構技術中的應用

由于FRP筋具備著耐久性好、易切割以及強度高等明顯優勢，所以目前在地鐵車站盾構技術當中有著較為廣泛的應用。具體應用過程中，主要利用FRP筋替代以往的普通鋼筋，構建成鋼筋混凝土維護結構，其不但可以滿足維護結構的要求，切實保證盾構機的順利通過，并且還可以減少鉆進過程中維護結構對盾構機刀片造成的損傷。對于此方面的應用，我國土木工程行業有著相對較多的應用實例，例如，成都地鐵公司曾經聯合西南交通大學開展了FRP人工挖孔樁維護結構實驗項目，非常成功地將其應用到了成都地鐵一號線維護結構當中。再如廣東佛山地鐵10標段以及北京地鐵15號線都對其進行了運用。通過這些實例驗證，在實際切割過程中，維護結構對刀片沒有造成任何損傷，同時不但節約了成本，而且有效縮短了施工工期。

3.2.2 在邊坡加固中的應用

由于FRP筋具備著較強的耐久性以及耐腐蝕性，所以在邊坡加固工程當中用其替代鋼筋的應用也較為廣泛。例如，209國道宣恩縣區域內某路段當中，由于右側上方邊坡高度達到了30m左右，而且坡度陡峭，相應的地層巖性也為泥質粉砂巖，具備強度低以及易風化等特點，為了保證施工安全和順利開展，借助多層FRP錨桿進行了加固，使得邊坡穩定性得到了大幅度提升。

3.2.3 FRP筋混凝土結構的應用

其目前在凍融以及高鹽堿地區有著較為廣泛的應用，可以有效避免腐蝕問題對結構造成的損害，顯著減少了維護費用，使得結構使用壽命得以有效延長。

3.3 FRP材料組合結構的應用

對于FRP材料組合結構而言，其在性能方面呈現出了明顯的提升，并且融合了不同類型的特點，能夠實現性能方面的優勢互補，可以構建出全新的結構體系。這對于土木工程建設和發展而言，都有著極為重要的價值和意義。

一，FRP管混凝土。主要指的是利用填充的方式來充分滿足建設要求的相應結構組件，通常情況下，這種組件可以顯著提高對混凝土的約束力，促使施工效率和質量得以提高。其主要原理是在管中填充混凝土，借此提高結構的負載能力以及穩定性，并且降低自身重量，具備著較強的耐用性，所以目前應用范圍相對較為廣泛。

二，FRP鋼管混凝土組合構件。主要指的是在整體結構件當中有效安裝空心鋼管，在此基礎上借助混凝土開展填充工作，以此來達到保護鋼筋的目的，其可以在有效約束混凝土的同時逐漸形成更為穩定的結構，顯著提高結構的抗變形能力以及承載力。

三，FRP混凝土組合梁。其主要是借助混凝施加壓力，以此來達到組合的目的，這種組合方式可以充分展現FRP材料的優勢，能夠被有效應用到土木工程永久性模板當中，并且充分滿足后期施工要求。

四，CFEP鋁合金組合構件。在對此種組合進行設計時，必須要將FRP材料應用到構件外表面，這樣可以提升構件耐腐蝕性，同時也可以解決FRP脆性較大以及難以有效進行連接的問題。

五，FRP木組合構件。主要指的是FRP材料與木材開展有機結合，這樣可以轉變受力特點以及增強抗火能力。通過兩者之間的有效組合，能夠提升力學性能，并且可以緩解負載壓力，同時還有助于降低成本支出。

4 結 語

綜上所述，本文針對FRP材料的概念及其特點作出了分析，由于其具備著耐腐蝕、高強輕質等諸多優勢特性，所以目前在多個領域當中都有著較為廣泛的應用。將其運用到土木工程建設當中，不但有助于建設效率以及質量的提高，同時也可以保證建設過程的安全性，有助于推動土木工程行業實現健康長遠的發展。相關企業有必要對其做出分析和探討，提高自身運用的合理性，保證其在土木工程項目中發揮出應有的價值和作用。