FRP材料在土木工程中的運用分析

李偉

新的發展環境下，以多樣化的技術和材料為支撐，土木工程建設的水平得到了顯著提升，FRP材料屬于新材料中的典型代表，極大地推動了土木工程建設效率和質量水平的提高，也因此有著很好地應用價值及發展前景。FRP材料具有高強度、高剛性、低密度、抗腐蝕等特性，被廣泛應用在建筑、海運、航空航天等領域。

一、FRP材料的概述

FRP材料（Fiber Reinforced Polymer/Plastics）指纖維增強復合材料（見圖1），其主要構成部分為纖維材料和基體材料，建筑行業中常見的纖維材料包括玻璃纖維和碳纖維，基體材料的類型較多，如乙烯基酯樹脂、環氧樹脂、不飽和聚酯樹脂等。FRP材料中，纖維材料的作用是補強，可以實現受力分擔，樹脂材料的作用是傳力，能夠對纖維材料進行保護，確保其不會出現機械損傷和化學侵蝕。可以通過在樹脂中加入添加劑的方式來對材料的性能進行改善，提升材料的整體性能。

圖1 FRP材料

二、土木工程中FRP材料的特點

在土木工程中，FRP材料的特點體現在幾個方面：

一是自重輕。FRP材料的密度僅為鋼材的1/6到1/4，將其應用到大跨度結構體系中，能夠極大地減輕結構自重。以著名的喬布斯劇院為例，屋蓋整體采用了碳纖維結構，自重僅為80t，可以直接進行吊裝施工。

二是強度高。通常來講，所有的天然物質在晶體結構上都存在缺陷，材料細度越大，缺陷越小，強度自然也就越高。一般來講，玻璃纖維和碳纖維的強度能夠達到同體積鋼材的10～20倍，即便將限位與基體材料在強度上的差異考慮在內，FRP材料也可以達到至少4倍鋼材的強度等級，這也使得利用FRP材料構建大跨度結構時，結構的極限跨度要超過傳統結構2～3倍。

三是成型方便。FRP材料生產加工中，存在多種不同的成型方式，如纏繞、噴射、拉擠等，可以在確定好產品規格后，直接實現規模化生產，也可以在面對特殊結構造型時，實現對材料形狀的任意調整。

四是抗疲勞。土木工程建設中，常規金屬材料的疲勞強度一般為其拉伸強度的45%，FRP材料的疲勞強度能夠達到自身拉伸強度的75%以上。

五是抗腐蝕。土木工程施工中，很多傳統材料本身對于腐蝕問題的抵抗性較差，尤其是在一些臨海城市，土木工程中的鋼筋等材料在與空氣、海水等接觸的過程中，很容易出現腐蝕問題，影響工程的質量和安全。與之相比，多數FRP材料都具備良好的耐腐蝕性，可以抵抗酸、堿、鹽等化學介質的腐蝕。

六是抗震性。對比傳統建筑材料，FRP材料有著較高的自振頻率，在使用過程中基本不會出現共振問題，而在加載速度和頻率相同的情況下，也不會因為共振引發材料斷裂的情況。另外，FRP材料中存在有大量界面，具備較強的震動阻尼性，在產生震動的情況下，可以通過較快的速度完成震動的衰減。

七是安全性。FRP材料由纖維和基體材料構成，在出現過載問題時，內部纖維即便發生了少量斷裂，載荷也會被重新分配到其他纖維中，能夠有效規避工程構建因為承載力瞬間丟失出現斷裂的情況。

八是智能性。將FRP材料應用到土木工程中，具備一定的智能性。例如，美國有設計人員利用FRP材料打造出了建筑梁體，配合熱電控制技術，可以實現梁體的形狀變化，使得其能夠結合建筑主體承受的振動情況，改變自身的固有頻率和剛性，從而減小振幅，延長框架結構的使用壽命，也可以對結構振動和噪聲進行控制。

三、FRP材料在土木工程中的運用

1. 材料類別

（1）FRP片材的應用

FRP片材一般表現為復合布或者復合板的形式，通常被應用在土木工程混凝土結構的加固中，對比常規加固方法，FRP片材加固的施工簡單，加固效果十分顯著，能夠顯著提升構件的承載能力，而且不會在結構上增加額外的重量。FRP片材在土木工程中的應用體現在幾個方面：

首先是抗震加固。FRP片材可以通過對柱體進行環向加固的方式，實現受損位置承載能力的恢復，促進其抗震強度的提升。這種加固方式屬于被動加固，當混凝土遭遇較大的軸向壓力時，外部包裹的FRP片材會發生延伸，產生徑向收縮力，保障結構穩定。在利用FRP片材對柱構件進行約束時，初始階段混凝土會發生一定的線彈性變形，外包復合布的變形相對較少，應力約束低，當受力增大，柱體變形變得顯著時，外包復合布環向變形會變大，提升柱體的結構強度，增加延性變形。

其次是補強加固。體現在混凝土板加固方面，在施工中需要將FRP片材貼在受拉部位，提供相應的保護作用，以避免混凝土板的破裂和損毀。

然后是受彎加固。結構處于受彎工況下時，可以使用FRP片材進行加，提升結構的承載能力，要求片材與結構構件的軸向保持一致。在使用FRP片材進行加固作業時，采用的依然是極限法，在極限工況下，依照線彈性關系確定應力情況。從充分發揮FRP片材優勢的角度，可以采用預應力施工的方法，這樣能夠更好地降低構件的變形撓度，延緩裂縫的發生。

（2）FRP棒材的應用

首先是結構增強筋。FRP棒材有著良好的抗腐蝕性，在一些相對惡劣的環境下，可以使用FRP棒材代替傳統鋼筋，提升結構的穩定性和耐久性。不過，FRP筋的彈性模量相對較小，與混凝土間的粘結性不同于普通結構，需要施工人員和技術人員的重視。FRP筋混凝土在使用中可能出現受壓破壞和拉斷破壞兩種破壞形式，前者發生在混凝土結構中，后者發生在FRP筋上，前者的的延性優于后者。

其次是結構預應力筋。FRP筋本身的性能優越，在配合預應力施工技術的情況下，能夠將其力學性能充分發揮出來，提高結構抗裂性能。FRP筋在抗壓與抗剪性能方面略差，在對預應力進行施加時，需要關注其錨固性能，而且在工藝技術方面尚未成熟，并沒有被廣泛應用到土木工程中。FRP筋有著良好的抗腐蝕性，可以被用于體外預應力筋和無黏結預應力筋，其預應力結構的發展潛力巨大。相關研究實踐表明，無黏結FRP預應力筋梁體結構與體外預應力FRP筋梁體結構有著相似的發展特點，可以采用同樣的方法對其受力情況進行計算，確定好其在不同工況下的極限應力。

然后是受力結構筋。對于一些橋梁工程尤其是纜索承重橋而言，豎向受力構件通常被設置在結構外部，工作環境惡劣，對纜索的性能要求較高。相比較普通鋼索，FRP筋有著更高的強度、耐久性和抗疲勞性，可以替代傳統鋼索作為斜拉索或者吊桿結構，有助于提高橋體的跨越能力和承載能力。例如，懸索橋中，傳統鋼主纜的極限跨越距離為5km，如果將其替換為碳纖維復合材料，極限跨越距離可以達到10km；斜拉橋中，極限跨徑在水平方向的投影距離通常在1.2km左右，碳纖維符合材料可以將這個數值增加到3.8km。

（3）FRP型材的應用

首先，對于土建工程中存在的鋼筋銹蝕問題，可以使用FRP蜂窩板，其本身能夠抵御海洋、鹽堿等環境因素的侵蝕，穩定性好，維護成本低廉，而且自重較輕，可以減少結構對于基礎的荷載。FRP蜂窩板屬于彈性材料，具備較強的抗疲勞能力，即便是出現基礎超載的情況，也不容易發生脆性破壞，而且只要變形沒有超出材料本身的承受極限，發生變形后材料還可以恢復原本的形態，也依然可以正常使用。

其次，可以在FRP管中灌注混凝土，形成FRP管混凝土組合結構，對比傳統的混凝土結構，這樣的結構有著更好的耐久性，而且FRP管能夠發揮模板的作用，在一些不方便進行模板架設的結構中，有著良好的適用性。FRP管混凝土組合結構還有著良好的隔音以及隔熱性能，同時兼具混凝土低成本和FRP的特殊性能，在經過科學的設計后，力學性能優越，在不少發達國家得到了廣泛應用。

然后，可以在整體結構構件中，安裝相應的空心鋼管，利用混凝土對其進行填充，實現對鋼筋的有效保護，也可以對混凝土進行約束，提升結構的穩定性和承載力。

最后，FRP木組合構件，將FRP材料和木材結合在一起，轉變受力特點的同時，可以提升結構的防火能力。組合構件具備理想的力學性能，可以有效緩解負載壓力，降低成本支出。

2. 應用領域

（1）在加固工程中的應用

FRP材料在強度、抗腐蝕能力、耐久性等方面有著非常顯著的優勢，因此被廣泛的應用在了土木工程加固領域，能夠實現土木工程質量安全性能的顯著提升。通常來講，FRP材料會被應用在土石結構、鋼架結構以及混凝土結構中。以混凝土結構為例，FRP材料一般會被纏繞在結構外層，提升結構整體的穩定性，滿足結構在變形、承壓、抗震等方面的需求，強化結構的承載能力。

FRP材料在加固工程中的應用主要體現在幾個方面：

一是梁體加固。梁體加固主要是使用環氧樹脂材料，在需要加固的梁體外側，進行鋼板結構的粘貼，通過這樣的方式來強化梁體的彎曲強度，提升值一般在15%～20%之間，施工操作簡單，不會對結構本身產生破壞。

二是柱體加固。可以將FRP材料纏繞在主體結構表面，形成封閉式保護層，以此來提升主體的強度和穩定性。在實踐環節，若柱體并非圓柱體，需要先做好主體表面處理，為FRP材料的纏繞工作提供便利。

三是混凝土補強加固。其實施策略與梁體加固基本一致，不過需要首先確定好混凝土板結構中的受拉區域，然后在該區域進行FRP材料的粘貼或者嵌入工作，實現對混凝土板的保護。在經過FRP材料的補強加固處理后，混凝土板破損、開裂的問題可以得到有效規避。

四是節點加固。在土木工程建設中，節點能夠實現不同構件的有效連接，屬于工程體系中的關鍵點，節點的安全性會對工程整體的性能發揮和使用安全產生直接影響。利用FRP材料對節點進行加固，能夠強化節點的承載能力和延伸性，使得其更好地滿足土木工程結構的整體需求。

五是邊坡加固。邊坡加固使用的多是FRP筋，憑借著自身良好的耐久性和耐腐蝕性，FRP筋能夠替代常規鋼筋來對邊坡進行加固。例如，某高速公路段道路兩側的邊坡高度達到了25m，坡度比較陡峭，以泥質粉砂巖為主，本身的強度較低，容易受到風化作用的影響，從保障道路行車安全的角度，使用FRP筋作為錨桿進行了加固，在很大程度上提高了邊坡的穩定性。

（2）在盾構施工中的應用

FRP材料在地鐵項目盾構施工中同樣得到了應用，其應用機理與邊坡加固類似，都是使用FRP筋來替代普通鋼筋，結合混凝土形成相應的圍護結構，在滿足實際需求的同時，能夠確保盾構施工的順利推進，減少盾構機鉆進過程中刀片的損傷。FRP材料在盾構施工中的應用經過了許多實例的檢驗，有著良好的應用效果。例如，成都地鐵1號線、北京地鐵15號線等都運用了FRP材料，在盾構機鉆進環節，圍護結構不會導致刀片的損傷，提高工作效率的同時，實現了成本的有效節約。

四、結束語

總而言之，FRP材料本身有著良好的性能，將其應用到土木工程建設中，能夠促進工程建設質量及效率的提高，也能夠切實保障工程的施工安全，推動土木工程行業的健康發展。對于FRP材料研究和應用企業而言，需要切實做好對于FRP材料的研究和分析工作，提升材料應用的合理性。