浅谈FRP材料的优点及其在土木工程中的研究与应用

      随着世界军工生产与航空航天而发展起来的纤维复合材料，由于具有良好而独特的性能，适应了现代工程结构向大跨、高耸、重载、高强和轻质发展，以及承受恶劣条件的需要，在土木建筑工程中的应用日益扩大。如用于纤维混凝土和结构的补强加固[1]、建筑物柱和桥梁桥墩加固[2]、满足近海建筑物结构的抗腐蚀要求[3]等，此外将智能复合材料应用于土木建筑工程时，还可以实现桥梁、高速公路等大型结构的自增强、自诊断、自修复功能[4]。纤维复合材料替代传统建材应用于土木建筑工程，既为纺织行业的发展开辟了新的发展领域，注入了新的活力，同时也为土木建筑业解决一些技术难题如能耗大、不利于环境保护等，提供了新的途径。
 

纤维复合材料具有传统的建筑材料无法比拟的优点。

(1) 材料性能的可设计性。纤维复合材料作为结构材料应用时，由于其是基体材料和增强材料等组分材料在宏观上的物理组合，其性能既可保持原组分材料的某些特点，又能发挥组合后的新特性，且可根据结构需要进行设计，以满足单一材料无法达到的性能要求。

(2) 高的比强度和比刚度。一些纤维复合材料如碳纤维T300 /环氧5208的比强度是铝材的6.3倍、钢的5倍，比刚度为铝材的4.16倍，因此在土木建筑工程中使用可缩短工期和降低工程复杂性。

(3) 抗疲劳性能好。一般金属的疲劳强度为拉伸强度的40%~50%，而某些纤维复合材料的疲劳强度可达其拉伸强度的70%~80%。

(4) 良好的抗化学反应和化学腐蚀性。传统建材如钢筋等不耐腐蚀，尤其在近海工程中，较易与工程周围的空气、海水以及污水中的化学物质发生反应，使土木工程不能发挥应有的作用而引起巨大的损失。而大部分纤维复合材料是优良的电绝缘材料，用其制作的设备或构件一般具有良好的耐酸、碱、盐等化学介质侵蚀的能力。

(5) 良好的抗震性能。纤维复合材料相对传统建材自振频率甚高，不易出现共振，且在通常加载速度和频率条件下不容易出现因共振而快速脆断的现象;同时因为其存在大量的界面，振动阻尼性也很大，一旦激起振动，衰减也快。
（6）过载安全性好。在纤维复合材料中，由于有大量独立的纤维，当过载时复合材料中即使有少量纤维断裂，载荷都会迅速重新分配到未被损坏的纤维上，不至于造成土木建筑工程中的构件在瞬间丧失承载能力而断裂。
（7）高美学欣赏性。纤维复合材料组分中的材料纤维是柔软的，树脂是可以流动的，其产品的形状几乎不受限制，还可以任意着色，从而达到结构型式和材料美学的高度统一。
 

       结构功能/智能化。在土木建筑工程中应用智能纤维材料，还可以使结构具有一定的智能。例如美国人在建筑物使用智能复合材料制作的梁，在热电控制下，能像人的肌肉纤维一样产生形状和张力的变化，从而根据建筑物受到的振动改变梁固有刚性和固有振动频率，减小振幅，使框架结构的寿命大大延长，达到了建筑物结构噪声与振动的主动控制。
 

        据英国统计，仅1997年，至少有30多座桥梁和其他结构采用CFRP加固或修补。大约有6000m长的CFRP片材被用于桥梁、管渠、购物中心、工业厂房、隧道、电站结构和海洋结构的加固和修补。英国为解决海洋环境下钢筋混凝土构筑物的腐蚀与防护问题，每年就花费将近20万英镑。英格兰岛中部环形线的快车道有11座混凝土高架桥，建于1972年，当时的建造费用为2800万英镑，建成两年后就发现有因钢筋锈蚀使混凝土发生顺筋裂缝的现象，在1974-1989年的巧年期间，修补费用已高达4500万英镑，为造价的1.6倍，而且修补费用将持续提高，估计以后巧年还要耗费1.2亿英镑，累计接近造价的6倍[2]。1997-1998年发生于意大利的Umbria地震中，许多古建筑遭到了不同程度的破坏，其中很多是砖石结构。在维修加固这些建筑物时，主要采取向裂缝注浆和粘贴FRP片材两种方法[9]。

日本在1995年的阪神地震后，几乎所有高架路桥、地铁、建筑物和桥梁的补强，全部采用CFRP进行加固，日本的新干线使用不到10年，就出现大面积混凝土开裂、剥蚀现象。
 

美国也于近些年对FRP作了大量的研究和应用。美国材料咨询委员会(NMAB)1987年的年度报告中指出，有253000座混凝土桥存在不同程度的损伤，且以每35000座的速度在增加，约有60万座公路桥受到不同程度结构上的破坏，桥梁、建筑物、隧道和其他基础设施的补强已作为当前美国土木界重要的任务之一。QuakewrapTM公司1994年春季完成了一项采用FRP对既有受损砌体结构加固的工程[10]。经过几年的实践检验，加固效果良好，达到了预期的目的。
 

       赵彤  通过碳纤维布加固的砖砌体墙在周期反复荷载作用下受力性能的试验，研究了粘贴碳纤维布来增强砖砌体抗震能力的加固方法的有效性，分析了碳纤维布的用量以及贴布方式等因素对抗震加固效果的影响，并提出了碳纤维布加固砖砌体抗震承载力的简化计算方法。试验结果表明，碳纤维布加固的砖砌体墙开裂荷载明显提高，变形能力明显改善，并认为碳纤维布是通过析架模型中的受拉杆机制来改善墙体内的受力状态，提高构件抗剪承载力的。

林磊、叶列平[12]利用玻璃纤维布(GFRP)对砌体墙进行了加固的试验研究，对比了两种加固方案的不同效果，并对试验结果进行了分析，试验结果表明，GFRP布对墙体抗剪能力的提高是显著的。
 

       翁大根、吕西林等[13]对在各种压应力下的240标准砖墙片，在试验之前及试验开裂以后分别用GFRP粘贴墙面和用增加钢筋网砂浆面层方法加固墙片，采用伪静力装置水平加载方法，检验加固的效果。试验证明了对于砂浆强度很低的砌体，GFRP加固能有效增强砌体抗震整体性，具有等效于提高砂浆强度的效果，要提高抗裂和极限承载力则GFRP的厚度应满足其抗拉能力大于砌体的抗剪能力。对于加载至破坏的墙片，GFRP加固能使得墙片基本恢复到原有的最大承载力。而钢筋网砂浆面层加固能有效提高砌体的抗震能力。
 

       FRP复合材料应用于桥梁工程起始于20世纪70年代末至80年代初期。桥梁结构性能劣化与抗力衰减的一个根源是侵蚀。FRP由于具有耐腐蚀、耐疲劳和维护费用低等特点，被广泛地应用于桥梁结构中可用作悬索桥及斜拉桥的缆索、预应力混凝土桥中的预应力筋，甚至可以用于整个桥梁体系，还可以应用在桥梁补强加固方面，如日本的Tabras GOUclub桥、shin-miya桥和Sumitomo桥、Birdie桥等。

在既有混凝土桥受拉侧用FRP加固桥梁，可以恢复和提高既有桥梁承载能力，加固施工能在不影响或少影响交通的情况下进行，具有不增加桥下有效空间、施工简便、加固费用低、加固材料带来的恒载不多等优点，同时可克服粘贴钢板受运输长度的限制、钢板锈蚀引起钢板与混凝土梁之间粘贴层损坏之不足。
 

       由于海洋结构和近海结构的腐蚀问题一直比较突出，大量的土木工程师们越来越意识到FRP复合材料作为一种解决复杂环境下部件结构中存在问题可行性材料的优势，因此采用抗腐蚀性能良好的FRP可以很好地解决该问题，所以，FRP被应用于海洋结构和近海结构具有很好的发展前景。例如，增加FRP的粘贴层数可以提高现有结构的承载力，或者用FRP加强筋替换原有构件的一些钢筋，这些新材料的使用将会比原始结构的结构性能有极大地改进。
 

        由于在高寒环境下，建设周期比较长，基础设施建设与维护费用比较昂贵，因此，对于拟建或再建的各种基础设施项目，减少维护费用、提高其建设质量是一个重大的技术问题。用FRP筋代替钢筋做成的免维护复合材料混凝土结构，可以达到延长寿命、提高基础设施耐久性的目的。
 

       随着我国经济和建设事业的迅猛发展，世界各国对土木工程的要求越来越高，在有些条件下，传统建筑材料很难满足这种发展要求，FRP由于具有高强、轻质、耐腐蚀和耐久性好、施工方便等优点，在土木工程中的应用将具有广阔的发展前景，为更好地应用这项新材料，还须进一步研究。

      1) FRP复合材料结构耐火极限及防火设计方法研究。目前在国内外尚未制定有关FRP结构防火设计方面的规定，不但制约了该类结构的推广应用，而且对已建成结构的耐火极限也缺乏必要的科学依据。

      2) 研究内容较窄。对于FRP的使用主要集中在FRP片材补强加固建筑结构方面，对于桥梁、隧道、机场、码头、公路、铁路、民用建筑、构筑物等方面的研究应用开展不多。

      3) 必须制定相应的验收标准。FRP与混凝土共同组成组合结构，保证FRP与混凝土间的粘结和共同工作非常重要，为了保证设计和施工目的实现，必须制定相应的验收标准，提供既合理又便于实际操作的核心质量控制和检测办法显得尤为重要。