FRP材料在土木工程中的应用发展之浅析

【摘要】本文综述了国内外对 FRP复合材料及其在现代土木工程中应用的研究，文中在综合有关资料的基础上，介绍 FRP复合材料的优良技术特点以及在现代土木工程中应用的关键技术，并展望FRP应用前景。

【关键词】FRP；土木工程；特性；趋势

FRP，是Fiber Reinforced Polymer的缩写，意为纤维增强塑料，是对胶合后的连续纤维材料经过一定的加工工艺后而组成的复合材料。相对于早期的加固方法，FRP由于具有轻质、适用面广、高强、抗疲劳、耐腐蚀、耐久性好和易加工等优良的技术特点，近年来，已经越来越多地应用在土木工程领域，尤其是结构的补强加固领域中。

一、FRP种类及特性

在建筑领域中常用的FRP材料主要包括碳纤维（carbon fiber，简称CFRP）、玻璃纤维（glass fiber，简称GFRP）以及芳纶纤维（aramid fiber，简称AFRP）等。这几类纤维材料的物理力学性能十分优越，如拉伸强度与比重的比值，即我们所说的“比强度”是钢材的几十倍，轻质高强的特点十分突出。它们的拉伸模量与比重的比值，即我们所说的“比模量”也明前高于钢材。CFRP的比模量是钢材的10倍，AFRP的比模量是钢材的2～3倍。除上述提到的种类外，还有一种叫做混杂复合纤维（hybrid fiber简称HFRP），它是由两种或两种以上不同纤维、不同基体、不同形状的纤维材料混合加工而成的。混杂纤维兼具各组成成分的优点。

总之，与钢材等传统的加固材料相比，FRP材料具有明显的优势，具体体现在以下几个方面：（1）比强度较高，即具有轻质高强特性。与传统的钢材加固相比，采用FRP材料能有效减轻结构自重；（2）耐酸、耐碱、耐潮湿、抗疲劳性能好；（3）可设计性强，通过使用不同类型的纤维材料、含量和铺设方向设计出不同强度指标、弹性模量以及其它特殊性能要求的 FRP产品，满足不同角度的需求；（4）具有良好的线弹性性能，应力应变曲线接近线弹性；（5）具有易于加工、运输及储藏等优点，FRP的成型产品还特别适合工业化施工，这极大提高了加固工程的质量、促进了劳动效率和建筑工业化。

虽然如此，FRP材料也有其不足之处。如材料各向异性导致其受力性能不均匀，弹性模量较低及抗火性能差也限制了其应用。

二、FRP材料优点

FRP在建筑工程结构的主要应用形式为纤维布，而纤维布主要用于结构工程加固。FRP材料与传统结构材料相比，具有极其大的优势：

1.轻质高强。这种特性大大降低了结构自重，在建筑工程中，若采用FRP材料的大跨空间结构体系，其理论极限跨度是传统材料结构大2～3倍。在桥梁工程中相同条件下采用传统结构材料，理论上的极限跨度在5000m以内；如果换作使用FRP，极限跨度可达8000m以上。此外，在抗震结构中，FRP材料因为轻质高强，结构自重大大减轻，能有效减小地震作用，且可显著改善结构的耐疲劳性能。

2.耐腐蚀。纤维增强复合材料适用于不同的环境，在酸性、碱性、氯盐和潮湿环境中均可使用。这也是纤维增强复合材料被广泛用于化工建筑、海洋工程、盐渍地区的地下工程和水下工程的原因之所在。据统计，我国每年有相当数量的桥梁因钢材锈蚀而造成的损坏修复费用极高，而且这个维护费用正逐年攀升。，因此，从可持续发展战略考虑出发，强烈建议在寒冷地区和沿海地区桥梁、建筑结构尽量采用FRP结构或FRP配筋混凝土结构，这样可以延长结构使用年限，降低维护费用，节约社会资本。

3.可设计性强。纤维增强复合材料不同于传统的结构材料，FRP的强度指标、弹性模量是可以根据工程需要而变化的，通过采用不同纤维材料、纤维含量以及铺陈方式的改变等不同的设计工艺，生产出不同的FRP产品，以满足特定工程的特殊性能要求。

三、FRP材料在土木工程中的研究和应用现状

美国是首先研发FRP材料的国家。但由于GFRP用于混凝土中效果并不理想而一度中断。而后，随着FRP筋在日本的成功运用，得到世界各国的普遍重视，纷纷加入到FRP筋应用的研究领域，并相继取得了一些可喜的成果。在最近5年内，美国己建成近百座FRP桥梁。

近几年来，FRP筋混凝土结构和预应力混凝土结构在国外发达国家相继取得成功，极大地调动了我国技术人员的研究热情，多家科研单位和高校纷纷开展了对FRP筋的研究。我国在FRP筋应用方面尚未颁布相关的指导意见和规范，采用FRP筋建成的混凝土结构还很少。近期，国内第一座CFRP斜拉桥和CFRP体外预应力简支粱桥将分别于江苏镇江和淮安建成，两座桥梁均由东南大学设计完成。

四、FRP材料的广泛应用

1.FRP用于钢结构的加固应用还有好些方面。如采用FRP加固后，钢结构会存在疲劳损伤，那么它的剩余疲劳寿命均成倍增长，加固效果良好。但应注意到，对FRP加固钢结构采用FRP加固后，会改变钢结构原有受力状态，原来全部荷载由钢结构承受，在加固后通过胶粘剂的传递，由钢结减应力或正应力存在应力集中，容易引起胶层的破坏。为了避免胶层的剥离破坏，常采用把FRP板两端做成45。角的方式以有效减小胶层的应力；也可把FRP布两端固定，用以抵抗端部较大的正应力和减应力，同时，应着眼于开发性能高成本低、适用于钢结构加固的胶粘剂材料。

2.FRP加固修复钢结构。其一，用于受弯构件的加固。如果钢梁没有初始损伤，此时用FRP修复加固会一定程度的提高其承载能力，但是不对其刚度造成影响。如果受弯构件本身已经损伤，再用FRP加固修复，其刚度是能够很大程度恢复的，最好的情况下可恢复未损伤状况下钢梁刚度的90%以上，钢结构极限承载力同时受到加固量和损伤程度影响。对损伤钢梁采用FRP加固后，FRP材料在损伤部位与钢梁将发生剥离破坏，从而从分发挥出FRP材料的高强作用。但是也有可能过早发生剥离破坏，在实际施工中，重点是把握好剥离破坏发生的时间，并采取措施延缓或避免剥离破坏的发生。其二，FRP布加固受拉构件。这种方式可有效提高钢构件的屈服荷载和极限荷载，且破坏大多发生在断面附近或FRP布端部的脱胶破坏，破坏极限是FRP不被拉断。钢构件的极限承载能力随脱胶的位置和程度的改变而改变。因此，胶粘剂在FRP用于受拉构件的加固中起着十分重要的作用。FRP对于受压构件的加固中，一般情况下采用沿柱子环向粘贴FRP布，这样粘贴效果好于纵向粘贴的加固，极限承载力可提高15%～18%。同时，采用环向FRP布加固，不会出现FRP布断裂和钢构件与FRP布之间的剥离现象，最后破坏仅出现在钢柱局部屈曲破坏；如果采用纵向加固，则会出现FRP布与钢构件之间的剥离破坏。

五、FRP应用展望

随着经济高速发展和技术飞速进步，传统建筑材料很难满足这种发展要求。FRP 复合材料，具有轻质、适用面广、高强、抗疲劳、耐腐蚀、耐久性好和易加工等多种优点，在一些比较重要的土木工程中具着巨大的优越性，将会极大地推动现代土木工程的技术进步.它还将为现代复合材料产业开辟出巨大的应用市场，因而具有非常广阔的发展应用前景。

参考文献：

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