FRP复合材料及其在土木工程中的应用研究

【摘要】随着经济的快速发展，土建工程行业成为了我国重要的经济增长，加强土建工程中FRP复合材料的应用，对我国土建工程的发展起着至关重要的作用。本文将从FRP复合材料基本性质简介、FRP复合材料在土木工程中应用的优势及FRP在工程结构中的应用等几个方面进行分析。

【关键词】土木工程；FRP复合材料；应用

中图分类号：S969文献标识码： A

Abstract：with the rapid development of economy, the civil engineering industry has become an important economic growth of our country, strengthen the application of FRPcomposites in civil engineering, plays a vital role in the development of civil engineering in china. This paper will make several advantages and FRP applications, from the basic properties of FRP composites FRP composites in civil engineering application in engineering structureanalysis etc..

Keyword： civil engineering; FRP composite; application

中图分类号：S969.1 文献标识码：A

前言

目前由于土建工程的不断壮大，土建工程中施工技术水平的提高，尤其FRP复合材料运用的问题得到了人们的广泛关注。虽然我国在此技术上有所完善和进步，但是仍然存在一些问题和不足需要改进。在建设社会主义和谐社会的新时期，进一步加强土木工程的FRP复合材料技术，保证施工中的安全质量，是促进土木工程发展的一个重要环节。

二、FRP复合材料基本性质简介

1、FRP是由多股连续纤维，如玻璃纤维、碳纤维及阿拉米德纤维等，采用基底材料胶合后，经过特制的模具挤压、拉拔而成型。常见的FRP包括玻璃纤维增强塑料、碳纤维增强塑料和阿拉米德纤维增强塑料等。不同的纤维化学成分不同，力学性能也有较大差别，相应FRP的力学性质表现出很大的差异。

2、FRP的主要特点有：

（1）抗拉强度高。三种FRP的抗拉强度均明显超过了钢筋，与高强钢丝差不多，且在达到抗拉强度之前，几乎没有塑性变形产生。

（2）抗腐蚀性和耐久性好。与钢材相比，FRP均具有很好的抗腐蚀性和耐久性，因而可提高结构使用寿命，尤其用于腐蚀性较大的环境效果更为显著。

（3）自重轻，施工方便。FRP密度仅为钢材的25%左右，这样，当建筑结构中采用FRP时，施工非常方便，可降低劳动力费用。当用于旧有结构的维修加固

时效果更为明显。

（4）热膨胀系数与混凝土相近。这样当环境温度发生变化时，FRP与混凝土协同工作，两者间不会产生大的温度应力。

（5）弹性模量小。FRP的弹性模量约为普通钢筋的25%~70%，这样，FRP混凝土结构的挠度较大和裂缝开展较宽将不可避免。

（6）抗剪强度低。FRP抗剪强度很低，通常不超过其抗拉强度的10%左右，在将FRP用作预应力筋以及进行FRP的材性试验时，相应的锚、夹具需专门研制。

（7）材料较为昂贵。由于FRP的生产制作工艺较复杂，一般需采用专门的长线挤压台座才能完成。

通常，FRP筋中纤维含量为70%~80%，树脂占20%~30%，纤维含量愈高，FRP强度愈高，但挤压成型时愈困难。以9mm直径的FRP为例，其中包含了约12万根的连续纤维。

三、FRP在土木工程中的关键技术及应用

绝大多数修复工作包括对由于地震和其他自然灾害造成的损坏及结构老化的修补组成。由于环境、设计不周、建筑质量低劣，需要对建筑结构进行加固，且这种处理方式可以满足当前的设计与使用要求。因此，近二十年，结构修补与加固在世界范围内引起了极大的关注。最近试验和分析研究表明：利用 FRP复合材料来修复现有的结构比传统方式更节省成本、更能缩短时间且更容易施工。

历史上，复合材料首先应用于钢筋混凝土（RC）桥梁的弯曲加固，应用于钢筋混凝土（RC）立柱和无钢筋砌筑墙抗震的加强。

1、关键的材料技术

（1）高性能FRP复合材料改性技术研究FRP复合材料与土木工程常用建筑钢材相比具有高强、轻质、耐久、耐疲劳、易施工与可设计等诸多优点，不同的FRP复合材料与传统建筑钢材相比有不同的特点但也有一定的弱点，如与钢材相比，其韧性差，破断延伸率较低(钢材破断延伸率约为15.0%一26.0%，而CFRP为1.5% , AFRP为1.5%一2.0% , GFRP为2.5%一3.0%的破断延伸率)，破坏时没有屈服台阶.土木结构对材料韧性的基本要求是2.5%一3.0%.所以，CFRP和AFRP的强度高，但韧性差.GFRP可以满足韧性要求，但模量和强度低，这就使得其在土木工程中的应用效果大大降低.因此，如何通过对各有特点的不同纤维材料的复合改性，使其具有高性能(高强、高模、高耐久性及良好的韧性等)同时又具有低成本、良好的环境亲和性，是影响现有高性能FRP复合材料在现代土木工程中应用的关键材料技术问题.该问题一旦获得解决，将会给现代土木工程材料技术带来革命性的变革，也会为复合材料领域带来一个巨大的潜在市场与更大的发展机遇。

（2）高性能FRP复合材料。关键配套材料和设备研究开发由于土木工程用FRP复合材料形式是多种多样的，其应用环境、应用方法也多种多样.因此，仅仅解决FRP复合材料改性技术，并生产出适合于土木工程应用特点的材料还不够，还必须解决其配套的关键材料与设备技术问题.主要包括以下两方面内容:特种粘贴树脂基体结构设计及材料合成技术;高性能FRP复合材料筋/索锚具及预应力张拉设备研制.

2、关键的设计技术

（1）新的工程力学分支—复合材料力学。由于材料的非匀质，由复合材料制成的板、壳及薄壁杆件的力学性能不同于传统材料制成的结构构件.因此基于匀质材料的经典弹塑性力学及板壳理论，不适用于分析复合材料结构构件.最典型的例子是复合材料可能出现弯拉藕合( Bending Stretching Coupling)、弯翘藕合(Bending-Twisting Coupling)及拉剪藕合(Stretching-Shear Coupling)。

例如，板在平面应力作用下会产生平面外弯曲及翘曲.正是这些不同的力学性能给学术界提出挑战，并产生新的工程力学分支—复合材料力学.从70年代开始，在美国国家宇航局(NASA)的资助下，越来越多的工程力学界学者转向复合材料力学研究，至今已经出现许多激动人心的学术成果.

（2）设计参数的选择。尽管复合材料具有如此多的优点，但在工业界中的应用还仅限于航天、航空、汽车及造船领域，在土木工程中还鲜有应用.限制复合材料广泛应用的原因除了采用复合材料的结构造价昂贵外，另一个原因是设计的复杂性，和传统材料结构相比，复合材料结构设计参数非常多.例如，设计一块承重板，采用传统的匀质材料，设计参数主要有拟选用材料的类型及板的厚度;而采用复合材料叠合板结构(Laminated Plate)，需要确定的设计参数有加强筋的材料类型、基质的材料类型、板的厚度薄层板的数量，各薄层板中纤维方向等.这些设计参数必须仔细选择，不同的设计参数组合可以导致结构力学性能的极大差别.

（3）快速有效的优化设计。由于复合材料结构造价昂贵，在设计过程中必须考虑优化，以降低结构自重，减少材料用量.而如前所述，复合材料结构设计变量多，优化搜寻次数多，特别是当几何尺寸变量变化时，有限元模型(几何形状，网格划分)必须重新建立，使优化设计成为非常冗长复杂的过程.因此如何快速有效地进行优化设计成为学术研究的重要课题，华侨大学在这方面作了一些有益的前期工作，一个直接可行的方法就是在详细设计前，进行初步设计，并且采用简化方法进行分析，以避开复杂的有限元计算.从而，得到较接近优化设计的初步设计方案，减少详细设计中的优化搜寻次数，因而大大减轻详细设计的工作量和难度。

（4） FRP复合材料加固补强设计方法。采用FRP复合材料对已有结构进行加固补强，应充分考虑其材料的差异、工艺的差异，以及环境的影响。

四、FRP复合材料在土木工程中的展望

FRP复合材料具有轻质、高强、耐腐蚀等多种优点,作为结构加固补强材料具有巨大优势。FRP加固技术在民用建筑、工业厂房、桥梁以及地铁隧道等结构加固中都具有非常广阔的发展应用前景。

我国对FRP加固修复工程结构技术的研究和应用虽取得了一定成果,笔者认为,仍需要在以下方面进行深入研究:(1)加固时应充分考虑FRP材料的差异、工艺的差异以及环境等的影响；(2)加强FRP材料及结构耐久性及疲劳性能研究；(3)深入研究FRP的性能,加快FRP材料的国产化进程,努力开发FRP的应用潜力；(4)加快FRP加固工程技术规范与标准的制定等。

五、结束语

通过对FRP复合材料及其在土木工程中的应用研究的问题分析，进一步明确了FRP复合材料在土木工程中的应用方向。因此，在土木工程中的后续发展中，要不断提高FRP复合材料技术的研究，促进土木工程的进一步发展。

参考文献

[1]叶列平，冯鹏 FRP在工程结构中的应用与发展 土木工程学报 2006年

[2]张明武，余建星 FRP补强加固RC梁粘结破坏机理研究 建筑结构学报 2003年

[3]岳清瑞 纤维增强塑料(FRP)在土木工程结构中的应用技术的进展 清华大学出版社 2002年