关于复合材料在土木工程中的应用和发展

摘 要：随着经济的发展，土木工程取得较大程度上的进步，面对技术的不断更新，尤其是面对新材料和新技术的出现，复合材料在整个土木工程中的应用愈加广泛，是当前土木工程的新的发展趋势。本文主要对复合材料在土木工程中的发展和应用进行了探讨。

关键词：复合材料；土木工程；应用

纤维增强复合材料（ Fiber Reinforced Polymer，FRP） 是近 20 年来在土木工程中发展起来的一类新型结构材料，由碳纤维、玻璃纤维、芳纶、玄武岩纤维等高性能纤维与树脂基体混合，经过一定的加工工艺复合而成，并由此形成了一系列的新型结构技术。 FRP 具有轻质、高强、施工成型方便、耐腐蚀等优点，使其逐渐在土木工程中成为混凝土、钢材等传统结构材料的重要补充，合理地将 FRP 应用于各类结构物中已经成为土木工程发展的一个重要方向。

FRP也就是纤维增强复合材料，它有着较长的发展历史，在上世纪的五六十年代，人们进行了一种尝试，那就是在民用建筑中运用 FRP，在 1961 年的时候，英国斯梅西克的一座教堂尖顶就运用了玻璃纤维增强复合材料，随后利物浦也建立了一座利用玻璃纤维增强复合材料作为连续梁的人行天桥。而我国则是在二十世纪五十年代末才开始尝试将玻璃纤维束应用与混凝土构件中，到了七八十年代，才开始在结构工程中大量应用和研究纤维增强复合材料。

1.对工程结构发挥的加固和补强的作用

复合材料在各方面的应用主要是利用各种方法将 FRP 附着在构件表面受力，这样就可以让原有构件的受力性能得到有效增强。在上个世纪八十年代的时候，我国就曾尝试在工程实践中运用混凝土结构外贴玻璃纤维增强复合材料内夹高强钢丝的加固方法，但是主要目的就是为了起到防腐作用，同时将钢丝和混凝土结合在一起，所以这种尝试并没有加以广泛推广。而在九十年代初，利用碳纤维增强复合材料对瑞士的多跨连续箱形梁桥进行了加固并获得成功后，使得纤维增强复合材料的加固结构修复技术得到大范围的研究，并也得到了快速发展，并大量应用于实际的工程中，同时也是不断地实践中验证了FRP 加固技术在修复加固已被损坏的工程结构中所具有的优越性。在我国，第一项 CFRP 加固工程的成功完成是在 1998 年，开辟了我国 FRP 的发展道路，随之该技术也在一些重大工程中得到了应用，尤其是在汶川大地震后，FRP 加固技术更是为建筑重建以及加固修复震损结构提供了大力支持。目前，FRP已经在各类型结构加固中得到了成功运用，例如钢结构、混凝土结构等方面，并且其涉及领域不仅包括桥梁和建筑结构，还包括水工结构、地下结构以及隧道等。其主要加固形式包括 FRP 布缠绕加固混凝土柱、将 FRP 片材粘贴在梁、板手拉面以及利用 FRP 片材包裹或者 U 形箍包裹梁、柱构件。当前FRP 在混凝土结构加固方面应用较多，同时在钢结构、木结构以及砌体结构加固方面也有较多的应用与研究，其中 FRP在钢结构加固方面的运用正在成为 FRP 研究的重点。

2.FRP筋索和预应力 FRP筋混凝土结构介绍

对于 FRP，整个纤维的比重较大，其筋的重量较小，同时，强度较高，是常规钢筋的多倍。它在耐腐蚀方面特点突出，也是实现对钢筋有效代替的主要性能，避免出现锈蚀现象，致使结构受到破坏，也有利于节省维护费用，降低时间成本。另外，其非磁性的特征突出，能够达到相关工程的无磁性标准。FRP 索在桥梁工程中应用较多，可以发挥缆绳的作用，抑或是用作预应力筋。早在二十世纪六十年代，这种配筋就应用在混凝土的桥梁建设中，目的是借助 GFRP 的性能，避免一些特殊地区的不利因素的影响，如寒冷或者沿海地区的盐蚀现象。另外， GF RP 价格不高，操作简单，耐久性强，使用比较广泛。

2.1在梁、板受拉面粘贴 FRP 片材，提高其抗弯承载力，并可使裂缝得到有效控制。这种加固形式在国内应用较多，但从加固效果来看存在以下一些问题： ①FRP 片材的受拉作用只是在受拉钢筋屈服以后才能得到有效发挥，而此时梁和板的挠度变形一般已很大，因此 FRP 片材用于受弯加固只能作为一种安全储备。为了提高受弯加固效果，近年来已有研究采用预应力方法； ②受弯加固提高程度与原配筋梁有很大关系，且 FRP 的强度一般不能得到充分利用； ③FRP 片材用于受弯加固时易产生剥离破坏，应充分注意采取抗剥离的构造措施； （ 3） 对梁、柱构件采用 FRP 片材包裹或 U 形箍包裹，提高其抗剪承载力。这种加固形式也较为有效，不过同样需注意其提高程度与构件原配箍率有关，且 F RP 片材强度的发挥一般只有 20% ～ 40%。

除用于混凝土结构加固外，FRP 加固砌体结构、木结构和钢结构都得到了较多的研究。其中 FRP加固砌体结构和木结构在实际工程中得到了较多的应用，FRP 加固钢结构正在逐渐成为研究的热点。

3.对FRP组合结构的介绍

FRP 组合几个就是将不同类型的形式的 FRP 产品与钢材或者混凝土进行结合，发挥各自最大优势，从而形成新的结构。对于 FRP，鉴于性能的完善下，其可塑性较强。

3.1FRP管混凝土分析

将混凝土填至缠绕成型的 FRP 管仲，形成混合构件，这种方式比较合理，除了发挥对混凝土约束的作用外，还可以发挥模板的作用，加快施工，提高较高的耐久性。对于 FRP 管混凝土的研究比较多，深入开展对组合结构的受力等方面的探索。

3.2 FRP-混凝土组合梁

FRP-混凝土组合梁，通过组合作用使上部的混凝土受压，下部 FR P 受拉，其关键问题是保证 FRP与混凝土协同工作的剪力连接件。经过组合使 FRP材料的利用更加充分，而且可以将轻质的 FRP 构件作为永久性模板，方便施工。关于 FRP 组合梁和FRP 组合板的研究在各国都有开展。

3.3FRP-木组合构件

FRP 與木材有类似的纤维构造形式，都具有各向异性的受力特点，都有抗火性能较差的不足，但两者进行合理组合后，FRP 充当构件中的增强部分，木材充当填充部分，从而实现更为优越的力学性能。FRP-木组合构件在加工中也非常方便，采用成熟的技术就能够实现。

FRP 组合结构相对传统结构在耐腐蚀、轻量化等方面具有显著的优势，同时相对全 FRP 结构在受力方面可避免脆性破坏，且降低了造价，因此具有显著的优势。目前世界各国的研究者都在不断的应用FRP 与各种结构材料进行组合以实现新型结构构件，乃至结构体系。

结束语

本文从一些工程实例出发对复合材料在土木工程中的应用现状及其新进展作了一概述，并提出所需解决的问题.未来的社会是复合材料的社会， 随着人们对复合材料的力学性能研究的深入， 以及在土木工程中对复合材料作为外包结构修复、加固、翻新原有结构和全复合材料结构、复合材料用于结构的主要受力构件研究的深入， 将会制定出有效的设计标准、力学测试方法和评价准则？在不影响环境的前提下力求达到提高结构运行能力、延长结构使用寿命、降低建筑投资成本的目标， 对复合材料的研究必将带来土木工程的一场革命。

参考文献

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作者简介；潘宗林，民族蒙古，性别男，助理工程师 21138 11979 11149612。