FRP复合材料及其在土木工程中的应用研究

FRP在土木工程结构加固应用进展探究近年来，纤维增强复合材料也就是FRP是一种新型高性能结构材料，在土木工程结构加固中得到广泛的应用, 我国在土木工程结构中对这一新型高性能材料做了研究工作，例如FRP材料技术、FRP加固设计技术、FRP加固施工技术等，研究表明，FRP在土木工程结构加固中的应用，显现的自身特点有高强、轻质、抗腐蚀温度作用下稳定性好等，工程优势有节省维修费用、施工便利、交通干扰较小、结构耐用持久等，利用这些特性和优势，在某些特定的条件下，FRP 材料可以代替具有传统的结构材料进行使用，这种材料受到土木工程界的重视与关注，在未来的结构加固领域，FRP材料的地位越来越重要。

本文介绍了土木工程结构中FRP材料的特点,分析了在土木工程结构中的应用与发展,以供工作参考。

标签：纤维复合材料（FRP）；土木工程；加固应用土木工程学科的发展要依赖于性能优异的新材料新技术的应用和发展。

FRP复合材料在土木工程结构加固工程中应用潜力很大。

FRP材料具有轻质高强、抗腐蚀性强、耐腐蚀耐久性能好、自重轻、施工方便、热膨胀系数与混凝土相近、抗疲劳、节省材料、施工方便、维护成本低等优点。

FRP材料的结构修复和形成新结构在土木工程中的研究与应用较多，结构修复包括维修、加固、更新等几个方面；形成新结构包括采用FRP材料形成新结构和FR材料与混凝土形成混合结构。

在21世纪的结构加固领域，采用FRP材料加固的应用范围越来越广，主要应用于加固混凝土、梁、板、柱、砌体结构、钢结构等。

土木工程中，各国政府对材料的安全性、耐久性、经济性是很重视的。

1 FRP在结构加固中的研究现状我国FRP材料的研究和应用与发达国家相比，技术水平还比较落后。

但是目前，我国应用FRP材料已完成多项工程，其发展前景还是很广，近些年来，我国有更多的研究单位加人到FRP材料的研发中来，因此，我国的FRP研发的技术领域得到快速发展。

它的发展也会带动市场材料的使用量，在土木工程领域中，FRP复合材料的应用在我国起步较晚，FRP材料队也土木工程建筑物来说，造价不能过高，FRP材料工程应用经验较少，造成FRP材料的应用比其他行业会滞后些,而工程师面对的FRP实践性问题也是关于这种材料加强结构的预期或先见效果，实践设计经验少，对FRP材料加固结构设计的标准和研究也很缺乏[1]。

浅议FRP复合材料在土木工程中的应用摘要 frp复合材料因具有高强、轻质、抗腐蚀和耐劳、高温作用下性能稳定特点，所以在某些特定的条件下可替代木结构、钢结构和钢筋材料，因而在土木工程界广泛应用。

本文主要介绍了frp 复合材料在土木工程中的应用情况进行了概述，最后本文还就对frp复合材料的发展前景进行了展望。

关键词 fpr复合材料土木工程应用一、引言现代工程结构向高耸、重载、大跨、高强和轻质发展而epr复合材料都能适应工程的需要，之所以能够适应工程的需要是因为frp复合材料有很多不可替代的优点和性能。

（一）fpr复合材料的主要特点1.抗拉强度高、抗腐蚀和耐久性好。

实验表明玻璃纤维、碳纤维和阿拉米德纤维的抗拉强度均明显超过了钢筋，能灵活地应用于抗弯和封闭箍[1]。

2.fpr复合材料抗腐蚀和耐久性好。

fpr复合材料抗腐蚀和耐久性都比钢材好，在腐蚀性较大的环境可提高结构的使用寿命。

由于frp自重轻也可以减轻结构的自重在施工中非常方便。

frp复合材料的热膨胀系数与混凝土相近，所以不必担心因为环境温度发生变化时，两种材料不能协同工作，两者之间不会因为温度的变化产生较大的温度应力。

（二）fpr复合材料在土木工程中的应用；根据frp复合材料自身的特点，frp复合材料主要应用于替换钢筋或钢管用于新建结构中和修复和加固旧有结构[2]。

1.梁板的修复与加固对受损混凝土梁或板，应选择frp进行修复加固是非常有效的途径之一。

frp复合材料一般用在梁板的拉应力部位，对受损梁板修复加固时的关键问题之一就是保证frp复合材料与混凝土共同工作，而保证两种材料共同工作的前提是frp纤维方向与拉应力方向平行。

而柱的修复与加固既要保证frp和混凝土有效的粘结，也要因frp的约束使混凝土性能改变进行合理的估算。

正是由于frp复合材料的这些特点，美国加利亚大桥墩、湖北工学院体育馆地下室立柱，美国bergstroms机场的hijton饭店的柱结构等都选择了frp 复合材料进行加固。

FRP复合材料及其在土木工程中的应用作者：于海川来源：《市场周刊·市场版》2019年第56期摘;要：FRP 复合材料在土木工程中有着广泛的运用。

FRP 复合材料的材料特性包括抗拉性、延性、耐腐蚀性、耐久性以及自重性等，文章对 FRP 复合材料特性展开逐一研究，并对FRP 复合材料在土木工程中的运用提出见解，以期为行业做出贡献。

关键词：FRP 复合材料;土木工程;工程结构一、;FRP复合材料在土木工程中的运用现状（一）超负荷运行首先，对于土木工程来讲，有着复杂程度高与持续性较长的特点，所以在施工中就要从具体工艺技术与施工材料出发，确保施工的合理性。

但是受到土木工程功能性要求的影响，涉及较多的使用材料。

其次，结合具体标准在现场中增设小型化移动基站，可以确保整个工程现场施工的安全性。

但是在使用 FRP 复合材料以后，很容易增加施工现场在材料管理方面的工作量。

最后，在施工现场中相关设备很容易出现超负荷运行状态，但是在 FRP 复合材料的使用下，则可以代替大部分材料，不仅优化了整个施工过程，同时，也实现了对现场的有效管理，提升了现场工作效果。

（二）行业消耗材料较多首先，就目前的土木工程市场来讲，在施工材料方面表现出了消耗量较大的现象，在一定程度上增加了材料浪费与施工成本，甚至还会对土木工程的功能性产生影响。

其次，在后期使用中很容易出现磨损、变形等问题，严重的还会影响到行业的发展。

最后，在建筑工程施工中，涉及总包与分包之间的矛盾，从而限制了工程的开展。

所以在现阶段发展中想要提高土木工程建设质量，就要坚持从发展角度出发，展现 FRP复合材料的优势。

二、 FRP复合材料在土木工程中的运用（一）加固工程就 FRP 复合材料来讲，主要以纤维材料混合为主，所以在材料强度等方面有着一定的优势。

目前，在土木工程建设中 FRP 复合材料主要以加固使用为主，且在 FRP复合材料的使用下能够提升土木工程的质量与安全。

解析FRP复合材料及其在土木工程中的应用研究摘要：在一定的条件支持下，frp复合材料能够替代传统意义上的木结构材料以及钢筋材料，且在实践应用的过程当中表现出了极为突出的综合性优势，这也正是将frp复合材料应用于土木工程中的关键条件之一。

本文依据这一实际情况，以frp复合材料为研究对象，首先简要分析了frp复合材料的基本性质与特点，在此基础之上，分别从既有结构加固以及新建土木工程这两个方面入手，详细阐述了frp复合材料在土木工程中的应用情况，并据此论证了frp 复合材料在提高土木工程建设质量与结构稳定性方面所发挥的重要作用与意义。

关键词：frp复合材料土木工程性质特点结构应用分析中图分类号：k826.16 文献标识码：a 文章编号：在现代意义上的土木工程逐步向着大跨度性、重载性、高强度性以及轻质性方向发展的背景作用之下，传统意义上的木质结构以及钢筋结构材料已无法充分适应于土木工程所面临的恶劣性与特殊性环境。

而在当前技术条件支持下，frp复合材料所表现出的综合应用性能及其优势非常显著，从而能够更好的与现代意义上施工技术的工业化发展需求所适应。

这也带动着各种桥梁结构、地下结构以及建筑结构对frp复合材料的应用。

本文试针对以上问题做详细分析与说明。

一、frp复合材料基本特性及性质分析frp复合材料——纤维增强复合塑料（frp：fiber reinforced polymer）即我们所俗称的玻璃钢。

在现阶段的技术条件作用下，frp复合材料是指将基体材料与纤维材料，按照一定的比例进行充分混合，在专用模具的挤压以及拉拔作用之下所形成的复合性材料。

在frp复合材料的制备过程当中，主要材料有纤维材料以及基体材料。

其中，对于纤维材料而言，其纤维直径大多在12um单位以下，却断裂应变指标在3％以内，属于易损伤，同时也易腐蚀的脆性材料。

而对于基体材料而言，其强度指标以及模量指标相对于上述纤维材料而言更低，但在应变作用力的耐受方面更大，属于易粘弹的韧性材料。

浅议纤维增强复合材料(FRP)在土木工程中的应用摘要：21世纪以来，FRP结构发展势头迅猛。

无论是单独使用FRP材料作为建筑结构，还是与传统的建筑材料混合使用都取得了良好的成效。

FRP作为一种优质的建筑材料，以其特有的优势，受到越来越多的关注。

通过对FRP材料的特性以及应用进行系统的整理，进一步探讨了FRP发展的趋势。

关键词：FRP-混凝土预制板；FRP材料；GFRP筋；结构加固纤维增强复合材料(FRP)是由基体材料与纤维材料经过混合并加工形成的高性能材料。

这种材料首先在航空、航天领域得到的应用。

其中比较常用的FRP有碳纤维(CFRP)、玻璃纤维(GFRP)和芳纶纤维(AFRP)[1]。

20世纪50-60年代开始应用于土木与建筑工程结构，随后以其轻质高强，耐腐蚀性强，可塑性强等优点，迅速得到了工程师们的青睐。

一、FRP材料及结构的特点（一）FRP的优点1．轻质高强。

这是FRP材料最为突出的特点，钢材的比强度只是FRP的1/20-1/50。

因此，充分利用这一特性，可用于大跨度桥梁桥面板的结构。

2.可塑性高。

由于FRP材料属于纤维和树脂复合的材料，看可以通过改变纤维或者树脂的种类及数量生产出适合于不同环境的FRP产品。

改变生产工艺也是一个较为成熟的方法。

3.耐腐蚀性好。

FRP可以在酸，碱，冻融状态等环境下长期使用。

（二）FRP的特性在工程中的不足1.各向异性。

因为FRP材料是由纤维为主要受力结构，所以与纤维垂直的方向抗拉强度极小，与之相反，沿着纤维方向的抗拉强度极大。

此外，这也带来了与传统的钢筋混凝土材料不同的拉伸翘曲现象。

2.紫外线对CFRP与混凝土的粘结性能的影响。

混凝土结构的加固作用需要有CFRP片材的帮助，那么CFRP与混凝土之间有足够的的粘结性就显得尤为重要。

试验表明紫外线会对粘结性产生影响。

3.FRP结构连接处力学性能不强。

FRP抗拉强度好，抗挤压刚度不足，然而该材料不同于钢材，FRP材料抗剪性能不高，使得高强度FRP复合材料预应力筋或拉索在锚固处需要注意的问题变得特别的多。

浅谈FRP材料的优点及其在土木工程中的研究与应用FRP材料是一种通过纤维增强或填充树脂，形成高强度、高刚度的构造材料。

相较于传统的材料如钢筋混凝土，FRP材料具有许多优点，使其在土木工程中具有广泛的研究和应用。

首先，FRP材料具有出色的力学性能。

其高强度和高刚度使得FRP材料能够承受更大的荷载，并且具有较好的抗震性能。

与钢筋混凝土相比，FRP材料的密度更轻，使得结构更轻便。

此外，FRP材料的耐腐蚀性能也很好，能够抵抗盐水、海水和化学腐蚀，适用于海洋工程等特殊环境。

其次，FRP材料具有设计灵活性。

FRP材料可以通过设计和制造过程中的不同纤维及树脂组合，以及不同层压方式来调节材料的性能，达到满足不同工程需求的目的。

此外，FRP材料可以制成各种形状，适应各种结构设计的要求。

这种灵活性使得FRP材料在土木工程中有更广泛的应用空间。

第三，FRP材料具有较长的使用寿命和维护成本低。

FRP材料具有较好的耐久性能，不易受到氧化和腐蚀的侵蚀。

此外，FRP材料可以通过预制或现浇的方式进行施工，降低了施工难度和施工时间，从而降低了维护成本。

在土木工程中，FRP材料的研究与应用涉及到多个方面。

首先，FRP材料在加固和修补传统结构方面的应用。

在旧有土木结构加固和修补的过程中，通常需要增加结构的承载能力和刚度，而FRP材料可以通过加固以及补强材料的方式，提高结构的承载能力和刚度，延长其使用寿命。

其次，FRP材料在新型土木结构的设计和施工中的应用。

由于FRP材料的优良性能，它可以用于设计和制造新型土木结构，如桥梁、楼房、隧道等。

通过使用FRP材料，可以使结构更轻，具有较好的抗震性能和耐久性能，同时也可以简化结构设计和施工过程。

此外，FRP材料还可以应用于土木工程中的其他方面，如管道、储槽、防护层等。

在这些应用中，FRP材料可以用于提供耐用、轻便的解决方案，并降低维护和修复的成本。

总之，FRP材料具有许多优点，包括出色的力学性能、设计灵活性和较长的使用寿命和维护成本低。

纤维增强复合材料,土木工程,应用,特点纤维增强复合材料（Fiber Reinforced Polymer，简称FRP）是一种
由纤维和树脂组成的复合材料，具有轻质、高强度、耐腐蚀、耐疲劳、易
加工等特点。

在土木工程中，FRP被广泛应用于加固和修复混凝土结构、
加固钢结构、制作桥梁、隧道、管道等结构。

FRP的特点主要有以下几点：1.轻质高强：FRP的密度比钢轻，但强度却比钢高，因此可以减轻结构自重，提高结构承载能力。

2.耐腐蚀：FRP不会被水、酸、碱等化学物质腐蚀，可以在恶劣环境下长期使用。

3.耐疲劳：FRP的疲劳寿命比钢长，可
以在反复荷载下长期使用。

4.易加工：FRP可以通过手工、机械、模压等
方式加工成各种形状，适应不同的结构需求。

在土木工程中，FRP主要应
用于以下方面：1.混凝土结构加固和修复：FRP可以用于加固和修复桥梁、隧道、建筑等混凝土结构，提高其承载能力和耐久性。

2.钢结构加固：FRP可以用于加固钢结构，提高其承载能力和抗震性能。

3.制作桥梁、隧道、管道等结构：FRP可以制作轻质、高强度的桥梁、隧道、管道等结构，减轻结构自重，提高结构承载能力。

总之，FRP作为一种新型的材料，在
土木工程中具有广泛的应用前景，可以提高结构的承载能力、耐久性和抗
震性能，为工程建设提供更加可靠、安全的保障。

探讨土木工程中复合材料的应用【摘要】本文主要根据自己多年的相关工作经验，探讨一下土木工程中复合材料的应用。

本文主要研究对象是的是frp复合材料，首先分析了当前frp 在土木工程中的应用现状，然后介绍了frp在土木工程应用的几个特殊领域以及一些关键技术，详尽的介绍了frp复合材料的一些优良特性，从而使得frp能够被更广泛地应用。

【关键词】frp复合材料；土木工程；工程技术[ abstract ] this article mainly according to their years of related working experience, discuss the application of composite materials in the civil engineering. this article main research object is the frp composite material, firstly analyzes the current frp application in civil engineering condition, and then introduced the frp in civil engineering application in several special fields and some key technology, introduced in detail the frp composite material of some excellent characteristics, so that the frp can be applied more widely.[ key words ] frp composite materials; civil engineering; engineering technology中图分类号：s969.1文献标识码：a 文章编号：2095-2104（2012）前言在过去，高级复合材料具有较好的工程性质，比如具有高比强度系数、高比刚度系数、高耐疲劳度、高阻尼、低密度、抗腐蚀、沿着纤维方向具有低热膨胀率等特征。

第26卷　第1期华侨大学学报(自然科学版)Vol.26　No.1 2005年1月Journal of Huaq iao Universit y(Natural Science)Jan.2005　　文章编号　1000-5013(2005)01-0001-06FRP复合材料及其在土木工程中的应用研究王全凤①　杨勇新①　岳清瑞②(①华侨大学土木工程学院,福建泉州362021;②国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心,北京100088)摘要　FRP复合材料(Fiber Reinforced Plastic,FRP)及其在现代土木工程中应用,这是土木工程领域的前沿课题之一.对于这一领域的研究工作,目前国内刚刚起步.文中在综合有关资料的基础上,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.介绍FRP复合材料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复合材料,土木工程,工程应用中图分类号　TU599文献标识码　A1　FRP复合材料1.1　FRP复合材料特性复合材料(Composite Material)是指两种以上的材料组合在一起形成的非均匀材料.事实上,自然界中绝大多数物体都可视为复合材料.在土木工程界,最典型的复合材料是混凝土.在现代工业界,复合材料是指人工制造合成的二相或多相材料,通常一相为加强材料(Reinforce),另一相为基质(Matrix).常用的加强材料有玻璃(Glass)、铜(Carbon)、石墨(Graphite)或碳化硅(Polymer).常用的基质材料有各类聚合物(Polymer),如高分子聚合物、低分子聚合物、热固性聚合物和金属、陶瓷等.加强材料通常采用纤维(Fiber)或颗粒(Particle)两种形式.在工业界最常采用的复合材料是加强纤维复合材料(Fiber Reinforced Plastic,FRP).复合材料的发展历史很短,最早的复合材料产生于1939年,是玻璃纤维复合材料(Glass/ Epoxy Fiber Reinforced Plastic,GFRP).从1959开始,工业界开始生产和应用复合材料.1.2　FRP复合材料在土木工程中应用的优势复合材料产生和发展的基本思想是充分发挥加强材料和基质的不同材料特性,并将其有机组合,使复合材料具有传统材料所不具备的物理化学及力学特性.这种思想类似于钢筋混凝土的特性,利用钢筋承担大部分受拉应力,利用混凝土承担大部分受压应力.所不同的是,在复合材料中,绝大部分应力均由具有较高强度的纤维承担,而基质主要起传递剪力和包裹纤维的作用.正是复合材料可以有机组合不同性质的材料,因此复合材料具有传统材料(如钢材)无法比拟的优点.复合材料最重要的优点是具有非常高的强度对重量比(Strength to Weight Ratio)及刚度对重量比(Stiffnes to Weight Ratio),因此复合材料广泛应用在航空、航天等要求轻质高强结构的领域.此外,复合材料还具有抗疲劳、抗腐蚀、磁电屏蔽及使用寿命长等优点.2　FRP复合材料在土木工程中应用的技术现状及趋势FRP在土木工程中的应用比其它产业滞后,主要有两个原因.第一个原因是建筑物造价不能过高;另一个原因是缺少工程经验.工程师面对的许多实践性问题就是关于这种FRP加强结构的预期或先见效果的设计.对混凝土结构和钢结构有一系列规程和标准及丰富的设计理论和工作经验,然而对于　收稿日期　2004-04-09　作者简介　王全凤(1945-),男,教授,博士,主要从事土木工程的研究.E-mail:qf wang@　基金项目　国家“十五”863计划基金资助项目(2001AA336010)2华侨大学学报(自然科学版) 2005年FRP加强结构设计的标准和研究还相当匮乏.但从90年代早期,尤其从1996年开始,在土木工程中的一些特殊领域,FRP的使用已经有了巨大发展.在最近10年中,有许多文献报道了FRP在土木工程中的应用.第二届复合材料在桥梁和结构进展的国际会议上,有来自20个国家的247位作者提交119篇文章涉及到FRP复合材料的应用,这表明了FRP复合材料的应用正在引起广泛注意.2.1　国外技术发展现状由于FRP复合材料特性奠定了FRP在土木工程领域应用的巨大技术优势.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,且以每年35000座的速度在增加.1991年用于修复由于耐久性不足而损坏的桥梁,耗资910亿美元〔1〕.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.英国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,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15年期间,修补费用已高达4500万英镑,为造价的1.6倍,估计以后15年还要耗费1.2亿英镑,累计接近造价的6倍〔2〕.日本引以为豪的新干线使用不到10年,就出现大面积混凝土开裂、剥蚀现象.我国混凝土工程的耐久性问题也十分突出,据统计我国既有的公路桥梁中危桥约占35.4%,北京市的多座高架桥都存在程度不同的耐久性损伤.从最早期的FRP材料应用开始,国外FRP材料在土木工程中的研究和应用的历史已有近30年.20世纪60年代,美国即生产出早期的GFRP筋用于混凝土结构.80年代,日本、美国和欧洲发达国家的有关高等学校、科研机构和材料生产厂家在FRP材料用于工程结构加固方面投入了许多研究力量,在土木工程领域进行大量的研究和广泛应用,取得了一批富有成效的成果.特别是90年代,由于在欧美一些国家,特别是美国,有大量的结构接近设计寿命或承载能力不足,如何有效快速进行结构补强或置换成为学术研究的热点. 1995年日本阪神地震,采用GFRP对混凝土结构进行抗震加固,由于GFRP现场加固技术具有高强高效、施工便捷、耐久性好等优点,为抗震救灾和震后恢复重建工作赢得了时间.在FRP筋混凝土方面,FRP筋最主要的优势是不锈蚀和高强度.FRP筋可以替代普通钢筋,解决普通钢筋容易锈蚀的问题.另外,它们很轻,没有磁性,而且拥有非常好的抗疲劳性.据美国西弗吉尼亚(West Virginia)大学研究GFRP筋的报告,高强度FRP筋混凝土梁比使用传统钢筋的梁显示出极大的抗弯强度.美国在1986年建成了第一座配置FRP筋的预应力混凝土桥梁.1983年荷兰研制出芳纶纤维(AFRP)预应力筋,与普通钢筋混凝土构件相比,采用这种AFRP预应力筋不需要混凝土保护层,从而可以减小构件截面尺寸.1994年加拿大建成了第一座采取GFRP预应力绞线的公路大桥.1996年在美国西弗吉尼亚建造了第一座使用FRP筋的大桥.目前,采用FRP筋混凝土结构实例不多,技术也不完全成熟.其FRP筋材料均为单一品种的AFRP、碳纤维(CFRP)或GFRP,没有应用混凝土改性的FRP筋.其应用领域,也大多局部于桥梁或有较高防腐要求的结构.在研究与应用的规范与标准化方面,各国也给予了相当的重视.1999年日本土木学会成立FRP加固委员会,并完成了使用FRP片材的混凝土维修、加固技术草案.1991年美国混凝土协会成立了ACI440委员会,负责开展FRP加固混凝土与砌体结构的研究;ACI423委员会负责开展FRP的研究,目前已推出了有关设计指南(草案).1993年ACI在加拿大主办了第一届国际FRP专题会议,此后每两年举办一次.欧洲《高性能FRP加固混凝土结构设计指南》项目于1997年12月开始启动,目前已完成.我国在FRP加固的规范制定方面还是比较落后,到目前为止我国仅仅制定了一本关于碳纤维加固混凝土结构的规程《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》〔3〕.近年来,国外某些发达国家不仅已将CFRP材料成功地应用于各种新建及已建的建筑与土木工程领域,而且其它FRP材料(GFRP和AFRP)也已得到成功地应用.许多发达国家都十分重视和积极推广FRP在土木工程中的研究和应用.据统计仅CFRP每年应用数量即达600～700t,在土木建筑方面的应用产品已达数十种,并已标准化、规范化.2.2　国外技术发展趋势国外在进行FRP在现代土木工程中应用技术的研究中,明显的有以下发展趋势.(1)在对单一品种高性能FRP复合材料研究与应用的基础上,更加重视与强调由不同种类高性能FRP复合材料混杂与复合后的改性问题.目的在于克服材料本身弱点,使之更适用于现代土木工程的特点,并满足实际需要.(2)为更好利用高性能CFRP与AFRP高强的特点,更强调采取预应力的方法给予充分利用.(3)为抢占海洋工程的制高点,国外,特别是日本投入了大量资金进行该方面的应用材料与应用技术的研发,以期在今后的海洋工程建设中占据技术统治地位.(4)土木工程中应用的高性能FRP 复合材料的品种已越来越多元化.随着经济的发展、材料性能的提高,以及成本的下降,越来越多的FRP 复合材料被应用于土木工程的各个方面.如从最初的GFRP 发展到CFRP 和AFRP ,再发展到PBO 纤维、超高强聚乙稀纤维和玄武岩纤维等.2.3　国内技术现状及特点我国在土木工程中对FRP 材料应用技术的研究与开发,基本是从20世纪90年代中期开始的.1997年开始引进CFRP 片材加固混凝土结构技术,并开始进行相关研究.由于其巨大的技术优势,在很短的时间内就形成研究及其工程应用的热点.目前已有冶金工业部建筑研究总院(国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心)、清华大学、东南大学、华侨大学等数家单位开展了FRP 应用与材料技术的研究.迄今已完成几十项研究项目,发表研究论文100多篇.其在FRP 加固技术和设计计算理论等方面,已取得一批创新性的研究成果〔4〕.同时,已完成FRP (主要是CFRP 片材)加固工程数百项.中国土木工程学会于2000年6月成立了“纤维增强塑料(FRP )及工程应用专业委员会”,并同时在北京召开我国首届纤维增强塑料(FRP )混凝土结构学术交流会.使得该项研究更有组织性与系统性,提高了研究效率.随着CFRP 片材加固混凝土结构技术在我国研究和应用的迅速开展,中国工程建设标准化协会标准《碳纤维布加固修复混凝土结构技术规程》已经发布实施.其它两个材料产品标准和国家级《高性能复合材料应用规范》,也在编制当中.高性能FRP 复合材料加固修复技术的研究和应用已在我国逐渐展开,且正在以高速度发展.我国土木工程应用高性能FRP 复合材料的进展很快,但起步较晚.CFRP 片材的应用才刚刚进行,且仅用于结构加固修复技术方面.在高性能FRP 复合材料材料方面,CFRP 片材基本还依赖进口.其它纤维的FRP 研究和应用,也还落后于国外发达国家水平.GFRP 国内有较成熟的生产技术,但用于土木工程的研究和应用尚较少,未形成规模也不配套.这在某种程度上也制约其发展.而AFRP 的材料生产、研究和应用均很少,没有自己的主导产品.FRP 筋/索和FRP 预应力混凝土的研究工作刚刚起步,相关的技术(如锚具、张拉设备等)研究国内目前还很少.至于其它FRP 应用领域的研究,如FRP 组合结构、FRP 筋、索、型材的应用和研究方面基本是空白.这种情况严重制约了该领域材料及技术的发展,远远满足不了国民经济发展的需要.3　FRP 在土木工程中应用的几个特殊领域〔5〕目前,FRP 在土木工程中应用有以下几个特殊领域.3.1　FRP 在复杂环境下部结构(Infrastructure )中的应用在最近几年,由于环境影响,水边码头地下基础显示出结构性能劣化与抗力衰减的缺陷得到了广泛的关注.由于这种情况的产生原因是复杂的、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结构中存在一些问题可行材料的优势.例如,增加FRP 材料的层数以加强一个现有结构,或者用GFRP 加强筋替换一些钢筋,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.3.2　FRP 加强筋FRP 加强筋可以替代普通钢筋,解决容易锈蚀的问题.另外,它们很轻,没有磁性,而且拥有非常好的抗疲劳性.3.3　FRP -混凝土组合结构受钢-混凝土组合结构应用成功的启发,当考虑经济因素时,一个混凝土和FRP 组合的新概念变成了一个有潜力的可行解决方案.当前这个领域的研究聚焦在用FRP 外包混凝土上,类似钢管混凝土.Seible 研究了这个结构体系〔6〕,使用GFRP 的外壳填充混凝土替换桥的主梁,支撑由FRP 制作的桥面板.这种FRP -混凝土组合梁,组合柱,很好利用了FRP 和混凝土的最好性能.FRP -混凝土组合结构强度高、重量轻和刚度高、价格低的特点将改变影响FRP 在推广应用中建筑造价的因素.3.4　全FRP 复合材料大型结构3第1期 王全凤等:FRP 复合材料及其在土木工程中的应用研究4华侨大学学报(自然科学版) 2005年FRP复合材料的多功能性、可制造性,提供给工程师们很多机会在一些功能要求抗腐蚀或磁电屏蔽的特殊建筑结构中,去开发应用这种独特的FRP复合材料.比如用于电磁试验操作的建筑结构,或者是感光电路金属板房间.第一个全GFRP建筑是美国苹果计算机公司的电磁干涉实验室,另一个工程例子是IB M计算机公司电路板车间的5层上部结构.3.5　FRP桥面板的优势桥梁结构性能劣化与抗力衰减的一个根源是侵蚀.在传统设计中,冬季使用防冻剂会恶化结构中钢筋.FRP是解决这个问题的可行方法,因为FRP有非常好的抗腐蚀性能.由于大多数结构性能劣化与抗力衰减的桥梁都处于重要的交通路线中,所以迅速地替换那些桥梁,避免交通的长期中断是极其重要的.使用FRP桥面板替代那些结构性能劣化与抗力衰减的桥面板是个很省时的办法,因为这些桥面板可以在工厂中生产,现场安装过程只需要很短的时间.在多地震地区,因为FRP复合材料重量轻,在地震过程中会减小惯性力的作用,使用FRP桥面板将会减少地震的损害.由于FRP桥面板与传统桥面板相比有太多的优势,在近几年里,人们致力于开发研究这种由FRP制成的高性能、轻质和造价经济的桥面板系统.4　FRP在土木工程中应用的关键技术4.1　关键的材料技术4.1.1　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%～26. 0%,而CFRP为1.5%,AFRP为1.5%～2.0%,GFRP为2.5%～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%～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.4.1.2　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:(a)特种粘贴树脂基体结构设计及材料合成技术;(b)高性能FRP复合材料筋/索锚具及预应力张拉设备研制.4.2　关键的设计技术〔5〕4.2.1　新的工程力学分支———复合材料力学　由于材料的非匀质性(Anisotropic),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(Isotropic)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耦合(B ending-Stretching Coupling)、弯翘耦合(Bending-Twisting Coupling)及拉剪耦合(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.4.2.2　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.4.2.3　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〔7～10〕.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.4.2.4　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.4.3　关键的应用技术4.3.1　结构加固补强的关键技术　与传统加固形式形成鲜明对比的是近年来在国际兴起的FRP 加固现有结构技术,其简便的施工工艺及优良的加固效果得到土木工程界的普遍赞同〔11,12〕.FRP 复合材料,尤其是高性能CFRP 与AFRP 复合材料目前在现代土木工程中应用最广泛的是在基础设施的结构加固补强方面.尽管该项工作已取得很多成果,并得到广泛应用,但仍有很多课题尚待解决,制约着其发展与更广泛应用.主要包括两个方面,一是界面受力性能研究;二是预应力加固补强技术研究.4.3.2　在新结构中应用的关键技术　高性能FRP 复合材料在现代土木工程中应用的一个最广阔领域,即是应用于新建结构中的应用技术.由于其材料特点,可以为现代土木工程建设带来革命性的变化.采用FRP 材料代替原有混凝土结构的钢材,会使原有的设计理论与设计方法发生较大改变.而针对FRP 混凝土及FRP -混凝土组合结构的新设计理论与设计方法的建立,即成为FRP 应用的技术关键.FRP 材料在土木工程中应用,其连接锚固性能与构造要求一直是其应用的关键.4.3.3　特殊条件下应用的技术　(1)海洋环境下FRP 材料应用技术研究.任何海洋资源的开发都离不开对海洋基础设施的建设,而在所有海洋基础设施的建设中,结构防腐问题一直是一个最突出的问题.目前在建的海洋钢筋混凝土结构,采用最厚的混凝土保护层(一般为150mm 左右,相当于陆地混凝土结构保护层的5倍以上)及防腐措施,其对内部钢筋防氯盐腐蚀也仅有15年左右,这与永久或半永久性的海洋结构耐久要求相距甚远.采用FRP 混凝土或FRP -混凝土组合结构就可以从根本上解决海洋工程中的钢筋(钢材)腐蚀问题,其重大意义不言而喻.(2)高寒环境下免维护应用技术研究.高寒环境下,基础设施建设与维护费用昂贵,建设周期过长.因此,对于再建或拟建的各种基础设施项目(主要是公路与铁路等交通项目),提高其建设质量,减少维护费用是一个重大的技术问题.用FRP 筋代替钢筋,做成免维护复合材料混凝土结构,从而达到提高基础设施耐久性与延长寿命的目的.(3)地质灾害防治中永久锚固支护技术研究.对山体与边坡滑移治理最有效的办法就是采用预应力锚固支护技术.到目前为止,预应力锚固支护均采用预应力钢绞线锚杆.这对于临时支护或半永久支护尚可以应用,但对于永久支护项目因钢筋锈蚀等问题对长期使用带来相当大的隐患.如现在的长江三峡库区2003年开始蓄水后,一部分山体与边坡将埋于水底,不可能再对其使用状况进行检测与再加固.几十年或百年以后,一旦由于预应力钢绞线锈蚀而使山体或边坡锚固支护失效发生滑移,结果将是灾难性的.4.3.4　高性能FRP 复合材料检测评价的技术　材料的试验检测、评价技术是一切材料工程应用的基础.目前,世界范围内还没有建立一套大家公认的土木工程用高性能FRP 复合材料试验检测与评价技术体系,而我国在该方面的成果则更少.5　FRP 应用展望随着经济高速发展和技术飞速进步,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 复合材料,具有轻质、高强、耐腐蚀、抗疲劳、耐久性好、多功能、适用面广、可设计和易加工等多种优点.在重要的土木工程中,如超大跨、超高层、地下结构、海洋工程、高耐久性的应用,以及特殊环境工程、永久性工程、结构加固修复、大型工程结构的在役监测等的应用,都具着巨大的优越性.它可以满足现代土木工程,对新型建筑材料提出更新、更高的要求.FRP 复合材料作为5第1期 王全凤等:FRP 复合材料及其在土木工程中的应用研究6华侨大学学报(自然科学版) 2005年一种新型的有发展潜力的建筑材料与技术,并不是要取代传统的建筑材料-钢材与混凝土,而是做为传统建材的一个重要补充.FRP复合材料在土木工程中的应用技术与材料研究开发,在当今世界上已成为复合材料界与土木工程界共同研究开发的一个热点.该技术研究开发成功后,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1　Dunker K F,Rabbat B G.Wh y American bridges are cru mbling[J].Scientific American,1993,(3):31～372　罗福午.建筑结构缺陷事故的分析及防止[M].北京:清华大学出版社,1996.4～123　中国工程建设标准化协会编.CECS146碳纤维片材加固混凝土结构技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社,2003.1～334　岳清瑞.我国碳纤维增强塑料(CFRP)加固修复技术研究应用现状与展望[J].工业建筑,2000,30(10):23～265　何毅鸿.纤维加强的井字肋核芯复合材料夹层板受弯简化分析方法[D]:[学位论文].泉州:华侨大学土木工程系, 2000.6～86　Seible F.Advanced composites materials for bridges in the21st century[A].In:Elbadry M M,eds.Advanced Composite Materials Bridges and Structures[C].New York:Elsevier,1996.17～407　Wan g teral buckling of thin-walled open members with shear lag using optimization techniques[J].Int.J.of Solid and Structures,1997,34(11):1343～13528　李育凯,王全凤.不需要计算机的建筑结构优化概念设计[J].工业建筑,2001,31(10):21～239　郑　浩,王全凤.基于Hop 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The study of this topic starts just now in our country.Based on the summary of releveant studies at home and abroad,the authors present key technology concerning FRP compos ite material and its application to modern civil engineering;and look forward to the prospect of FRP application.Keywords　FRP composite materials,civil engineering,application。