FRP在土木工程中应用的新进展

工程科技FRP在土木工程中应用的新进展陈超（中冶华天工程技术有限公司土建室，安徽马鞍山243005）摘要：纤维复合材料具有强度高、质量轻、施工方便、耐久性好等优点。

因此被广泛地应用于桥梁、各类民用建筑、海洋工程、地下工程等结构中。

简要介绍其在土木工程中的应用形式和方法，并对FRP在土木工程中的应用进行了展望。

关键词：FRP；混凝土结构；桥梁结构；加固1纤维混凝土复合材料在土木建材领域中，水泥混凝土是使用最大的建筑材料，但水泥有脆性大、抗拉强度低、抗冲击性差等缺点。

在水泥基体中加入纤维(钢纤维、碳纤维、芳纶纤维以及智能纤维等)形成的水泥基纤维复合材料则赋予了混凝土高强度、高韧性、高阻裂、高耐久,体积稳定性、功能化和智能化等优点。

1.1纤维增强混凝土纤维增强混凝土就是将某些抗碱性强、力学性能优良的合成纤维用不同方式与水泥砂浆或混凝土相复合，能在不同程度上改善后者的力学与物理性能，并提高它们的使用价值和耐久性。

其理论基础来源于“纤维阻裂机理”(或称纤维间距理论)和“复合材料机理”[1]。

用碳纤维取代钢筋或钢丝，可消除钢筋混凝土的盐水降解和劣化作用，使建筑构件重量减轻，安装施工方便，缩短建筑工期。

碳纤维还具有震动阻尼特性，可吸收震动波，使防地震能力和抗弯强度提高十几倍。

有研究表明[2]，只要在水泥混凝土中混入0.5%~3%的碳纤维，就可以有效地改善混凝土的力学性能，其抗压、抗拉、抗弯强度均有很大提高。

1.2功能/智能混凝土随着人类社会和科技的发展，混凝土材料不仅要承受荷载，还要适应多功能和智能建筑的需求。

纤维复合材料应用于功能/智能混凝土主要有：屏蔽磁场水泥基复合材料、水泥基屏蔽电磁波复合材料、应变自感应混凝土、导电水泥基复合材料、温差水泥基复合材料、损伤自诊断混凝土、温度自调节混凝土等。

具体介绍详见文献[3-5]。

2FRP在加固工程中的应用FRP复合材料具有高强、轻质、耐腐、抗疲劳等优于建筑钢材的特点。

因此，在土木建筑工程结构加固中采用新型高级的FRP比采用钢板或其他传统加固方法具有非常明显的优势。

除了上述FRP 材料本身的优良性能外，还有以下优点：不需笨重的机械设备，省人工，不受施工场地大小限制，施工便捷，工期短，对结构(加固对象)正常使用功能的影响小，几乎不会增加结构尺寸，加固综合费用低，加固后基本不需维护等[6]。

2.1梁的加固FRP加固钢筋混凝土梁正截面抗弯强度的方法与传统的粘钢加固方法基本相同，即用粘结材料将FRP粘贴到梁的受拉表面。

粘贴前，混凝土表面需打磨、修补、整平、清灰和干燥等处理，保证混凝土粘贴面坚实、平整和干净。

当采用预制FRP时，粘贴前的FRP表面应按制造商要求作必要的处理。

在实际加固工程和试验与理论研究中，非预应力FRP板的应用最为广泛，预应力FRP(施加预拉应力后再粘贴到混凝土表面的FRP)的应用非常有限[6]。

前者施工简单便捷，不需任何特殊设备，工期短;后者则相反，但可减小裂缝宽度，提高FRP的材料利用率。

钢筋混凝土梁抗剪承载力的加固形式多种多样。

按粘贴构造不同可分为以下三种：a.“II型”加固法，即仅在梁的两侧面粘贴FRP；b.“U型”加固法，即在梁的两侧面和底面围粘FRP；c.“包裹”加固法，即在可能的情况下把梁的全截面用FRP包裹起来。

对前两种方法，宜在FRP的自由端采取适当的锚固措施以防过早发生剥离。

2.2柱的加固对钢筋混凝土柱进行修复加固时，FRP纤维沿柱子环向缠绕，并用环氧树脂将FRP与旧有混凝土粘接。

用FRP对柱结构进行修复加固的关键问题是除了要保证FRP和混凝土的有效粘接外，还要对由于FRP的约束而使混凝土性能的改变进行合理估算。

国内外的学者对FRP钢筋混凝土柱的进行了大量的试验研究和理论分析，主要包括：受压力学性能研究[7]、正截面和斜截面承载力性能研究[8]、以及抗震性能研究[9]，取得丰硕的成果，部分研究成果已应用在实际规范中。

2.3砌体结构的加固砌体结构在结构工程中占据着重要的地位，许多砌体结构具有比较高的历史价值和使用价值。

由于设计基准期的接近、结构设计和抗震标准的提高、设计和施工产生的隐患以及人们对建筑物的安全性、实用性和耐久性的要求不断提高等原因，许多砌体结构需要维修加固。

近年提出采用FRP加固砌体结构的新型技术，既适用于墙体局部开裂的加固又适用于墙体承载力不足情况下的加固，可以避免传统砌体结构补强方法的缺点。

该技术主要有建筑空间利用率高、耐久性好、不增加结构的自重和体积、施工方便快捷、修复加固效果明显等特点。

当前研究、开发和应用FRP材料进行砌体结构加固是发展的趋势。

FRP加固可改善结构的抗震性能，主要是由于FRP约束墙体而阻止了裂缝，改善了墙体的受力状态。

FRP的作用相当于桁架模型中的受拉杆，在加载过程中屈曲稳定，FRP的存在使滞回环饱满，面积增大，变形能力得到加强，延性增加，骨架曲线下降段平缓，从而改善了整体结构的抗震性能，避免了由于砖砌体的脆性破坏而导致整体结构的突然破坏。

3FRP在桥梁工程中应用新进展3.1FRP筋在桥梁工程中的应用FRP复合材料筋（GFRP筋、AFRP筋、CFRP筋）在桥梁工程中应用广泛，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，甚至可以用到整个桥梁体系。

1986年德国在杜塞尔多夫建成了世界上第一座采用玻璃纤维复合力筋的预应力混凝土公路桥-Ulenberg Strass桥。

桥梁荷载等级为60/30级重交通荷载，上部结构为两跨21.30+25.60米的后拉预应力混凝土连续实体板，板宽15.00米，厚1.44米，共使用59根HLV力筋。

每根力筋的工作荷载为600KN，由19根直径7.5毫米的E玻璃纤维复合材料筋组成。

全桥共使用玻璃纤维复合材料4吨。

1988年，他们又在柏林M arienfelde公园修建了一座跨径为27.63+22.95米的预应力混凝土人行桥，这是德国自1945年以来修建的第一座体外预应力桥梁。

进入20世纪90年代后德国和奥地利又修建了三座复合材料筋预应力混凝土公路桥，并在其上部结构中布设了计算机长期监测系统。

日本Saitama大学和东京绳索株式会社开发出一种称为CFCC 的碳纤维复合力筋，它由搓捻的高强连续碳纤维浸渍树脂而成。

他们已采用CFCC修建一座跨径7米的预应力混凝土工型梁桥-Shingu桥。

德国1991年在路德维希港建成一座采用CFRP筋束施加部分预应力的全长80米的预应力混凝土桥梁。

筋束制作程序是，把碳纤维束浸渍环氧树脂，拧成直径12.5毫米的索，再把19股索挤成预应力力筋。

其碳纤维的比重只为钢的1/5，但价格为钢的7倍。

加拿大的泰勒大桥全长165m，分5个等跨，每跨有8个“I”型的预制预应力混凝土梁,40根预制梁中的4根使用了CFRP箍筋。

这些梁通过CFRP胶线和CFRP筋施加预应力。

另外，CFRP用来加固阻隔墙部分，为确保测试的新材料具有与传统的钢筋相同的工作环283··工程科技对低压电力线等影像图没有的线型地物补测对水井坟电杆等独立地物补测对水沟小路村庄民房要核实标注；管道中线必须施测高程，管道折点施测三维坐标；对果园树林砖厂依据影像地形图确认其性质并标注。

对于河流，偏移中线100m 河流上下游各施测河流穿越断面。

将外业采集的数据导入、编辑，以坐标为基准与影像地形图合成、整饰、标注，形成整个管道线路影像地形图；撤去影像，形成管道线路带状地形图，在此基础上绘制全线纵断面图，局部穿跨越地形图和其纵断面图。

基于GE 地物选取控制点及中间控制测量采用WGS84坐标，方便控制点导入GOOGLE EARTH ，实现控制点与影像完整匹配。

2.6图像质量分析图像从其平台截取下来，分辨率会降低，形成数字影像图存在影像精度与几何不匹配现象，在某些地方，图像模糊（付费版本图像相对较高）。

这也存在图像分辨率和地形图比例尺不匹配的问题；这种截取的影像没有进行地形和大气改正，存在扭曲褶皱现象；影像对小型的独立地物不敏感，未有效地表示如电杆、水井、坟等，这是正是常规人工测量地形图的长处，在人工测量时注重这些独立地物施测；这样制作影像地形图充分发挥两种方法的优势，达到最佳结合。

3基于GE 长输管道线路测量应用案例应用范例：华北平原某长输管道，外业施测方法是牚上通PDA 配合全站仪传统的人工方法测量，内业采用专业的地形图成图软件CASS2008成图；测区在GOOGLE EARTH 平台中影像是快鸟卫星影像，分辨率为0.61m ，使用上述方法截取测区影像，对影像校正、描绘，再与人工施测地形图合成叠加，形成带状影像地形图，该图中影像和地物信息分层管理，方便用户使用。

图1中粗线为管道线路中线。

结束语采用GE 影像数据与传统工程测量相结合的方法施测长输管道线路，效率高、测图范围大，达到线路中线两边各150m 范围，有利于局部优化线路走向，而不用去现场重新施测线路，节省了成本。

在具有高秆作物季节，施测线路时，控制点间不通视或者卫星信号不良，给测量作业带来了困难，采用这种方法，降低了人员的劳动强度，地物又不能漏测，保证了质量。

以管道线路影像地形图为模板，使用屏幕录像专家软件制作整个线路的动画汇报系统，具有生动逼真的特点，项目评审时很受专家的欢迎，实现测量产品类型多样化。

采用基于GE 数据长输管道线路测量方法为使用高分辨卫星遥感影像实施长输管道线路测量在像控、管道外业测量、地形图成图等方面，积累技术储备，这种方法是影像工程实用化迈出了坚实一步，为基于高分辨卫星遥感影像地理信息的数字管道打下基础。

作者简介:刘志华,2006年毕业于桂林工学院测绘工程专业，工学学士，新疆电力设计院勘测室助理工程师，主要从事工程测量。

曹彦章,1987年毕业于华北石油学院，测量专业，CEP 华北分公司，主要从事工程测量。

境，该桥只有一部分设计使用了FRP 。

3.2FRP 组合桥面板在桥梁工程中的应用相对于传统材料桥面而言，FRP 桥面系统的优点主要表现在a 重量轻，比钢格栅轻约1/2，且仅有约20%的砼板重；b 比强度高，比模量大；c 抵抗疲劳和腐蚀性能好，具有更长寿命和低的维修成本。

然而FRP 组合桥面系统也有一些问题。

目前，美国、加拿大和欧洲已有多种不同截面形式的FRP 组合桥面板。

一般来说，这类组合桥面板可分为两类，即拉挤成型的组合桥面板和蜂窝夹层组合桥面板。

文献上可见的拉挤成型的组合桥面板主要有美国的Superdeck 系统、DuraSpan 系统、EZSpan 系统、Strongwell 系统、欧洲的Asset 系统及英国的ACCS 系统等。

而蜂窝夹层组合桥面板主要有美国的KSCI (Kansas Structural Compos-ites,Inc1)系统、Hardcore 系统和加拿大的纤维缠绕三角管系统等。