建筑工程：复合材料在土木工程中的发展与应用

　　建筑工程：复合材料在土木工程中的发展与应用

　　摘要：纤维复合增强复合材料（FRP）是土木工程中一种新型的结构材料，它凭借其力学、物理及化学等一系列特性，为土木工程中传统材料提供了重要补充。FRP复合材料具有轻质、高强、耐腐蚀及成型方便等优点，使其在土木工程中得到了广泛的应用，在各类结构物中合理应用FRP已经成为土木工程发展之中非常重要的方向。本文主要介绍了FRP加固补强、FRP紧索与预应力FRP筋混凝土结构、全FRP结构等的应用及发展，希望可以为FRP复合材料以后在土木工程中的深入应用及发展提供依据。

　　关键词：复合材料；土木工程；发展；应用

　　随着近年来社会经济水平的不断提高，土木工程领域得到了快速发展，各种新材料、新技术开始广泛应用于工程建设之中，引起了人们的广泛关注。纤维增强复合材料（ERP）是一种新型的结构材料，由多种性能较强的纤维与树脂共同组成，这种材料的重量比较轻，具有强度高、成型便捷及耐腐蚀等特征，在土木工程中可以为传统材料混凝土与钢材提供有力补充，合理应用FEP已经成为土木工程的主要发展趋势。

　　1工程结构加固补强

　　复合材料的应用是指利用某种方式在构件表面附着FRP，形成一种受力状态，以达到强化原有构件受力能力的作用。实际上早在20世纪80年代这种构想已经形成，主要是将纤维复合材料贴在混凝土外面，以达到加固构件的目的，但是这种方式主要的作用在于增强构件的防腐效果，以实现混凝土、钢丝之间的紧密结合。发展到了90年代，碳纤维增强复合材料开始出现，将这种材料应用于桥梁加固方面，可以达到增强加固、修复效果的作用，不仅研究范围得到了拓展，同时具体工程中也得到了广泛应用，使FRP在修复、加固等方面彰显了优势。该时期我国开始出现CFRP加固工程，这无疑为新型复合材料发展及应用奠定了基础，现在结构加固工程中FRP技术已经得到了极大的推广和应用，并发展到了桥梁、建筑等，有混凝土、地下隧道等诸多形式，加固方式有粘贴、缠绕等很多方法。

　　2FRP粘贴加固混凝土结构形式

　　FRP粘贴加固混凝土结构是FRP应用于土木工程中最主要的形式，从1991年到今天都很多研究展开，具体来说主要在以下几方面集中。

　　2.1FRP布缠绕加固混凝土柱

　　这种方式主要通过对混凝土形成约束，以提升混凝土强度、变形能力及抗震能力，同时柱的抗剪能力也能得到提高，这是最有效的一种FRP布加固混凝土形式，其加固成果当前已经获得了国内外试验验证，很多FRP布都可以达到效果。相关研究证实，FRP布对混凝土柱起到的约束性效果和截面形状直接相关，一般来说矩形截面柱仅能提高变形与抗剪能力，对于提高受压承载力起到的效果有限，但是如果将截面形状处理成一定弧度，其受压承载力就可以得到显著提高。

　　2.2在梁板受拉面粘贴FRP片材

　　将FRP片材粘贴在梁板的受拉面，可以显著提升其抗弯承载力，同时裂缝情况也可以得到有效控制，目前这种加固形式在我国得到了比较多的应用，但是从其加固效果来看，主要存在下面几种问题：①FRP片材受拉作用仅在受拉钢筋屈服之后才能发挥出来，但是这时梁板挠度变形已经很大，这种情况下FRP片材对于受弯加固来说只能作为一种安全储备存在；②受弯加固提高的程度和原配筋梁之间存在很大关系，同时FRP强度通常不能得到充分利用；③将FRP片材应用于受弯加固时，很容易会造成剥离破坏，因此必须合理选用抗剥离的构造措施。

　　2.3利用FRP片材包裹梁柱构件

　　对梁柱构件利用FRP片材进行包裹，可以显著提高其抗剪承载力，这种加固形式目前是比较有效的一种，但是同样的，在应用这种加固形式时要注意其提高程度和构件原配箍率是密切相关的，同时FRP片材强度的发挥通常只能达到20%~40%。

　　3FRP紧缩与预应力FRP筋混凝土结构

　　FRP整个纤维的比重比较大，筋重量比较小，同时其强度较高，为常规钢筋的几倍之多，在耐腐蚀方面的特点比较突出，还可以有效代替钢筋发挥功能，避免出现锈蚀等现象，破坏整体结构。同时，其非磁性特征也比较突出，在很多工程中都可以达到无磁性标准。目前FRP索在桥梁工程中应用的情况比较多，通常可以将其缆绳的作用发挥出来，或者将其用作预应力筋。早在20世纪60年代，这种配筋就已经在混凝土桥梁建设中应用，其目的在于借助GFRP的功能避免特殊地区不利因素的影响，例如沿海地区或寒冷地区的盐蚀现象等。此外，GFRP的整体价格不高，操作比较简单，目前得到了比较广泛的应用。

　　FRP筋索产品及其配套锚夹具目前在我国具有比较大的市场，在FRP筋混凝土的相关研究之中，主要涉及到了两方面内容，其一为混凝土与筋粘结的问题，如果二者粘合效果不佳，加上处理方式存在差异，粘合效果可能会存在一定问题，其二为力学方面性能问题，鉴于FRP筋属于一种弹脆性材料，与传统方式相比在混凝土构件受力上存在明显不同，因此需要结合该差异展开深入研究。

　　4全FRP结构

　　FRP具有很多传统结构材料所不具备的特性，如较好的隔热性能、易加工型及可设计性等，因此工程结构如果必须在实现其承载要求的同时实现其他功能特性，这时全FRP结构可以发挥出不可替代的优势。

　　FRP材料可以作为桥面主要面板，可以达到降低结构内力的作用，同时增强对环境侵蚀的抵抗能力，后期支出上的投入也会相应减少，利用新板桥可以有效降低桥面重量，使桥面使用时间得以延长。目前FRP轻质桥梁在人行天桥中得到了广泛应用，可以有效减少上部构造重量，FRP轻质桥梁和传统方式相比，在受力上存在很大不同，FRP轻质桥梁和传统方式相比的承载能力比较强，但是刚度却比较低，可以对变形情况进行有效控制。然而目前FRP轻质桥梁标准及要求还不够完善，这方面的研究发展也缺少专业性。

　　FRP编制网结构目前都有一定标准，这也为其发展提供了依据，有效编织FRP半条可以对张拉作用产生明显影响，进而形成结构体系，其柔性比较强。FRP编织结构利用其轻质特点，可以广泛应用于大跨度结构中，获得比较突出的建筑效果，尤其是近年来在一些大型建筑中得到了广泛的应用。

　　当前FRP在空间结构系统中也得到了比较广泛的应用，它的应用可以形成网架结构，利用GFRP片粘贴形成网架结构，将不同层次、不同角度的FRP杆件作为基础，对锥头与节点进行有效连接。一般俩说，FRP杆件空间结构的整体重量都比较小，便于施工的同时施工时间也大大减少，此外其耐腐蚀性较高，可以避免出现凝露现象，需要的整体维修费用比较低，因此比较适合应用于环境较差或跨度较大的结构之中。

　　结语：

　　综上所述，目前土木工程正处于快速发展的关键时期，虽然混凝土与钢材的大规模应用已经长达百年以上时间，但是其应用之中仍存在不充分的地方，而FRP复合材料的应用形式非常多样，在很多土木工程中都可以得到应用，其应用及发展前景更加广阔。

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