關(guān)于復(fù)合材料在土木工程中的發(fā)展與應(yīng)用研究

■趙李艷 ■南昌市建筑工程技工學(xué)校，江西 南昌 330000

在當(dāng)前的土木工程復(fù)合材料中，F(xiàn)RP 是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，是新型的結(jié)構(gòu)材料，由多種性能較強(qiáng)的纖維和樹(shù)脂組合而成。這種材料的特征是重量較輕、強(qiáng)度較高、成型便捷、具有較強(qiáng)的耐腐蝕性，發(fā)揮在土木工程中實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)材料混凝土和鋼材的有力補(bǔ)充，科學(xué)合理地將土木將FRP 應(yīng)用在土木工程中已經(jīng)成為其重要的發(fā)展趨勢(shì)。

1 對(duì)工程結(jié)構(gòu)發(fā)揮的加固和補(bǔ)強(qiáng)的作用

對(duì)于復(fù)合材料的應(yīng)用，主要是采取某種方式，將FRP 附著在構(gòu)件的表面，達(dá)成受力狀態(tài)，目的是強(qiáng)化原有構(gòu)件的受力能力。早在上世紀(jì)八十年代，對(duì)于這種構(gòu)想就進(jìn)行的常識(shí)，主要是在混凝土外加貼纖維復(fù)合材料，內(nèi)部帶有高強(qiáng)度的鋼絲，實(shí)現(xiàn)加固的目的，但是，這種方式主要的作用是增強(qiáng)防腐效果，實(shí)現(xiàn)了鋼絲與混凝土的結(jié)合。發(fā)展到九十年代，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料出現(xiàn)，應(yīng)用在對(duì)橋梁的加固方面，促使纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在加固和修復(fù)方面的影響增強(qiáng)，研究的范圍實(shí)現(xiàn)了拓展，在具體的工程中得到應(yīng)有，促使FRP 在修復(fù)和加固方面彰顯優(yōu)勢(shì)。此時(shí)，我國(guó)的CFRP 加固工程出現(xiàn)，為新型復(fù)合材料的發(fā)展奠定的基礎(chǔ)，當(dāng)前，F(xiàn)RP 技術(shù)在結(jié)構(gòu)加固工程中得到極大推廣，發(fā)展到橋梁和建筑，涉及混凝土、地下隧道等多種形式，加固方式展現(xiàn)為纏繞、粘貼等多種方法。FRP 在混凝土結(jié)構(gòu)中的加固形式較多，在各種結(jié)構(gòu)架構(gòu)中應(yīng)用比較普及，其中，在鋼結(jié)構(gòu)加工方面的運(yùn)用最為突出。

2 FRP 筋索和預(yù)應(yīng)力FRP 筋混凝土結(jié)構(gòu)介紹

(1)對(duì)于FRP，整個(gè)纖維的比重較大，其筋的重量較小，同時(shí)，強(qiáng)度較高，是常規(guī)鋼筋的多倍。它在耐腐蝕方面特點(diǎn)突出，也是實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼筋有效代替的主要性能，避免出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象，致使結(jié)構(gòu)受到破壞，也有利于節(jié)省維護(hù)費(fèi)用，降低時(shí)間成本。另外，其非磁性的特征突出，能夠達(dá)到相關(guān)工程的無(wú)磁性標(biāo)準(zhǔn)。FRP 索在橋梁工程中應(yīng)用較多，可以發(fā)揮纜繩的作用，抑或是用作預(yù)應(yīng)力筋。早在二十世紀(jì)六十年代，這種配筋就應(yīng)用在混凝土的橋梁建設(shè)中，目的是借助GFRP 的性能，避免一些特殊地區(qū)的不利因素的影響，如寒冷或者沿海地區(qū)的鹽蝕現(xiàn)象。另外，GFRP 價(jià)格不高，操作簡(jiǎn)單，耐久性強(qiáng)，使用比較廣泛。

(2)在我國(guó)，使用較大的市FRP 筋、索產(chǎn)品以及配套錨夾具。在FRP 筋混凝土的研究中，主要涉及兩個(gè)方面的內(nèi)容，一個(gè)混凝土與筋之間粘結(jié)的問(wèn)題，一旦效果不佳，加之處理方式的不同，會(huì)得到不同的粘結(jié)效果。另外一方面是在力學(xué)方面的性能，主要是鑒于FRP 筋具有彈脆性材料類型，使得其在混凝土構(gòu)件受力方面與傳統(tǒng)方式存在不同，為此，要立足不同，進(jìn)行深入研究。

3 對(duì)FRP 組合結(jié)構(gòu)的介紹

FRP 組合幾個(gè)就是將不同類型的形式的FRP 產(chǎn)品與鋼材或者混凝土進(jìn)行結(jié)合，發(fā)揮各自最大優(yōu)勢(shì)，從而形成新的結(jié)構(gòu)。對(duì)于FRP，鑒于性能的完善下，其可塑性較強(qiáng)。

3.1 FRP 管混凝土分析

將混凝土填至纏繞成型的FRP 管仲，形成混合構(gòu)件，這種方式比較合理，除了發(fā)揮對(duì)混凝土約束的作用外，還可以發(fā)揮模板的作用，加快施工，提高較高的耐久性。對(duì)于FRP 管混凝土的研究比較多，深入開(kāi)展對(duì)組合結(jié)構(gòu)的受力等方面的探索。

3.2 FRP-鋼管-混凝土組合構(gòu)件的分析

在構(gòu)件的中間部分設(shè)置空心的鋼管，外面包FRP，之間添加混凝土，在具體施工進(jìn)行中，鋼管發(fā)揮的承力的作用，F(xiàn)RP 充當(dāng)模板，鋼管受到了保護(hù)，防止銹蝕的發(fā)生，變形幾率降低，自重降低，

3.3 FRP-混凝土組合梁分析

FRP-混凝土組合梁分析主要是借助組合方式關(guān)鍵，促使上部混凝土受壓，下部受拉。在組合件的作用下，材料的利用率提高，將其作為長(zhǎng)久使用的模板，有利于施工的順利開(kāi)展。

3.4 CFRP-鋁合金組合構(gòu)件的分析

CFRP-鋁合金組合構(gòu)件是將FRP 在鋁合金的外面進(jìn)行包裹，以實(shí)際設(shè)計(jì)為依據(jù)，最大地發(fā)揮二者的優(yōu)勢(shì)，如高強(qiáng)、耐腐蝕等，防止脆性的發(fā)生，這種方式比較適合在大跨度的結(jié)構(gòu)中使用。

3.5 FRP-木組合構(gòu)件

FRP 在纖維構(gòu)造方面與木材具有相似的構(gòu)成，具有受力方面的特性，抗火能力不強(qiáng)，在實(shí)現(xiàn)組合之后，F(xiàn)RP 能夠發(fā)揮增強(qiáng)的作用，木材發(fā)揮內(nèi)部填充的功能，在力學(xué)方面達(dá)到性能最強(qiáng)。這種組合方式操作簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟，有利于降低工程造價(jià)支出。

4 對(duì)全FRP 結(jié)構(gòu)的介紹

鑒于FRP 在力學(xué)方面的優(yōu)勢(shì)，例如，耐腐蝕性、絕緣性以及隔熱性，使得其在設(shè)計(jì)和優(yōu)化方面優(yōu)勢(shì)明顯，全FRP 結(jié)構(gòu)具有不可替代的作用，在民用工程中應(yīng)用較多。在當(dāng)前的土木工程中，全FRP 結(jié)構(gòu)主要分為如下幾種形式。

4.1 對(duì)FRP 橋面體系的分析

以FRP 材料作為橋梁的面板，能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的降低，增強(qiáng)對(duì)環(huán)境侵蝕的抵抗能力，減少后期維護(hù)的支出。借助這種新的橋板，橋面的重量降低，使用時(shí)間增長(zhǎng)。

4.2 對(duì)FRP 輕質(zhì)橋梁的分析

對(duì)于這種輕型的橋梁，主要應(yīng)用在人行天橋，幾乎全部構(gòu)件都采用FRP，較小了整個(gè)上部構(gòu)造的重量。FRP 輕質(zhì)橋梁與傳統(tǒng)方式存在受力的不同，首先，這種橋梁承載能力強(qiáng)，但是剛度不大，采取變形控制的方式。其次，受力特點(diǎn)為線性，變形與承載成正比關(guān)系，在出現(xiàn)完全破壞之前，變形十分明顯，呈現(xiàn)比較突然的狀態(tài)。當(dāng)前，這輕質(zhì)橋梁的研究發(fā)展不大，缺少相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求。

4.3 對(duì)FRP 編制網(wǎng)結(jié)構(gòu)的分析

這種方式的結(jié)果是以一定的標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，將FRP 板條進(jìn)行編織，在張拉作用下，形成一種結(jié)構(gòu)體系，柔性較強(qiáng)。這種結(jié)構(gòu)借助的是輕質(zhì)的特征，比較適合于較大跨度的結(jié)構(gòu)，建筑效果比較突出，適合于大型建筑。

4.4 FRP 桿間空間結(jié)構(gòu)分析

在空間結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中應(yīng)用FRP，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的獲取。FRP 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)桿件主要是由CFRP 片粘貼而成，按照不同的角度和層次，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)與錐頭的有效連接。這種結(jié)構(gòu)重量較小，施工方便，不需較長(zhǎng)時(shí)間，具有較強(qiáng)的耐腐性，防止凝露的出現(xiàn)，維護(hù)費(fèi)用不高。這種結(jié)果比較適合于環(huán)境差、跨度大的結(jié)構(gòu)。

4.5 多種款式的FRP 曲面結(jié)構(gòu)物

如果采用傳統(tǒng)材料來(lái)實(shí)現(xiàn)不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)形式，需要較高的成本，但是FRP 效能較高、成本較低，有利于多樣化的結(jié)構(gòu)形態(tài)的需求。同時(shí)，F(xiàn)RP 的可設(shè)計(jì)性較強(qiáng)，有利于結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)化。FRP 有利于彌補(bǔ)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不足，借助優(yōu)化作用，促進(jìn)結(jié)構(gòu)受力的合理化，為此，F(xiàn)RP 是非線型建筑的理想結(jié)構(gòu)物。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上，隨著土木工程的高速發(fā)展，雖然混凝土和鋼材使用量較大、規(guī)模龐大、應(yīng)用時(shí)間長(zhǎng)，但是面對(duì)復(fù)雜的建筑環(huán)境，仍無(wú)法滿足土木工程的需要。FRP 作為一種全新的復(fù)合材料，以其多樣化的表現(xiàn)形式廣泛應(yīng)用在土木工程領(lǐng)域，應(yīng)用愈加廣泛，具有更加廣闊的發(fā)展前景。

［1］高娜.纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在土木工程中的應(yīng)用［D］.西安工業(yè)大學(xué)，2012.

［2］王茜.纖維復(fù)合材料在土木建筑工程中的應(yīng)用進(jìn)展［J］.知識(shí)經(jīng)濟(jì)，2012，06∶93.