復(fù)合材料在土木工程中的應(yīng)用研究

韓海英

[摘要]復(fù)合材料的應(yīng)用是土木工程行業(yè)發(fā)展的必然。近年來，我國土木工程行業(yè)處于高速發(fā)展?fàn)顟B(tài)，科技的發(fā)展使很多新技術(shù)和新材料也被應(yīng)用到該領(lǐng)域，其中尤以復(fù)合材料應(yīng)用居多。人們也逐漸認(rèn)識(shí)到將復(fù)合材料應(yīng)用于土木工程的重要性，以提高土木工程建設(shè)質(zhì)量，為土木工程行業(yè)提供廣闊的發(fā)展前景。

[關(guān)鍵詞]復(fù)合材料；土木工程；應(yīng)用研究

復(fù)合材料是指采用物理或化學(xué)方式，組合多種材料，使其成為新型材料，并實(shí)現(xiàn)材料的性能延展。組成復(fù)合材料的各材料都有其性能優(yōu)勢，能夠?qū)?fù)合材料的綜合性能發(fā)揮到最大，以滿足土木工程的發(fā)展需要。FRP即纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，它擁有極為漫長的發(fā)展歷史，上世紀(jì)五六十年代已被應(yīng)用，其當(dāng)前也逐步實(shí)現(xiàn)了發(fā)展和開拓。

1工程結(jié)構(gòu)的加固補(bǔ)強(qiáng)

復(fù)合材料的應(yīng)用很廣，早已跨越了行業(yè)界限。其主要實(shí)施方法是在構(gòu)件表面對玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行附著，并使其受力，確保原有材料具備較強(qiáng)的力學(xué)性能。上世紀(jì)八十年代，曾嘗試混凝土結(jié)構(gòu)外貼玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料內(nèi)夾高強(qiáng)鋼絲的加固方法，其具備較好的防腐性能，實(shí)現(xiàn)了混凝土與鋼絲的同步應(yīng)用。但是，該種方式并未得到全面推廣。九十年代初期，應(yīng)用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，對多跨連續(xù)箱梁進(jìn)行加固，效果極佳。自此，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的加固結(jié)構(gòu)修復(fù)技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，在很多工程實(shí)踐中極具適用性。

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固技術(shù)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)建筑工程的重建，而且有助于對震損結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固和修復(fù)。其適用于鋼、混凝土等各類型結(jié)構(gòu)加固中。橋梁、建筑、隧道、地下架構(gòu)、水利工程結(jié)構(gòu)中，都開始對其進(jìn)行應(yīng)用。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的加固形式極為多樣，主要包括應(yīng)用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料布對混凝土柱進(jìn)行纏繞加固、在梁與板手拉面上對纖維增強(qiáng)復(fù)合材料片材進(jìn)行粘貼、應(yīng)用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料片材對梁、柱構(gòu)件進(jìn)行包裹”。

2纖維增強(qiáng)復(fù)合材料

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中，纖維的含量一般在50%以上。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料筋的重量相對較輕，在普通鋼筋重量占比中僅為20%。但是，它極具強(qiáng)度方面的優(yōu)勢，是普通鋼筋強(qiáng)度的六倍。正因該種材料具備較強(qiáng)的耐腐蝕性，逐漸開始替代鋼筋，被用于土木工程領(lǐng)域。采用該種方式，能夠?qū)σ蜾摻钋治g而造成的結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行有效規(guī)避，而結(jié)構(gòu)的維護(hù)時(shí)間和費(fèi)用也有所降低。與此同時(shí)，非磁性也是該復(fù)合材料的一大特性，部分特殊工程需要具備無鐵磁眭，可選用該種材料。近年來，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在橋梁工程中的應(yīng)用也日漸普遍。例如，懸索橋或者斜拉橋工程實(shí)施中，可選用該種材料作為纜索；混凝土橋梁中，也可選擇該種材料作為預(yù)應(yīng)力筋。

混凝土梁中，對纖維增強(qiáng)復(fù)合材料配筋的應(yīng)用始于上世紀(jì)六十年代。其主要是采用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，對近海地區(qū)或寒冷地區(qū)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鹽蝕危害進(jìn)行有效控制。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在巖土工程的加筋土中也極具適用性。它的主要優(yōu)勢是安裝簡便、耐久性好、價(jià)格低，極具應(yīng)用前景。

因科技水平的不斷革新，我國現(xiàn)已生產(chǎn)出各類纖維增強(qiáng)復(fù)合材料筋、索產(chǎn)品和與之相配套的夾具等。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料筋混凝土的研究重點(diǎn)是混凝土與纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的截面粘接性能和特殊力學(xué)性能。無論是混凝土，還是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，其粘接性能都比較差，粘接性很大程度上取決于筋材和表面處理形式。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料筋的彈脆性很好，假使混凝土構(gòu)件采用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料筋，其受力性也會(huì)有所不同。

3纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)

（1）纖維增強(qiáng)復(fù)合材料橋面體系，橋面設(shè)計(jì)過程中，擇取纖維增強(qiáng)復(fù)合材料作為其主要面板，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)內(nèi)力控制，并有效解決環(huán)境侵蝕問題，使后期的維護(hù)成本不斷降低，減少了不必要的資金浪費(fèi)。采用新型板橋，能夠減輕橋面重量，延長其使用周期。

（2）纖維增強(qiáng)復(fù)合材料輕質(zhì)橋梁，其主要被用于人行天橋中，能夠有效減輕上部構(gòu)造重量。相較于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其在受力方面極具優(yōu)越性，而且具備較強(qiáng)的承載力。然而，其不具備剛度方面的優(yōu)勢，可采用正確的方法，對其進(jìn)行變形控制。它的主要受力特征是線性、變形和承載等各指標(biāo)呈現(xiàn)正相關(guān)，即使尚未被完全破壞，變形問題也極為明顯。近年來，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料輕質(zhì)橋梁的具體標(biāo)準(zhǔn)和要求仍然亟待完善。

（3）纖維增強(qiáng)復(fù)合材料編制網(wǎng)分析，該種結(jié)構(gòu)具備明確的標(biāo)準(zhǔn)，采用正確的方式，實(shí)現(xiàn)FRP板條編織，在張拉作用下，結(jié)構(gòu)體系會(huì)發(fā)生明顯變化，且柔性很強(qiáng)。其主要實(shí)現(xiàn)方式是借助輕質(zhì)特性，在大跨度結(jié)構(gòu)界面內(nèi)進(jìn)行應(yīng)用，實(shí)施效果極為突出，在大型土木工程中極具適用性。

（4）纖維增強(qiáng)復(fù)合材料桿間空間結(jié)構(gòu)，該材料在空間結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中極具適用性，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)獲取。而其網(wǎng)架桿件的形成主要依托于CFRP片的粘貼。在各角度和層次基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)和錐頭連接。該桿間空間結(jié)構(gòu)具備較小的重量，工作時(shí)間短，施工過程極為便利，并具備較強(qiáng)的耐磨性，應(yīng)對泄漏問題的控制，僅需要少量維修費(fèi)用。土木工程施工中，當(dāng)外部環(huán)境較差，或者結(jié)構(gòu)跨度比較大，可選用該種施工形式，以充分發(fā)揮復(fù)合材料的優(yōu)越性，使其達(dá)到良好的應(yīng)用效果。

4結(jié)語

綜上所述，將復(fù)合材料應(yīng)用到土木工程中，作用極為突出。其應(yīng)用過程復(fù)雜，涉及到的專業(yè)要素和技術(shù)特性也比較多。近年來，我國土木工程行業(yè)得到了快速發(fā)展，可依據(jù)實(shí)際工程背景，對纖維增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行合理應(yīng)用，確保其應(yīng)用方式更加多樣化，使土木工程建設(shè)更具可開拓性，達(dá)到良好的應(yīng)用效果，保障土木工程的整體質(zhì)量及性能。