復(fù)合材料在土木工程中的發(fā)展與應(yīng)用

萬(wàn) 健

(身份證號(hào)：430302197911184092)

0 前言

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、成型方便、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，近20年來(lái)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料逐漸取代混凝土和鋼材等傳統(tǒng)材料成為土木工程中的結(jié)構(gòu)材料重要補(bǔ)充。上世紀(jì)五六十年代復(fù)合材料首次在民用建筑中得到了應(yīng)用，我國(guó)在1958年開(kāi)始用玻璃纖維代替鋼筋來(lái)成型混凝土構(gòu)件。本文從復(fù)合材料加固結(jié)構(gòu)、復(fù)合材料筋鎖、復(fù)合材料組合結(jié)構(gòu)以及全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)等方面介紹了復(fù)合材料在土木工程中應(yīng)用，希望能夠擴(kuò)大復(fù)合材料在土木工程中的應(yīng)用范圍，加快其應(yīng)用發(fā)展。

1 復(fù)合材料在土木工程中的應(yīng)用

復(fù)合材料在土木工程中的應(yīng)用主要可以分為四類(lèi)，工程結(jié)構(gòu)加固補(bǔ)強(qiáng)、替代鋼筋和鋼索、與傳統(tǒng)材料組合以及直接使用復(fù)合材料建造工程結(jié)構(gòu)件。

首先是工程結(jié)構(gòu)加固補(bǔ)強(qiáng)，將復(fù)合材料附著在結(jié)構(gòu)件的表面，可以增強(qiáng)其受力能力。目前復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)件上的加固補(bǔ)強(qiáng)主要使用在混凝土結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)以及木結(jié)構(gòu)等，同時(shí)應(yīng)用于各種領(lǐng)域中，包括建筑結(jié)構(gòu)、水工結(jié)構(gòu)、橋梁、隧道等。其中最為主要的應(yīng)用是將復(fù)合材料纏繞在混凝土柱上，通過(guò)對(duì)混凝土進(jìn)行約束，然后增強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度和變形能力，進(jìn)而提高其抗震能力。復(fù)合材料對(duì)混凝土柱的加固補(bǔ)強(qiáng)，主要與其截面形狀有關(guān)，一般情況下對(duì)于變形能力和抗剪能力的提高較高，而要想提高其承壓能力，可以將截面設(shè)計(jì)成具有一定弧度的。另外還可以在梁或者板的受拉面粘貼復(fù)合材料，可以提高其抗彎能力，同時(shí)有效控制裂縫的產(chǎn)生。同時(shí)還可以使用復(fù)合材料片材對(duì)梁或者柱等結(jié)構(gòu)件進(jìn)行包裹，提高這些結(jié)構(gòu)件的抗剪切能力。

其次是使用復(fù)合材料替代鋼筋和鋼索，復(fù)合材料筋與普通的鋼筋相比具有輕質(zhì)和高強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，其強(qiáng)度是普通鋼筋的6倍，而重要僅有普通鋼筋的1/5。同時(shí)還具有抗腐蝕、抗疲勞以及低松弛和非磁性的特點(diǎn)。使用復(fù)合材料筋替代普通鋼筋，可以減少鋼筋腐蝕給建筑結(jié)構(gòu)帶來(lái)的損害，減少維護(hù)費(fèi)用。同時(shí)還可以應(yīng)用在一些特殊的工程中。一般情況下，使用的復(fù)合材料筋主要有四種形式，分別是表面砂化處理的復(fù)合材料筋、復(fù)合材料預(yù)應(yīng)力筋、表面壓痕和滾花處理的復(fù)合材料筋以及纖維交錯(cuò)編織的復(fù)合材料筋。

第三是復(fù)合材料組合結(jié)構(gòu)，復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)性非常強(qiáng)，可以形成不同形式的結(jié)構(gòu)件，主要有復(fù)合材料管混凝土、復(fù)合材料/鋼管/混凝土結(jié)構(gòu)件、復(fù)合材料/混凝土組合梁、復(fù)合材料/鋁合金組合構(gòu)件以及復(fù)合材料/木組合構(gòu)件等。其中復(fù)合材料管混凝土是最常見(jiàn)的一種結(jié)構(gòu)件，是將混凝土填充在復(fù)合材料管中形成的一種組合構(gòu)件，其中復(fù)合材料管不但可以約束混凝土，還可以作為樁、柱和梁使用，可以提高施工速度，耐久性好。復(fù)合材料/鋼管/混凝土組合構(gòu)件，該構(gòu)件在主要是在鋼管的外部包裹復(fù)合材料，在鋼管和復(fù)合材料之間填充混凝土，這樣鋼管作為承力結(jié)構(gòu)，而復(fù)合材料作為模板，既可以避免鋼管被腐蝕，還可以起到一定的約束作用，提高結(jié)構(gòu)件的抗變形能力和承載能力，同時(shí)還可以減輕結(jié)構(gòu)件的自重。復(fù)合材料/混凝土組合梁中混凝土處于上部承受壓力，而復(fù)合材料處于下部受拉力作用。復(fù)合材料/木組合構(gòu)件中復(fù)合材料作為增強(qiáng)部分，而木結(jié)構(gòu)作為填充部分，可以有效提高其力學(xué)性能?？傊瑥?fù)合材料組合結(jié)構(gòu)件較傳統(tǒng)的土木工程結(jié)構(gòu)件耐腐蝕性更好，且重量更輕。

最后是全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)件相比，具有比強(qiáng)度高、比模量高的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還具有耐腐蝕、絕緣性、隔熱性等特點(diǎn)，另外其可設(shè)計(jì)性和可加工性，也使得其在一些需要特殊功能的結(jié)構(gòu)中成為最佳選擇。目前應(yīng)用較多的全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件主要有復(fù)合材料橋面體系、復(fù)合材料輕質(zhì)橋梁、快速架設(shè)的應(yīng)急復(fù)合材料橋以及復(fù)合材料編織網(wǎng)結(jié)構(gòu)、復(fù)合材料桿件、曲面結(jié)構(gòu)件、耐腐蝕結(jié)構(gòu)件等。其中復(fù)合材料橋面體系可以降低下部支撐結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，抵御腐蝕，減少維護(hù)費(fèi)用等。復(fù)合材料輕質(zhì)橋梁主要應(yīng)用在人行天橋，可以大大減輕橋體結(jié)構(gòu)的重量，同時(shí)使得人行天橋的外觀更加美觀。另外當(dāng)發(fā)人為或自然災(zāi)害時(shí)，需要快速運(yùn)送和架設(shè)橋梁，而復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件輕量化、預(yù)制化以及耐腐蝕等特點(diǎn)使其非常適合用于快速架設(shè)橋梁。復(fù)合材料編織網(wǎng)結(jié)構(gòu)是將復(fù)合材料進(jìn)行編織、張拉后形成的具有一定彈性的柔性結(jié)構(gòu)，主要用于超大跨度的屋蓋結(jié)構(gòu)中，例如體育場(chǎng)、大型廠房等大跨度建筑中。復(fù)合材料桿件空間結(jié)構(gòu)主要是將復(fù)合材料桿件通過(guò)端頭的鋁合金錐頭連接起來(lái)，形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，其重量為鋼筋網(wǎng)架的1/5，而且施工簡(jiǎn)單，工期短，耐腐蝕，不凝露，后期的維修保養(yǎng)費(fèi)用也較低，同時(shí)線膨脹系數(shù)小，溫度效應(yīng)小等。適用于大跨度和環(huán)境惡劣下的建筑。復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)和易加工性可以使其較容易形成曲面造型，因此在建造形態(tài)較為復(fù)雜的建筑時(shí)，可以選擇全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件。另外隨著節(jié)能環(huán)保等要求的不斷提高，各種脫硫、脫硝以及污水處理工業(yè)結(jié)構(gòu)越來(lái)越多。而這些建筑物對(duì)于耐腐蝕都有非常高的要求。同時(shí)隨著對(duì)海洋的不斷探索，對(duì)于結(jié)構(gòu)件耐氯鹽侵蝕的要求也越來(lái)越高。

2 總結(jié)

復(fù)合材料在土木工程中的應(yīng)用環(huán)境更加復(fù)雜，且對(duì)其耐久性和穩(wěn)定性具有非常高的要求。復(fù)合材料具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕、介電性能優(yōu)異、可設(shè)計(jì)、易加工等一系列優(yōu)點(diǎn)，但是目前復(fù)合材料在土木工程中應(yīng)用的時(shí)間還非常短，本文對(duì)其目前主要的應(yīng)用方式進(jìn)行了分析研究，希望能夠促進(jìn)復(fù)合材料在土木工程中應(yīng)用的快速發(fā)展。當(dāng)然這還需要所有的建筑從業(yè)人員和復(fù)合材料研究人員的共同努力，研究出更多的復(fù)合材料在土木工程中的應(yīng)用方式，促進(jìn)土木工程的不斷更新?lián)Q代。

[1]馮鵬.復(fù)合材料在土木工程中的發(fā)展與應(yīng)用[J].玻璃鋼/復(fù)合材料，2014（09）：99-104.

[2]張義斌.分析復(fù)合材料在土木工程中的發(fā)展與應(yīng)用[J].大科技，2016（18）：309-310.

[3]沙政輝.復(fù)合材料在土木工程中的發(fā)展與應(yīng)用[J].中外企業(yè)家，2015（18）：222.