探討交通土建工程中FRP的運(yùn)用

曹坤

摘要：改革開放以來，在社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的推動之下，交通業(yè)發(fā)展也越來越快速，尤其是土建工程的發(fā)展速度更是不斷加快，漸漸發(fā)展成國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的一個(gè)重要支撐。而且在交通土建工程的長期發(fā)展中，將FRP復(fù)合材料應(yīng)用在其中，能夠進(jìn)一步促進(jìn)國內(nèi)交通土建工程項(xiàng)目的安全、穩(wěn)定及可持續(xù)發(fā)展。鑒于此，本文主要從FRP材料在舊橋梁的改造加固、隧道、道路及新建橋梁中的應(yīng)用展開分析，深入了解FRP復(fù)合材料在交通土建工程中的具有應(yīng)用，以期為以后的交通土建工程建設(shè)提供相關(guān)的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：交通土建工程；FRP復(fù)合材料；應(yīng)用

中圖分類號：TU2 文獻(xiàn)識別碼：A 文章編號：1001-828X（2016）013-000-02

前言

FRP主要指纖維增強(qiáng)塑料，主要由基體材料和纖維材料根據(jù)相應(yīng)的比例進(jìn)行混合，經(jīng)特殊模具進(jìn)行拉拔及擠壓之后，所制成的一使用形成較好的復(fù)合型材料。此材料最大的特點(diǎn)是，密度較小、抗疲勞性能與耐腐蝕性較好，以及抗拉強(qiáng)度非常高等。當(dāng)前受到很多土建工程研究人員的廣泛關(guān)注，在很多新型建筑工程、橋梁結(jié)構(gòu)加固、改造及修復(fù)中的應(yīng)用非常廣。而且，F(xiàn)RP材料因其獨(dú)特的使用性能，在交通土建工程行業(yè)的發(fā)展?jié)摿υ絹碓酱?，已逐漸發(fā)展成目前土建工程行業(yè)研究和應(yīng)用的關(guān)鍵點(diǎn)。

一、分析新建橋梁中FRP復(fù)合材料的應(yīng)用

當(dāng)前，由于FRP材料的高強(qiáng)度、輕材質(zhì)、耐腐蝕以及抗疲勞等優(yōu)勢，在土建工程中受到越來越多研究人員的關(guān)注和重視，在國內(nèi)很多工程建設(shè)中，都應(yīng)用FRP材料來構(gòu)建FRP橋梁、拉索等，同時(shí)將FRP應(yīng)用在合龍段的混凝土中。

1.FRP材料構(gòu)建的橋梁結(jié)構(gòu)

FRP橋梁屬于一種在已經(jīng)存在的橋梁結(jié)構(gòu)上，應(yīng)用FRP材料構(gòu)建而成的新型橋梁。該橋梁結(jié)構(gòu)大多是是應(yīng)用FRP材料，因FRP材料的密度較小，能夠較好的減少橋梁上部結(jié)構(gòu)的承載力，所有，可使用該材料來適當(dāng)加大橋梁的跨徑。而橋梁下部的結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用鋼筋混凝土，這樣可承受橋梁上部結(jié)構(gòu)的重量。因而，在一些地基條件比較差的施工現(xiàn)場，可選用FRP橋梁。由于在早期的橋梁建設(shè)過程中，很多設(shè)計(jì)人員、施工人員對FRP材料缺乏一定的認(rèn)識，其在橋梁中的使用并不多，F(xiàn)RP橋初期只是應(yīng)用FRP的橋面板取代以往的鋼橋面板或是混凝土橋的面板，之后隨著科技不斷發(fā)展，才將FRP材料應(yīng)用在橋梁的上部結(jié)構(gòu)[1]。

2.FRP材料構(gòu)建的組合橋梁結(jié)構(gòu)

FRP組合橋梁結(jié)構(gòu)主要是應(yīng)用FRP材料，取代以往的鋼筋的混凝土結(jié)構(gòu)當(dāng)中的部分構(gòu)件，所形成的一種全新橋梁結(jié)構(gòu)。在FRP組合橋梁的結(jié)構(gòu)中，主要包括：FRP材料的混凝土、主梁混凝土板、主梁-混凝土橋面板結(jié)合結(jié)構(gòu)、管-混凝土-鋼管結(jié)合的結(jié)構(gòu)[2]。FRP材料的混凝土組合結(jié)構(gòu)主要使用FRP材料取代混凝土內(nèi)的鋼筋或是預(yù)應(yīng)力筋形成的一種全新的混凝土結(jié)構(gòu)。由于FRP材料的高強(qiáng)、輕質(zhì)護(hù)耐腐蝕性等特點(diǎn)，能夠提升整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)持久性，延長橋梁使用期限；FRP主梁混凝土板的組合結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用FRP制作主梁，以取代鋼筋的混凝土主梁；FRP主梁-混凝土橋面板組合結(jié)構(gòu)，主要由FRP主梁和橋面板經(jīng)剪力的連接件進(jìn)行組合，所形成的一種構(gòu)建，最大的特點(diǎn)是，施工簡便、快速以及便于組裝等；FRP管-混凝土-鋼管組合結(jié)構(gòu)主要指，由FRP材料的外管、內(nèi)鋼管及二者間填充混凝土的一種構(gòu)件，該種組合構(gòu)建的材質(zhì)較強(qiáng)、耐腐蝕性較強(qiáng)。應(yīng)用FRP材料當(dāng)做外管，鋼管為內(nèi)管，向內(nèi)填入混凝土，不僅能確保FRP可提供充足承載力，還可降低對鋼管造成的腐蝕。

3.FRP材料構(gòu)建的拉索

隨著國內(nèi)交通業(yè)發(fā)展逐漸擴(kuò)大，超過千米級的較大跨徑橋梁越來越多，這就使得斜拉橋、懸索橋成為最合適的選擇。這兩種橋梁的橋型由于鋼材強(qiáng)度較強(qiáng)，一直都是大跨徑橋梁的首選。但因鋼材的自重較大，熬成彈性模量逐漸降低，在長索當(dāng)中十分明顯，這就大大降低了拉索應(yīng)用效率，在一定程度上限制了橋梁的跨越能力[3]。并且，隨著高強(qiáng)度的鋼質(zhì)的拉索的腐蝕性、耐久性問題漸漸嚴(yán)重，據(jù)相關(guān)資料顯示，國內(nèi)外很多橋梁吊桿、鋼斜拉索等均由于腐蝕性、疲勞損害較為嚴(yán)重，都被迫換拉索。應(yīng)用FRP材料制作拉索，能夠較好的發(fā)揮FRP材料自身的抗拉強(qiáng)度及耐腐蝕等特點(diǎn)。

二、分析舊橋改造和加固中FRP材料的應(yīng)用

在以往的橋梁建設(shè)過程中，因橋梁設(shè)計(jì)水平較低、施工操作錯(cuò)誤以及材料老化情況較為嚴(yán)重等，對鋼筋混凝土的橋梁損壞變得十分嚴(yán)重，對于舊橋梁的改造與加固非常有必要。FRP材料因其輕質(zhì)、非磁性及耐腐蝕性強(qiáng)，且加固施工較為方便以及施工時(shí)間較短等優(yōu)勢，在國內(nèi)外舊橋改造中受到廣泛關(guān)注。

1.FRP材料加固橋梁結(jié)構(gòu)

FRP材料屬于一種新型材料，由于片材較薄、抗拉強(qiáng)度較高等被廣泛應(yīng)用到橋梁改造中歐，F(xiàn)RP加固法能夠加固整個(gè)橋梁，提升橋梁的承載能力，特別是在橋梁高度受到限制的之后，該種方法屬最佳選擇。而且，因施工過程、工藝簡便，常常適合用在鋼筋混凝土受到壓柱中，以便提升橋梁耐久性，也可以用在橋梁的梁、板加固中。FRP材料加固屬于一種全新的橋梁結(jié)構(gòu)加固技術(shù)，抗拉性能較強(qiáng)，主要因碳纖維布主要應(yīng)用環(huán)氧樹脂直接粘貼在梁體的地面，使其分解原結(jié)構(gòu)受力，進(jìn)而適當(dāng)調(diào)整舊橋承載能力[4]。

2.FRP材料構(gòu)建的橋面板

橋梁的橋面板主要是承受車輛輪壓的一個(gè)主要承重結(jié)構(gòu)，其車輛的承載經(jīng)橋面板直接傳至主梁，鋼筋或是預(yù)應(yīng)力的混凝土的橋面板、鋼橋面板因橋面鋪裝造成損壞，從而導(dǎo)致鋼筋或是鋼板受到銹蝕，最后損壞整個(gè)橋面，影響到整個(gè)道路交通通行。

而隨著FRP材料的應(yīng)用，部分研究人員嘗試使用FRP材料所建造的橋面板來取代鋼筋混凝土的橋面板。FRP材料構(gòu)建的橋面板主要由兩塊FRP面層與FRP夾層互相粘結(jié)構(gòu)成，根據(jù)構(gòu)造主要分成：FRP型橋面板、FRP空心夾層橋面板。當(dāng)前，很多正在運(yùn)行的橋梁均存在病害，損壞最為嚴(yán)重的就是橋面板，大部分交通重要干線的橋梁的結(jié)構(gòu)性能逐漸下降，以及橋梁的抗力漸漸衰減，嚴(yán)重影響橋梁運(yùn)行，因此，及時(shí)更換橋梁非常關(guān)鍵。FRP材料因其自重輕、耐腐蝕、施工及維護(hù)過程較為簡便，應(yīng)用FRP橋面來更換橋面板十分有效。例如，英國的WestMill橋于1878年建成，應(yīng)用混凝土橋面板，而在2002年，對該橋進(jìn)行改造，應(yīng)用黏合拉擠型材的復(fù)合材料橋面板取代以往的混凝土橋面板。將34根的GFRPASSET橋面板的拉擠型材，全部黏合起來，并將其橫鋪在橋梁的主梁上。同時(shí)，還對該橋梁實(shí)行動力特性、穩(wěn)定性研究，橋基頻大約為8Hz，和鋼筋的混凝土橋沒有太大差異[5]。

三、分析道路工程中FRP材料的應(yīng)用

據(jù)相關(guān)研究結(jié)果顯示，截止2014年年底，國內(nèi)高速公路投入運(yùn)行通車的總里程大約為12公里，但因形式的車輛逐漸增多，很多路面受到雨水、大氣、風(fēng)化作用及溫度等變化的影響十分嚴(yán)重。一般混凝土路面的材料易發(fā)生病害，對人們的行車安全造成很大影響[6]。而將FRP材料應(yīng)用到其中，將水泥漿、混凝土或是砂漿當(dāng)做基礎(chǔ)材料，以FRP材料作為增強(qiáng)路面的材料，將兩者組合成水泥復(fù)合材料。該材料能夠有效的控制基本的混凝土裂縫發(fā)展，提升橋梁結(jié)構(gòu)的抗裂性。把FRP材料應(yīng)用到混凝土路面中，能夠加好的改善混凝土特性，提升路面的抗?jié)B性能、抗凍性能、耐磨性及抗裂性等，進(jìn)而縮減路面病害，延長道路使用壽命。在FRP材料的混凝土中，主要品種包括：鋼纖維、玻璃纖維、聚丙烯纖維、植物纖維以及碳纖維混凝土等。

鋼纖維在混凝土中的使用時(shí)間比較早，同時(shí)也是當(dāng)前道路中使用比較多的一種纖維，最大的特點(diǎn)是抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度及抗裂能力非常強(qiáng)。玻璃纖維在土建工程中使用較早，其輕度非常高，彈性模量業(yè)混凝土比較接近，可能是以后發(fā)展FRP混凝土材料的一種主要原料。盡管玻璃纖維在混凝土路面中的應(yīng)用效果良好，但一般玻璃纖維的堿腐蝕性非常差，在一些硅酸鹽的水泥混凝土當(dāng)中并不適用，這就使得在道路工程建設(shè)中很難大量使用。碳纖維主要是應(yīng)用纖維材料經(jīng)合成的新型復(fù)合材料之一，其抗拉強(qiáng)度、彈性模量均非常高，而且該種材料的化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，和混凝土的粘結(jié)與耐腐蝕性較好。在科技發(fā)展的推動之下，隨著道路生產(chǎn)成本逐漸降低，道路施工單位逐漸將其應(yīng)用到用交通土建工程的建設(shè)當(dāng)中。

四、分析隧道工程中FRP材料的應(yīng)用

在隧道施工當(dāng)中，不管應(yīng)用何種施工手段，當(dāng)隧道主體一直處在惡劣的條件下，隧道內(nèi)部鋼筋易發(fā)生嚴(yán)重腐蝕，造成整個(gè)隧道主體受到嚴(yán)重?fù)p壞，從而引發(fā)一系列安全運(yùn)行問題。例如，國內(nèi)某個(gè)地鐵站中的屋頂?shù)捻攲邮褂肍RP筋當(dāng)做隧道主體的受力筋，盡管可以較好的解決隧道腐蝕問題，但因FRP筋彈模非常低，則會造成隧道主體的混凝土面發(fā)生嚴(yán)重的裂縫。隧道施工人員在進(jìn)行一般砂漿錨桿施工的時(shí)候，因難以確保所注入砂漿的質(zhì)量，造成鋼筋和砂漿間產(chǎn)生較大的空隙，進(jìn)而腐蝕鋼筋，而應(yīng)用FRP材料的錨桿能夠較好的避免此問題。FRP格柵不僅能夠用在隧道的設(shè)計(jì)方面，還能用在整個(gè)隧道的加固施工中，當(dāng)FRP格柵和FRP材料的錨桿聯(lián)合應(yīng)用，能夠較好的控制整個(gè)圍巖不易發(fā)生變形。

由于隧道施工一直都在地下進(jìn)行，其結(jié)構(gòu)施工起來比較復(fù)雜，這就使得隧道結(jié)構(gòu)受力和地面結(jié)構(gòu)受力存在很大差異。而在隧道的洞頂與洞側(cè)，受到土壓力作用非常打，且對凈空的要求較高[7]。因此，施工人員在對隧道裂縫進(jìn)行修補(bǔ)的時(shí)候，以往的加固措施難以起到較好的作用，而使用FRP材料中的芳綸纖維布，能夠較好的滿足加固維修施工要求。由于在整個(gè)隧道拱頂或是側(cè)壁裂縫當(dāng)中，常常會有很多不規(guī)則的結(jié)構(gòu)，這就需要隧道的修復(fù)材必須具備較好的抗剪性能。并且，芳綸纖維布不會導(dǎo)電，因而，在以后的隧道施工過程中，芳綸纖維布是較為合適的選擇。

五、結(jié)束語

總而言之，F(xiàn)RP材料因其獨(dú)特的特性，當(dāng)前受到很多土建工程施工單位的重視，并已經(jīng)成為各個(gè)領(lǐng)域研究的關(guān)鍵點(diǎn)，且取得較好的研究成果。因FRP材料在交通土木工程建設(shè)中的廣泛應(yīng)用，在以后的工程建設(shè)過程中，其應(yīng)用領(lǐng)域也會進(jìn)一步擴(kuò)大，但是由于FRP材料自身也存在一定的缺陷，如彈模較低及離散性非常大、抗剪能力較小等，在應(yīng)用過程中，施工人員應(yīng)意識到這些缺點(diǎn)，并不都彌補(bǔ)，同時(shí)處理好FRP材料在應(yīng)用過程中所產(chǎn)生的問題，從而提升FRP材料的使用效率。雖然FRP材料在交通土建工程施工中存在缺陷，但隨著科技不斷進(jìn)步，及施工工藝、施工技術(shù)的不斷健全與完善，所出現(xiàn)的問題在以后的土建工程應(yīng)用過程中都可以得到很好的解決，因此，F(xiàn)RP材料在以后的交通土建工程，甚至是其他行業(yè)中的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)饾u擴(kuò)大。

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作者簡介：曹 坤（1988-），男，漢族，江西景德鎮(zhèn)人，碩士學(xué)位，科員職位，技術(shù)員，研究方向：城市道路、公路工程。