FRP材料在土木工程中的運(yùn)用分析

李偉

新的發(fā)展環(huán)境下，以多樣化的技術(shù)和材料為支撐，土木工程建設(shè)的水平得到了顯著提升，F(xiàn)RP材料屬于新材料中的典型代表，極大地推動(dòng)了土木工程建設(shè)效率和質(zhì)量水平的提高，也因此有著很好地應(yīng)用價(jià)值及發(fā)展前景。FRP材料具有高強(qiáng)度、高剛性、低密度、抗腐蝕等特性，被廣泛應(yīng)用在建筑、海運(yùn)、航空航天等領(lǐng)域。

一、FRP材料的概述

FRP材料（Fiber Reinforced Polymer/Plastics）指纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（見(jiàn)圖1），其主要構(gòu)成部分為纖維材料和基體材料，建筑行業(yè)中常見(jiàn)的纖維材料包括玻璃纖維和碳纖維，基體材料的類(lèi)型較多，如乙烯基酯樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂、不飽和聚酯樹(shù)脂等。FRP材料中，纖維材料的作用是補(bǔ)強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)受力分擔(dān)，樹(shù)脂材料的作用是傳力，能夠?qū)w維材料進(jìn)行保護(hù)，確保其不會(huì)出現(xiàn)機(jī)械損傷和化學(xué)侵蝕?？梢酝ㄟ^(guò)在樹(shù)脂中加入添加劑的方式來(lái)對(duì)材料的性能進(jìn)行改善，提升材料的整體性能。

圖1 FRP材料

二、土木工程中FRP材料的特點(diǎn)

在土木工程中，F(xiàn)RP材料的特點(diǎn)體現(xiàn)在幾個(gè)方面：

一是自重輕。FRP材料的密度僅為鋼材的1/6到1/4，將其應(yīng)用到大跨度結(jié)構(gòu)體系中，能夠極大地減輕結(jié)構(gòu)自重。以著名的喬布斯劇院為例，屋蓋整體采用了碳纖維結(jié)構(gòu)，自重僅為80t，可以直接進(jìn)行吊裝施工。

二是強(qiáng)度高。通常來(lái)講，所有的天然物質(zhì)在晶體結(jié)構(gòu)上都存在缺陷，材料細(xì)度越大，缺陷越小，強(qiáng)度自然也就越高。一般來(lái)講，玻璃纖維和碳纖維的強(qiáng)度能夠達(dá)到同體積鋼材的10～20倍，即便將限位與基體材料在強(qiáng)度上的差異考慮在內(nèi)，F(xiàn)RP材料也可以達(dá)到至少4倍鋼材的強(qiáng)度等級(jí)，這也使得利用FRP材料構(gòu)建大跨度結(jié)構(gòu)時(shí)，結(jié)構(gòu)的極限跨度要超過(guò)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)2～3倍。

三是成型方便。FRP材料生產(chǎn)加工中，存在多種不同的成型方式，如纏繞、噴射、拉擠等，可以在確定好產(chǎn)品規(guī)格后，直接實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，也可以在面對(duì)特殊結(jié)構(gòu)造型時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)材料形狀的任意調(diào)整。

四是抗疲勞。土木工程建設(shè)中，常規(guī)金屬材料的疲勞強(qiáng)度一般為其拉伸強(qiáng)度的45%，F(xiàn)RP材料的疲勞強(qiáng)度能夠達(dá)到自身拉伸強(qiáng)度的75%以上。

五是抗腐蝕。土木工程施工中，很多傳統(tǒng)材料本身對(duì)于腐蝕問(wèn)題的抵抗性較差，尤其是在一些臨海城市，土木工程中的鋼筋等材料在與空氣、海水等接觸的過(guò)程中，很容易出現(xiàn)腐蝕問(wèn)題，影響工程的質(zhì)量和安全。與之相比，多數(shù)FRP材料都具備良好的耐腐蝕性，可以抵抗酸、堿、鹽等化學(xué)介質(zhì)的腐蝕。

六是抗震性。對(duì)比傳統(tǒng)建筑材料，F(xiàn)RP材料有著較高的自振頻率，在使用過(guò)程中基本不會(huì)出現(xiàn)共振問(wèn)題，而在加載速度和頻率相同的情況下，也不會(huì)因?yàn)楣舱褚l(fā)材料斷裂的情況。另外，F(xiàn)RP材料中存在有大量界面，具備較強(qiáng)的震動(dòng)阻尼性，在產(chǎn)生震動(dòng)的情況下，可以通過(guò)較快的速度完成震動(dòng)的衰減。

七是安全性。FRP材料由纖維和基體材料構(gòu)成，在出現(xiàn)過(guò)載問(wèn)題時(shí)，內(nèi)部纖維即便發(fā)生了少量斷裂，載荷也會(huì)被重新分配到其他纖維中，能夠有效規(guī)避工程構(gòu)建因?yàn)槌休d力瞬間丟失出現(xiàn)斷裂的情況。

八是智能性。將FRP材料應(yīng)用到土木工程中，具備一定的智能性。例如，美國(guó)有設(shè)計(jì)人員利用FRP材料打造出了建筑梁體，配合熱電控制技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)梁體的形狀變化，使得其能夠結(jié)合建筑主體承受的振動(dòng)情況，改變自身的固有頻率和剛性，從而減小振幅，延長(zhǎng)框架結(jié)構(gòu)的使用壽命，也可以對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)和噪聲進(jìn)行控制。

三、FRP材料在土木工程中的運(yùn)用

1. 材料類(lèi)別

（1）FRP片材的應(yīng)用

FRP片材一般表現(xiàn)為復(fù)合布或者復(fù)合板的形式，通常被應(yīng)用在土木工程混凝土結(jié)構(gòu)的加固中，對(duì)比常規(guī)加固方法，F(xiàn)RP片材加固的施工簡(jiǎn)單，加固效果十分顯著，能夠顯著提升構(gòu)件的承載能力，而且不會(huì)在結(jié)構(gòu)上增加額外的重量。FRP片材在土木工程中的應(yīng)用體現(xiàn)在幾個(gè)方面：

首先是抗震加固。FRP片材可以通過(guò)對(duì)柱體進(jìn)行環(huán)向加固的方式，實(shí)現(xiàn)受損位置承載能力的恢復(fù)，促進(jìn)其抗震強(qiáng)度的提升。這種加固方式屬于被動(dòng)加固，當(dāng)混凝土遭遇較大的軸向壓力時(shí)，外部包裹的FRP片材會(huì)發(fā)生延伸，產(chǎn)生徑向收縮力，保障結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。在利用FRP片材對(duì)柱構(gòu)件進(jìn)行約束時(shí)，初始階段混凝土?xí)l(fā)生一定的線彈性變形，外包復(fù)合布的變形相對(duì)較少，應(yīng)力約束低，當(dāng)受力增大，柱體變形變得顯著時(shí)，外包復(fù)合布環(huán)向變形會(huì)變大，提升柱體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，增加延性變形。

其次是補(bǔ)強(qiáng)加固。體現(xiàn)在混凝土板加固方面，在施工中需要將FRP片材貼在受拉部位，提供相應(yīng)的保護(hù)作用，以避免混凝土板的破裂和損毀。

然后是受彎加固。結(jié)構(gòu)處于受彎工況下時(shí)，可以使用FRP片材進(jìn)行加，提升結(jié)構(gòu)的承載能力，要求片材與結(jié)構(gòu)構(gòu)件的軸向保持一致。在使用FRP片材進(jìn)行加固作業(yè)時(shí)，采用的依然是極限法，在極限工況下，依照線彈性關(guān)系確定應(yīng)力情況。從充分發(fā)揮FRP片材優(yōu)勢(shì)的角度，可以采用預(yù)應(yīng)力施工的方法，這樣能夠更好地降低構(gòu)件的變形撓度，延緩裂縫的發(fā)生。

（2）FRP棒材的應(yīng)用

首先是結(jié)構(gòu)增強(qiáng)筋。FRP棒材有著良好的抗腐蝕性，在一些相對(duì)惡劣的環(huán)境下，可以使用FRP棒材代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼筋，提升結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性。不過(guò)，F(xiàn)RP筋的彈性模量相對(duì)較小，與混凝土間的粘結(jié)性不同于普通結(jié)構(gòu)，需要施工人員和技術(shù)人員的重視。FRP筋混凝土在使用中可能出現(xiàn)受壓破壞和拉斷破壞兩種破壞形式，前者發(fā)生在混凝土結(jié)構(gòu)中，后者發(fā)生在FRP筋上，前者的的延性優(yōu)于后者。

其次是結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力筋。FRP筋本身的性能優(yōu)越，在配合預(yù)應(yīng)力施工技術(shù)的情況下，能夠?qū)⑵淞W(xué)性能充分發(fā)揮出來(lái)，提高結(jié)構(gòu)抗裂性能。FRP筋在抗壓與抗剪性能方面略差，在對(duì)預(yù)應(yīng)力進(jìn)行施加時(shí)，需要關(guān)注其錨固性能，而且在工藝技術(shù)方面尚未成熟，并沒(méi)有被廣泛應(yīng)用到土木工程中。FRP筋有著良好的抗腐蝕性，可以被用于體外預(yù)應(yīng)力筋和無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋，其預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的發(fā)展?jié)摿薮?。相關(guān)研究實(shí)踐表明，無(wú)黏結(jié)FRP預(yù)應(yīng)力筋梁體結(jié)構(gòu)與體外預(yù)應(yīng)力FRP筋梁體結(jié)構(gòu)有著相似的發(fā)展特點(diǎn)，可以采用同樣的方法對(duì)其受力情況進(jìn)行計(jì)算，確定好其在不同工況下的極限應(yīng)力。

然后是受力結(jié)構(gòu)筋。對(duì)于一些橋梁工程尤其是纜索承重橋而言，豎向受力構(gòu)件通常被設(shè)置在結(jié)構(gòu)外部，工作環(huán)境惡劣，對(duì)纜索的性能要求較高。相比較普通鋼索，F(xiàn)RP筋有著更高的強(qiáng)度、耐久性和抗疲勞性，可以替代傳統(tǒng)鋼索作為斜拉索或者吊桿結(jié)構(gòu)，有助于提高橋體的跨越能力和承載能力。例如，懸索橋中，傳統(tǒng)鋼主纜的極限跨越距離為5km，如果將其替換為碳纖維復(fù)合材料，極限跨越距離可以達(dá)到10km；斜拉橋中，極限跨徑在水平方向的投影距離通常在1.2km左右，碳纖維符合材料可以將這個(gè)數(shù)值增加到3.8km。

（3）FRP型材的應(yīng)用

首先，對(duì)于土建工程中存在的鋼筋銹蝕問(wèn)題，可以使用FRP蜂窩板，其本身能夠抵御海洋、鹽堿等環(huán)境因素的侵蝕，穩(wěn)定性好，維護(hù)成本低廉，而且自重較輕，可以減少結(jié)構(gòu)對(duì)于基礎(chǔ)的荷載。FRP蜂窩板屬于彈性材料，具備較強(qiáng)的抗疲勞能力，即便是出現(xiàn)基礎(chǔ)超載的情況，也不容易發(fā)生脆性破壞，而且只要變形沒(méi)有超出材料本身的承受極限，發(fā)生變形后材料還可以恢復(fù)原本的形態(tài)，也依然可以正常使用。

其次，可以在FRP管中灌注混凝土，形成FRP管混凝土組合結(jié)構(gòu)，對(duì)比傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)有著更好的耐久性，而且FRP管能夠發(fā)揮模板的作用，在一些不方便進(jìn)行模板架設(shè)的結(jié)構(gòu)中，有著良好的適用性。FRP管混凝土組合結(jié)構(gòu)還有著良好的隔音以及隔熱性能，同時(shí)兼具混凝土低成本和FRP的特殊性能，在經(jīng)過(guò)科學(xué)的設(shè)計(jì)后，力學(xué)性能優(yōu)越，在不少發(fā)達(dá)國(guó)家得到了廣泛應(yīng)用。

然后，可以在整體結(jié)構(gòu)構(gòu)件中，安裝相應(yīng)的空心鋼管，利用混凝土對(duì)其進(jìn)行填充，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼筋的有效保護(hù)，也可以對(duì)混凝土進(jìn)行約束，提升結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和承載力。

最后，F(xiàn)RP木組合構(gòu)件，將FRP材料和木材結(jié)合在一起，轉(zhuǎn)變受力特點(diǎn)的同時(shí)，可以提升結(jié)構(gòu)的防火能力。組合構(gòu)件具備理想的力學(xué)性能，可以有效緩解負(fù)載壓力，降低成本支出。

2. 應(yīng)用領(lǐng)域

（1）在加固工程中的應(yīng)用

FRP材料在強(qiáng)度、抗腐蝕能力、耐久性等方面有著非常顯著的優(yōu)勢(shì)，因此被廣泛的應(yīng)用在了土木工程加固領(lǐng)域，能夠?qū)崿F(xiàn)土木工程質(zhì)量安全性能的顯著提升。通常來(lái)講，F(xiàn)RP材料會(huì)被應(yīng)用在土石結(jié)構(gòu)、鋼架結(jié)構(gòu)以及混凝土結(jié)構(gòu)中。以混凝土結(jié)構(gòu)為例，F(xiàn)RP材料一般會(huì)被纏繞在結(jié)構(gòu)外層，提升結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性，滿足結(jié)構(gòu)在變形、承壓、抗震等方面的需求，強(qiáng)化結(jié)構(gòu)的承載能力。

FRP材料在加固工程中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在幾個(gè)方面：

一是梁體加固。梁體加固主要是使用環(huán)氧樹(shù)脂材料，在需要加固的梁體外側(cè)，進(jìn)行鋼板結(jié)構(gòu)的粘貼，通過(guò)這樣的方式來(lái)強(qiáng)化梁體的彎曲強(qiáng)度，提升值一般在15%～20%之間，施工操作簡(jiǎn)單，不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)本身產(chǎn)生破壞。

二是柱體加固?？梢詫RP材料纏繞在主體結(jié)構(gòu)表面，形成封閉式保護(hù)層，以此來(lái)提升主體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。在實(shí)踐環(huán)節(jié)，若柱體并非圓柱體，需要先做好主體表面處理，為FRP材料的纏繞工作提供便利。

三是混凝土補(bǔ)強(qiáng)加固。其實(shí)施策略與梁體加固基本一致，不過(guò)需要首先確定好混凝土板結(jié)構(gòu)中的受拉區(qū)域，然后在該區(qū)域進(jìn)行FRP材料的粘貼或者嵌入工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土板的保護(hù)。在經(jīng)過(guò)FRP材料的補(bǔ)強(qiáng)加固處理后，混凝土板破損、開(kāi)裂的問(wèn)題可以得到有效規(guī)避。

四是節(jié)點(diǎn)加固。在土木工程建設(shè)中，節(jié)點(diǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)不同構(gòu)件的有效連接，屬于工程體系中的關(guān)鍵點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的安全性會(huì)對(duì)工程整體的性能發(fā)揮和使用安全產(chǎn)生直接影響。利用FRP材料對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加固，能夠強(qiáng)化節(jié)點(diǎn)的承載能力和延伸性，使得其更好地滿足土木工程結(jié)構(gòu)的整體需求。

五是邊坡加固。邊坡加固使用的多是FRP筋，憑借著自身良好的耐久性和耐腐蝕性，F(xiàn)RP筋能夠替代常規(guī)鋼筋來(lái)對(duì)邊坡進(jìn)行加固。例如，某高速公路段道路兩側(cè)的邊坡高度達(dá)到了25m，坡度比較陡峭，以泥質(zhì)粉砂巖為主，本身的強(qiáng)度較低，容易受到風(fēng)化作用的影響，從保障道路行車(chē)安全的角度，使用FRP筋作為錨桿進(jìn)行了加固，在很大程度上提高了邊坡的穩(wěn)定性。

（2）在盾構(gòu)施工中的應(yīng)用

FRP材料在地鐵項(xiàng)目盾構(gòu)施工中同樣得到了應(yīng)用，其應(yīng)用機(jī)理與邊坡加固類(lèi)似，都是使用FRP筋來(lái)替代普通鋼筋，結(jié)合混凝土形成相應(yīng)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，在滿足實(shí)際需求的同時(shí)，能夠確保盾構(gòu)施工的順利推進(jìn)，減少盾構(gòu)機(jī)鉆進(jìn)過(guò)程中刀片的損傷。FRP材料在盾構(gòu)施工中的應(yīng)用經(jīng)過(guò)了許多實(shí)例的檢驗(yàn)，有著良好的應(yīng)用效果。例如，成都地鐵1號(hào)線、北京地鐵15號(hào)線等都運(yùn)用了FRP材料，在盾構(gòu)機(jī)鉆進(jìn)環(huán)節(jié)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)不會(huì)導(dǎo)致刀片的損傷，提高工作效率的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了成本的有效節(jié)約。

四、結(jié)束語(yǔ)

總而言之，F(xiàn)RP材料本身有著良好的性能，將其應(yīng)用到土木工程建設(shè)中，能夠促進(jìn)工程建設(shè)質(zhì)量及效率的提高，也能夠切實(shí)保障工程的施工安全，推動(dòng)土木工程行業(yè)的健康發(fā)展。對(duì)于FRP材料研究和應(yīng)用企業(yè)而言，需要切實(shí)做好對(duì)于FRP材料的研究和分析工作，提升材料應(yīng)用的合理性。