浅议纤维增强复合材料(FRP)在土木工程中的应用

浅议纤维增强复合材料 (FRP)在土木工程中的应用

陆伟

重庆交通大学 重庆 400074

摘 要：21世纪以来，FRP结构发展势头迅猛。无论是单独使用FRP材料作为建筑结构，还是与传统的建筑材料混合使用都取得了良好的成效。FRP作为一种优质的建筑材料，以其特有的优势，受到越来越多的关注。通过对FRP材料的特性以及应用进行系统的整理，进一步探讨了FRP发展的趋势。

关键词：FRP-混凝土预制板；FRP材料；GFRP筋；结构加固

纤维增强复合材料(FRP)是由基体材料与纤维材料经过混合并加工形成的高性能材料。这种材料首先在航空、航天领域得到的应用。其中比较常用的FRP有碳纤维(CFRP)、玻璃纤维(GFRP)和芳纶纤维(AFRP)^[1]。20世纪50-60年代开始应用于土木与建筑工程结构，随后以其轻质高强，耐腐蚀性强，可塑性强等优点，迅速得到了工程师们的青睐。

一、FRP材料及结构的特点

（一）FRP的优点

1．轻质高强。这是FRP材料最为突出的特点，钢材的比强度只是FRP的1/20-1/50。因此，充分利用这一特性，可用于大跨度桥梁桥面板的结构。

2.可塑性高。由于FRP材料属于纤维和树脂复合的材料，看可以通过改变纤维或者树脂的种类及数量生产出适合于不同环境的FRP产品。改变生产工艺也是一个较为成熟的方法。

3.耐腐蚀性好。FRP可以在酸，碱，冻融状态等环境下长期使用。

（二）FRP的特性在工程中的不足

1.各向异性。因为FRP材料是由纤维为主要受力结构，所以与纤维垂直的方向抗拉强度极小，与之相反，沿着纤维方向的抗拉强度极大。此外，这也带来了与传统的钢筋混凝土材料不同的拉伸翘曲现象。

2.紫外线对CFRP与混凝土的粘结性能的影响。混凝土结构的加固作用需要有CFRP片材的帮助，那么CFRP与混凝土之间有足够的的粘结性就显得尤为重要。试验表明紫外线会对粘结性产生影响。

3.FRP结构连接处力学性能不强。FRP抗拉强度好，抗挤压刚度不足，然而该材料不同于钢材，FRP材料抗剪性能不高，使得高强度FRP复合材料预应力筋或拉索在锚固处需要注意的问题变得特别的多。卓静开发出了一种基于高强度复合材料片材的波形齿夹具锚，很好的解决了锚固问题，对解决此类问题提供了方法。

4.发展时间短，尚无充分的工程实例验证FRP的使用寿命。FRP材料诞生70多年，在工程中的应用不过50多年。虽然，国内外已有不少实验证明，许多FRP材料有70年的使用寿命，但工程中的实例少之又少。这也是FRP材料被一部分人质疑的原因之一。

三、FRP在工程中的应用

（一）FRP-混凝土复合材料预制板

FRP-混凝土复合材料预制板是由空心玻璃钢面板与混凝土组成，将混凝土置于永久的FRP模板上。由于FRP的轻质、高强度、优异的耐久性和耐腐蚀性能，使其具有较好的施工性能和经济效益。

韩国建筑技术研究所结构系统研究部，Keunhee Cho等对大跨度FRP-混凝土复合材料预制板疲劳性能进行试验。通过脉冲疲劳试验和滚动疲劳试验，研究了预制FRP-混凝土复合材料(PFC)的耐久性。制作了三种类型的全尺寸试件：静态性能评价基准试件、脉动疲劳试件和滚动疲劳试件。使用20%安全系数加权的垂直载荷进行的疲劳试验结果表明，即使在200万次脉动和滚动疲劳试验以后，试样也不会失效。

（二）混合GFRP筋的制作工艺

试验中考虑了两种混合GFRP筋：钢芯-GFRP壳和钢丝分散在GFRP筋的外表面。采用E-玻璃纤维和不饱和聚酯树脂，对直径为13mm的混杂玻璃钢棒材进行拉挤，并对其拉伸性能进行了测试。通过与非混合GFRP筋拉伸试验结果的比较，评价了混合对GFRP筋拉伸性能的影响。结果表明，材料杂交使混合GFRP筋的弹性模量提高了270%。

试验研究表明，材料的混合使用使GFRP杆的弹性模量与非混合GFRP筋相比提高了8%-269%。然而，拉伸强度极限不升反降。这种减少可能是由于纤维在制造过程中的损坏、错误放置、试样的尺寸、夹持方法或两种材料(即GFRP和钢)之间的滑移造成的。

（三）FRP桥面板在桥梁工程上的应用

1.经济性好。FRP体现了诸多优势，也提供了动态解决的方案。相同结构钢筋混凝土比FRP桥面重量板重得多。使用FRP桥面替换混凝土桥面可大大减少恒载，这意味着额定荷载结构可能重新评定为原来的设计能力或者老化的结构可以继续使用。FRP桥面板以较轻的恒载可以转换整个结构的储蓄。结构构件的尺寸可以大大减少。

2.耐腐蚀性好。钢筋锈蚀使得混凝土桥面逐渐被劣化。使用道路除冰盐，加上高于预期的交通荷载，更加速了这种腐蚀。由于FRP材料不易受腐蚀，FRP桥面是解决这一重大维修问题。尤其在有雪的寒冷气候或有咸水的沿海地区最为重要。FRP材料在腐蚀性化学环境中具有50年的优良耐久性，且不会退化，这为FRP板材的预期75-100年使用寿命提供了保证。

3.大大缩短安装时间。与现浇混凝土相比，在工厂预制桥面板有以下几个优点：

（1）即使在恶劣环境下也可密切监测质量，可大大减少天气延误的可能性；

（2）最重要的是，可大大缩短桥梁停工时间；

（3）后期维护成本低。耐腐蚀性导致FRP桥面板的维护非常低，这会降低未来的维护成本。这也意味着FRP桥面的使用寿命将比传统材料更长。这些加起来降低了FRP的生命周期成本。

四、FRP结构的前期成本和未来收益

FRP应用于桥梁结构中的主要优点是使用寿命长，耐腐蚀，维护率低等。纤维增强塑料（FRP）在桥梁中的大部分价值都在未来^[2]。和大多数事情一样，巨大的利益通常伴随着更高的价格。前期成本较传统的工程材料还是要高昂，这也让很多建设单位放弃选择FRP。如果业主单位能够对其结构的性质和总寿命周期成本进行核算，这将帮助FRP将其效益和全部价值推向市场。

单以FRP桥面板为例，由于FRP桥面板的预计耐久性好，在100年的桥梁使用寿命周期内，传统的钢筋混凝土桥面板更换和维护成本的节省可能远远大于整个结构的初始成本。与传统材料相比，FRP材料的生命周期成本的节约可以抵消相对较高的初始成本。然而，建筑业对长期耐久性常持怀疑的态度。此外，很少有公共机构根据预计的生命周期成本来选择材料。取而代之的是，材料的选择基于工程师的经验和判断、机构偏好和行业标准惯例，通常更倾向于将初始施工成本降到最低。

当FRP首次引入桥梁市场时，其强大的效益为FRP赢得合理的市场份额带来了希望。以美国为例，美国有60万多座桥梁，其中约20万座被评为缺陷桥梁。这些庞大的数字导致复合材料行业高估了市场渗透率。经过16年的发展，FRP仍然不是桥梁修复的首选材料。这有很多原因，其主要原因是与传统材料相比，FRP的价格溢价。玻璃钢的价格偏高的原因：

（1）原材料成本高。材料更好，成本更高；

（2）不同的桥梁需要不同的设计，没能形成统一的行业标准；

（3）低产量。为了获得更大的制造经济，仍然需要更高的产量。

（4）传统材料的竞争继续向前推进。混凝土通过性能改善和预制替代品等提高了其价值。混凝土已经研究的很透彻，也有现成的规范技术，最重要的一点，混凝土与FRP相比成本足够低。

五、结语

随着时间的推移，FRP将继续成熟，将成为设计师和业主的一个选择。任何新材料作为标准替代品都需要时间来满足规范、设计和业主的需要。在特定的桥梁应用中，重量轻是至关重要的，FRP给业主和设计师带来了不可取代的价值。目前市场的实际情况表明，FRP的最佳应用是可移动的桥梁、钢桁梁桥，人行天桥等。除此之外，外贴的FRP加固片材，FRP加固混凝土，CFRP网架杆，FRP型材等，各种各样的FRP新结构，新工艺不断创新出来。

参考文献

[1]叶列平.FRP在工程结构中的应用与发展[J].土木工程学报,2006(03):28-40

[2]杨允表.复合材料在桥梁工程中的应用[J].桥梁建设,1997(04):1-4

作者简介：陆伟（1997—），男，汉族，安徽亳州市人，重庆交通大学建筑与土木专业，研究方向：CFRP新材料，桥梁加固。