【土木工程论文】浅议碳纤维等FRP在土木工程施工中的应用

摘要:纤维增强材料(FRP)从20世纪40年代问世以来，在航空、航天、船舶、汽车、化工、医学和机械等领域得到了广泛的应用。从70年代开始，FRP材料开始在土木结构工程中得到应用，如英国、美国和以色列等国最早将玻璃纤维增强材料(GFRP)作为建筑物或桥梁中的结梅材料。70年代后期，我国也开始对GFRP进行研究。从80年代开始，为了克服粘钢加固中的一些缺点，基于粘钢加固土木工程结构的思想，出现了以FRP替代钢板作为土木工程结构补强加固的新思路。特别是自日本阪神大地震以后，为了修复地震作用下遭受破坏的建筑物和构筑物、加固现役老化结构设施以提高其性能或延长其寿命，FRP加固作为一种有效的解决方法受到了世界各国尤其是发达国家的广泛重视。

关键字:碳纤维,FRP,土木工程

一、FRP材料特点

(1)有很高的比强度，即通常所说的轻质高强，因此采用FRP材料可减轻结构自重。在桥梁工程中，使用FRP结构或FRP组合结构作为上部结构可使桥梁的极限跨度大大增加。理论上，用传统结构材料桥梁的极限跨度在5000m以内，而上部结构使用FRP结构可达8000m以上[7]，有学者已经对主跨长达5000m的FRP悬索桥进行了方案设计和结构分析[8]。在建筑工程中，采用FRP材料的大跨空间结构体系的理论极限跨度要比传统材料结构大2～3倍，因此，FRP结构和FRP组合结构是获得超大跨度的重要途径。本书作者提出的“FRP编织网大跨结构体系”就是一种利用其轻质高强性能的新型结构形式[9]。在抗震结构中，FRP材料的应用可以减轻结构自重，减小地震作用。另外，FRP材料的应用也能使结构的耐疲劳性能显著提高。

(2)有良好耐腐蚀性，FRP可以在酸、碱、氯盐和潮湿的环境中长期使用，这是传统结构材料难以比拟的。在美国每年因钢材腐蚀造成的工程结构损失高达700亿美元，近1／6的桥梁因钢筋锈蚀而严重损坏；加拿大用于修复因老化损坏的工程结构的费用达490亿加元；我国目前因钢材锈蚀而造成的损失也在逐年增加。而在化工建筑、盐渍地区的地下工程、海洋工程和水下工程中，FRP材料耐腐蚀的优点已经得到实际工程的证明。一些发达国家已经开始在寒冷地区和近海地区的桥梁、建筑中较大规模地采用FRP结构或FRP配筋混凝土结构以抵抗除冰盐和空气中盐分的腐蚀，极大地降低了结构的维护费用，延长了结构的使用寿命。

(3)具有很好的可设计性。FRP属于人工材料，可以通过使用不同的纤维材料、纤维含量和铺陈方向设计出各种强度指标、弹性模量以及特殊性能要求的FRP产品。而且FRP产品成型方便，形状可灵活设计。

(4)具有很好的弹性性能，应力应变曲线接近线弹性，在发生较大变形后还能恢复原状，塑性变形小，有利于结构偶然超载后的变形恢复。

(5)FRP产品适合于在工厂生产、运送到工地、现场安装的工业化施工过程，有利于保证工程质量、提高劳动效率和建筑工业化。

(6)其他优势，包括透电磁波、绝缘、隔热、热胀系数小等，使得FRP在一些特殊场合能够发挥难以取代的作用，如雷达设施、地磁观测站、医疗核磁共振设备结构。

2、FRP在土木工程施工中的应用

2.1 FRP在工程结构加固补强中的应用

将FRP片材粘贴在构件表面受拉，可以增强构件的受力性能。早在20世纪80年代，这项技术在我国的工程实践中就曾尝试过：云南海孟公路巍山河桥的加固中采用了外贴GFRP内夹高强钢丝的方法，此后湖南溆浦大江口桥、上海宝山飞云桥、广东官汕线郭屋楼桥、韶关地区风村桥以及南京长江大桥引桥等，都采用环氧树脂粘贴玻璃布进行了加固，近年我国还开展了FRP片材加固砌体结构和钢结构的研究和应用，但仍以加固混凝土结构的研究和应用最多。关于FRP片材加固混凝土结构，应用中应注意的关键问题：

(1)FRP布缠绕加固混凝土柱，通过约束混凝土提高混凝土强度和变形能力，并可提高柱的抗剪能力。这是FRP布加固混凝土最有效的加固形式，其加固效果已得到国内外大量试验的验证，而且各种FRP片材均有效。但研究表明，FRP对混凝土柱的约束效果与截面形状有很大关系，对于矩形截面柱一般只能提高变形能力和抗剪能力，而对受压承载力的提高有限，正常加固量下一般不超过25 O[2 5。。但如果将截面形状适当处理成有一定弧度，则可显著提高受压承载力。在我国的工程应用中，往往十分关心加固后柱的轴压比限值能否提高，这与约束混凝土柱的受压承载力和变形能力的提高有很大关系，从目前的研究来看，FRP包裹缠绕圆形混凝土可以大大改善其延性，可适当放松轴压比限制[2 6|。另一个值得注意的是，虽然CFRP布的强度是各种FRP中最高的，但其延伸率较小，其约束混凝土最终表现为突然的脆性破坏。近年来已有采用混合FRP约束混凝土的研究[2 7|，还有一些高延伸率纤维材料的应用，可使脆性破坏得到改善；且能改善约束效果。

(2)在梁、板受拉面粘贴FRP片材，能提高构件受弯承载力，并可使裂缝得到有效控制。这种加固形式在国内应用较多，但从加固效果来看存在以下一些问题：①FRP片材的受拉作用只是在受拉钢筋屈服以后才能得到有效发挥，而此时梁和板的挠度变形一般已很大，因此FRP片材用于受弯加固通常只能作为一种安全储备；②加固后受弯承载力提高程度与加固前梁板的原有配筋量有很大关系，且FRP的强度一般不能得到充分利用比副；③FRP片材用于受弯加固时易产生剥离破坏，应充分注意采取抗剥离的构造措施。为了提高受弯加固效果，采用预应力方法可以获得较好的效果，我国已成功开发出预应力CFRP布张拉设备和加固技术‘2 9|。FRP加固可有效控制裂缝的开展，尤其在梁的侧面粘贴FRP条带，可控制梁腹配筋不足导致裂缝过大的情况。相对于受弯承载力加固，这应该成为FRP在梁板加固中的主要应用方式，但目前关于加固后的裂缝计算问题尚未有深入研究。

(3)对梁、柱构件采用FRP片材包裹或U形箍包裹，以提高其受剪承载力。这种加固形式也较为有效，不过同样需注意其提高程度与原构件配箍率有关，且FRP片材强度的发挥一般只有20％～40％。此外，对于U形或侧面粘贴加固，剥离破坏仍是主要破坏形式，因此，FRP与混凝土界面间的剥离是非常值得深入研究的问题[3 0|。

除以上三种主要加固形式外，FRP布也可用于受扭和剪力墙的加固。对于柱的受弯加固梁柱节点因FRP的锚固问题难以解决，而很难得到实际应用。

2.2 FRP筋和预应力FRP筋混凝土结构

FRP筋中纤维体积含量可达到60％，具有轻质高强的优点，重量约为普通钢筋的1／5，强度为普通钢筋的6倍，且具有抗腐蚀、低松弛、非磁性、抗疲劳等优点。目前用FRP筋代替钢筋可利用其良好的耐腐蚀性，避免锈蚀对结构所带来的损害，减少结构维护费用；还较多地应用于有无铁磁性要求的特殊工程中；在桥梁工程中，FRP索还可用作悬索桥的吊索及斜拉桥的斜拉索，以及预应力混凝土桥中的预应力筋。作为混凝土构件中配筋的FRP筋要通过表面砂化、压痕、滚花或编织等工艺以增强其与混凝土间的粘结力；用作预应力FRP索一般较柔软，具有一定的韧性。

FRP筋及预应力FRP筋的另外一个应用对象是岩土工程，它已用于加筋土中。GFRP因其具有价格低廉、方便安装和耐久性强等特点，已被广泛应用于潮汐变化干湿交替的挡土墙、地基锚杆及喷射混凝土筋等工程。

FRP筋直到拉断均表现为线弹性，没有普通钢筋那样的屈服平台，构件的破坏带有一定的脆性，因此FRP筋不能简单地当成钢筋进行计算，必须针对其性能采用合理的设计方法。此外，FRP筋无法现场成形，因此像箍筋等形状较为复杂的配筋，需事先设计好后由工厂加工。

2.3 FRP结构及FRP组合结构

FRP结构是指用FRP制成各种基本受力构件所形成的结构；FRP组合结构则是指将FRP与传统结构材料，主要是混凝土和钢材，通过受力形式上的组合，共同工作来承受荷载的结构形式。

FRP与混凝土通过合理的组合方式使FRP型材与混凝土共同受力，发挥各自的优势，达到提高受力性能、降低造价、增强耐久性、便于施工的目的。FRP与钢材组合，可发挥出钢材的高弹性模量和FRP耐腐蚀、耐疲劳性能好的优势，达到互补的效果。可在拉挤FRP型材时，直接将钢筋和钢丝嵌人型材中成型；也可在钢结构外部采用FRP型材封闭，一方面防止钢结构锈蚀，另一方面可与钢结构共同受力。还可用钢结构骨架与FRP织物蒙皮结合组成蒙皮结构

FRP拉挤型材结，FRP拉挤型材单向受力性能好，可以做成工形、槽形、箱形等型材，组成FRP框架或桁架结构。但FRP构件之间主要采用螺栓连接和粘接，有时配合榫接。另外，还可以直接将拉挤FRP空心板或带肋板作为楼板使用。研究表明，FRP空心板能够承受较大的荷载，并且自重仅为混凝土楼板的10％～20％，具有明显的优势。

桥梁工程中的FRP结构与FRP组合结构

因为FRP的比强度和比模量高，所以桥梁工程师们认为FRP是获得超大跨度桥梁的结构材料。从20世纪70年代开始，就在桥梁工程中尝试应用FRP材料，并相继建成了一批FRP桥梁，主要以人行桥为主，目的是验证FRP材料用于桥梁结构的可能性和有效性。

用FRP型材构成封闭的外壳，将桥面以下原本暴露的结构围护起来，同时作为维护检查的通道，还可以起到以下三个方面的效果：(1)改变桥梁断面的形状，减少风荷载改善桥梁的气动J生能；(2)FRP外壳耐腐蚀且封护系统的密封性好，阻止了外界环境对大桥主体结构的腐蚀；(3)FRP外壳把结构包护在内部，桥体下部拱腹平滑流畅，并且有多种颜色可选，使整座桥外观简洁、美观。

目前虽然FRP片材加固混凝土结构已得到广泛应用，但仍有许多问题值得深入研究，主要有：界面粘结性能和剥离、疲劳性能、二次受力、防火问题、耐久性以及环境影响等。对于隧道、涵洞、烟囱、壳体结构等特种结构的加固，粘贴FRP片材有很大优势，研究工作在我国已有开展，但还较少。