隨著世界軍工生產(chǎn)與航空航天而發(fā)展起來的纖維復合材料，由于具有良好而獨特的性能，適應了現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)向大跨、高聳、重載、高強和輕質(zhì)發(fā)展，以及承受惡劣條件的需要，在土木建筑工程中的應用日益擴大。如用于纖維混凝土和結(jié)構(gòu)的補強加固[1]、建筑物柱和橋梁橋墩加固[2]、滿足近海建筑物結(jié)構(gòu)的抗腐蝕要求[3]等，此外將智能復合材料應用于土木建筑工程時，還可以實現(xiàn)橋梁、高速公路等大型結(jié)構(gòu)的自增強、自診斷、自修復功能[4]。纖維復合材料替代傳統(tǒng)建材應用于土木建筑工程，既為紡織行業(yè)的發(fā)展開辟了新的發(fā)展領(lǐng)域，注入了新的活力，同時也為土木建筑業(yè)解決一些技術(shù)難題如能耗大、不利于環(huán)境保護等，提供了新的途徑。

1.纖維復合材料在土建工程中的優(yōu)勢

纖維復合材料具有傳統(tǒng)的建筑材料無法比擬的優(yōu)點。

(1) 材料性能的可設(shè)計性。纖維復合材料作為結(jié)構(gòu)材料應用時，由于其是基體材料和增強材料等組分材料在宏觀上的物理組合，其性能既可保持原組分材料的某些特點，又能發(fā)揮組合后的新特性，且可根據(jù)結(jié)構(gòu)需要進行設(shè)計，以滿足單一材料無法達到的性能要求。

(2) 高的比強度和比剛度。一些纖維復合材料如碳纖維T300 /環(huán)氧5208的比強度是鋁材的6.3倍、鋼的5倍，比剛度為鋁材的4.16倍，因此在土木建筑工程中使用可縮短工期和降低工程復雜性。

(3) 抗疲勞性能好。一般金屬的疲勞強度為拉伸強度的40%~50%，而某些纖維復合材料的疲勞強度可達其拉伸強度的70%~80%。

(4) 良好的抗化學反應和化學腐蝕性。傳統(tǒng)建材如鋼筋等不耐腐蝕，尤其在近海工程中，較易與工程周圍的空氣、海水以及污水中的化學物質(zhì)發(fā)生反應，使土木工程不能發(fā)揮應有的作用而引起巨大的損失。而大部分纖維復合材料是優(yōu)良的電絕緣材料，用其制作的設(shè)備或構(gòu)件一般具有良好的耐酸、堿、鹽等化學介質(zhì)侵蝕的能力。

(5) 良好的抗震性能。纖維復合材料相對傳統(tǒng)建材自振頻率甚高，不易出現(xiàn)共振，且在通常加載速度和頻率條件下不容易出現(xiàn)因共振而快速脆斷的現(xiàn)象;同時因為其存在大量的界面，振動阻尼性也很大，一旦激起振動，衰減也快。

(6) 過載安全性好。在纖維復合材料中，由于有大量獨立的纖維，當過載時復合材料中即使有少量纖維斷裂，載荷都會迅速重新分配到未被損壞的纖維上，不至于造成土木建筑工程中的構(gòu)件在瞬間喪失承載能力而斷裂。

(7) 高美學欣賞性。纖維復合材料組分中的材料纖維是柔軟的，樹脂是可以流動的，其產(chǎn)品的形狀幾乎不受限制，還可以任意著色，從而達到結(jié)構(gòu)型式和材料美學的高度統(tǒng)一。

(8) 結(jié)構(gòu)功能/智能化。在土木建筑工程中應用智能纖維材料，還可以使結(jié)構(gòu)具有一定的智能。例如美國人在建筑物使用智能復合材料制作的梁，在熱電控制下，能像人的肌肉纖維一樣產(chǎn)生形狀和張力的變化，從而根據(jù)建筑物受到的振動改變梁固有剛性和固有振動頻率，減小振幅，使框架結(jié)構(gòu)的壽命大大延長，達到了建筑物結(jié)構(gòu)噪聲與振動的主動控制[8]。

2.FRP的研究現(xiàn)狀

2.1 國外的研究現(xiàn)狀

據(jù)英國統(tǒng)計，僅1997年，至少有30多座橋梁和其他結(jié)構(gòu)采用CFRP加固或修補。大約有6000m長的CFRP片材被用于橋梁、管渠、購物中心、工業(yè)廠房、隧道、電站結(jié)構(gòu)和海洋結(jié)構(gòu)的加固和修補。英國為解決海洋環(huán)境下鋼筋混凝土構(gòu)筑物的腐蝕與防護問題，每年就花費將近20萬英鎊。英格蘭島中部環(huán)形線的快車道有11座混凝土高架橋，建于1972年，當時的建造費用為2800萬英鎊，建成兩年后就發(fā)現(xiàn)有因鋼筋銹蝕使混凝土發(fā)生順筋裂縫的現(xiàn)象，在1974-1989年的巧年期間，修補費用已高達4500萬英鎊，為造價的1.6倍，而且修補費用將持續(xù)提高，估計以后巧年還要耗費1.2億英鎊，累計接近造價的6倍[2]。1997-1998年發(fā)生于意大利的Umbria地震中，許多古建筑遭到了不同程度的破壞，其中很多是磚石結(jié)構(gòu)。在維修加固這些建筑物時，主要采取向裂縫注漿和粘貼FRP片材兩種方法[9]。

日本在1995年的阪神地震后，幾乎所有高架路橋、地鐵、建筑物和橋梁的補強，全部采用CFRP進行加固，日本的新干線使用不到10年，就出現(xiàn)大面積混凝土開裂、剝蝕現(xiàn)象。

美國也于近些年對FRP作了大量的研究和應用。美國材料咨詢委員會(NMAB)1987年的年度報告中指出，有253000座混凝土橋存在不同程度的損傷，且以每35000座的速度在增加，約有60萬座公路橋受到不同程度結(jié)構(gòu)上的破壞，橋梁、建筑物、隧道和其他基礎(chǔ)設(shè)施的補強已作為當前美國土木界重要的任務(wù)之一。QuakewrapTM公司1994年春季完成了一項采用FRP對既有受損砌體結(jié)構(gòu)加固的工程[10]。經(jīng)過幾年的實踐檢驗，加固效果良好，達到了預期的目的。

2.2 國內(nèi)的研究現(xiàn)狀

趙彤[11]通過碳纖維布加固的磚砌體墻在周期反復荷載作用下受力性能的試驗，研究了粘貼碳纖維布來增強磚砌體抗震能力的加固方法的有效性，分析了碳纖維布的用量以及貼布方式等因素對抗震加固效果的影響，并提出了碳纖維布加固磚砌體抗震承載力的簡化計算方法。試驗結(jié)果表明，碳纖維布加固的磚砌體墻開裂荷載明顯提高，變形能力明顯改善，并認為碳纖維布是通過析架模型中的受拉桿機制來改善墻體內(nèi)的受力狀態(tài)，提高構(gòu)件抗剪承載力的。

林磊、葉列平[12]利用玻璃纖維布(GFRP)對砌體墻進行了加固的試驗研究，對比了兩種加固方案的不同效果，并對試驗結(jié)果進行了分析，試驗結(jié)果表明，GFRP布對墻體抗剪能力的提高是顯著的。

翁大根、呂西林等[13]對在各種壓應力下的240標準磚墻片，在試驗之前及試驗開裂以后分別用GFRP粘貼墻面和用增加鋼筋網(wǎng)砂漿面層方法加固墻片，采用偽靜力裝置水平加載方法，檢驗加固的效果。試驗證明了對于砂漿強度很低的砌體，GFRP加固能有效增強砌體抗震整體性，具有等效于提高砂漿強度的效果，要提高抗裂和極限承載力則GFRP的厚度應滿足其抗拉能力大于砌體的抗剪能力。對于加載至破壞的墻片，GFRP加固能使得墻片基本恢復到原有的最大承載力。而鋼筋網(wǎng)砂漿面層加固能有效提高砌體的抗震能力。

3.FRP在土木工程中的應用領(lǐng)域

3.1 橋梁工程

FRP復合材料應用于橋梁工程起始于20世紀70年代末至80年代初期。橋梁結(jié)構(gòu)性能劣化與抗力衰減的一個根源是侵蝕。FRP由于具有耐腐蝕、耐疲勞和維護費用低等特點，被廣泛地應用于橋梁結(jié)構(gòu)中可用作懸索橋及斜拉橋的纜索、預應力混凝土橋中的預應力筋，甚至可以用于整個橋梁體系，還可以應用在橋梁補強加固方面，如日本的Tabras GOUclub橋、shin-miya橋和Sumitomo橋、Birdie橋等。

在既有混凝土橋受拉側(cè)用FRP加固橋梁，可以恢復和提高既有橋梁承載能力，加固施工能在不影響或少影響交通的情況下進行，具有不增加橋下有效空間、施工簡便、加固費用低、加固材料帶來的恒載不多等優(yōu)點，同時可克服粘貼鋼板受運輸長度的限制、鋼板銹蝕引起鋼板與混凝土梁之間粘貼層損壞之不足。

3.2 海洋結(jié)構(gòu)和近構(gòu)

由于海洋結(jié)構(gòu)和近海結(jié)構(gòu)的腐蝕問題一直比較突出，大量的土木工程師們越來越意識到FRP復合材料作為一種解決復雜環(huán)境下部件結(jié)構(gòu)中存在問題可行性材料的優(yōu)勢，因此采用抗腐蝕性能良好的FRP可以很好地解決該問題，所以，FRP被應用于海洋結(jié)構(gòu)和近海結(jié)構(gòu)具有很好的發(fā)展前景。例如，增加FRP的粘貼層數(shù)可以提高現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的承載力，或者用FRP加強筋替換原有構(gòu)件的一些鋼筋，這些新材料的使用將會比原始結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)性能有極大地改進。

3.3 高寒環(huán)境下免維護應用技術(shù)研究

由于在高寒環(huán)境下，建設(shè)周期比較長，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與維護費用比較昂貴，因此，對于擬建或再建的各種基礎(chǔ)設(shè)施項目，減少維護費用、提高其建設(shè)質(zhì)量是一個重大的技術(shù)問題。用FRP筋代替鋼筋做成的免維護復合材料混凝土結(jié)構(gòu)，可以達到延長壽命、提高基礎(chǔ)設(shè)施耐久性的目的。

4.展望

隨著我國經(jīng)濟和建設(shè)事業(yè)的迅猛發(fā)展，世界各國對土木工程的要求越來越高，在有些條件下，傳統(tǒng)建筑材料很難滿足這種發(fā)展要求，FRP由于具有高強、輕質(zhì)、耐腐蝕和耐久性好、施工方便等優(yōu)點，在土木工程中的應用將具有廣闊的發(fā)展前景，為更好地應用這項新材料，還須進一步研究。

1) FRP復合材料結(jié)構(gòu)耐火極限及防火設(shè)計方法研究。目前在國內(nèi)外尚未制定有關(guān)FRP結(jié)構(gòu)防火設(shè)計方面的規(guī)定，不但制約了該類結(jié)構(gòu)的推廣應用，而且對已建成結(jié)構(gòu)的耐火極限也缺乏必要的科學依據(jù)。

2) 研究內(nèi)容較窄。對于FRP的使用主要集中在FRP片材補強加固建筑結(jié)構(gòu)方面，對于橋梁、隧道、機場、碼頭、公路、鐵路、民用建筑、構(gòu)筑物等方面的研究應用開展不多。

3) 必須制定相應的驗收標準。FRP與混凝土共同組成組合結(jié)構(gòu)，保證FRP與混凝土間的粘結(jié)和共同工作非常重要，為了保證設(shè)計和施工目的實現(xiàn)，必須制定相應的驗收標準，提供既合理又便于實際操作的核心質(zhì)量控制和檢測辦法顯得尤為重要。

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