隨著世界軍工生產(chǎn)與航空航天而發(fā)展起來的纖維復(fù)合材料，由于具有良好而獨特的性能，適應(yīng)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(yīng)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(fù)合材料應(yīng)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(fù)功能[4]。纖維復(fù)合材料替代傳統(tǒng)建材應(yīng)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(hù)等，提供了新的途徑。

1.纖維復(fù)合材料在土建工程中的優(yōu)勢

纖維復(fù)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(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)材料應(yīng)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(jìn)行設(shè)計，以滿足單一材料無法達(dá)到的性能要求。

(2) 高的比強度和比剛度。一些纖維復(fù)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(fù)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(fù)合材料的疲勞強度可達(dá)其拉伸強度的70%~80%。

(4) 良好的抗化學(xué)反應(yīng)和化學(xué)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(xué)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，使土木工程不能發(fā)揮應(yīng)有的作用而引起巨大的損失。而大部分纖維復(fù)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(xué)介質(zhì)侵蝕的能力。

(5) 良好的抗震性能。纖維復(fù)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(fù)合材料中，由于有大量獨立的纖維，當(dāng)過載時復(fù)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(xué)欣賞性。纖維復(fù)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(dá)到結(jié)構(gòu)型式和材料美學(xué)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(yīng)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(fù)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(dá)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(hù)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(dāng)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(dá)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(jìn)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(yīng)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(dāng)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(dá)到了預(yù)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(fù)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(rèn)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(jìn)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(jìn)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(yīng)力下的240標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(fù)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(yīng)用領(lǐng)域

3.1 橋梁工程

FRP復(fù)合材料應(yīng)用于橋梁工程起始于20世紀(jì)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(hù)費用低等特點，被廣泛地應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)中可用作懸索橋及斜拉橋的纜索、預(yù)應(yīng)力混凝土橋中的預(yù)應(yīng)力筋，甚至可以用于整個橋梁體系，還可以應(yīng)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(fù)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(jìn)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(fù)合材料作為一種解決復(fù)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(yīng)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(jìn)。

3.3 高寒環(huán)境下免維護(hù)應(yīng)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(hù)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(hù)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(hù)復(fù)合材料混凝土結(jié)構(gòu)，可以達(dá)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(yīng)用將具有廣闊的發(fā)展前景，為更好地應(yīng)用這項新材料，還須進(jìn)一步研究。

1) FRP復(fù)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(yīng)用，而且對已建成結(jié)構(gòu)的耐火極限也缺乏必要的科學(xué)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(yīng)用開展不多。

3) 必須制定相應(yīng)的驗收標(biāo)準(zhǔn)。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(yīng)的驗收標(biāo)準(zhǔn)，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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