探究CFRP筋材在土木建筑工程中的应用

田丽芳（定西武阳水利水电工程有限公司）

探究CFRP筋材在土木建筑工程中的应用

田丽芳
（定西武阳水利水电工程有限公司）

CFRP筋材，即是指碳纤维增强复合材料，该型筋材优势众多，比如，耐腐蚀性高、抗拉强度高、以及自重轻等，因此CFRP在土木工程中的应用逐渐变得广泛，且土木工程业界和复合材料界对其的关注也日益增大。本文就CFRP筋材的国内外研究现状、特性，以及其在土木工程中的实际应用状况进行了简要探究与分析，以作参考。

CFRP筋材；土木工程；现状；应用

前言：CFRP筋材主要是由连续碳纤维采用树脂做浸染以后，再用特制的模具将其挤压后拉拔成型，CFRP筋材一般可分为绞线类、棒类、片筋或是板筋、以及其余各种类型筋材在经工厂加工成型后，而后在施工现场直接进行拼装。就目前来说，运用得最为广泛的便是绞线类与棒类。绞线类的形状就如同钢线，棒类则可以做成普通钢筋的形状，且主要包含有喷沙筋、光面筋和螺纹筋等几种。

一、CFRP筋材的国内外研究现状

在上世纪70年代的时候，CFRP筋材的应用就已经逐渐步向成熟，而在上世纪60年代的美国，便已将其运用到土木工程中，可惜当时的价格较高，且最终的试验效果也不如人意，故而在这之后的二十余年里，CFRP筋材在土木工程中并没有获得实质性的进展。一直到上世纪80年代，欧美、日本等这些发达国家逐渐开始重视CFRP筋材在土木工程中的研究及其应用，且并具体应用范围也比较广，其中对于桥梁方面的应用最多。

CFRP筋材在国内的研究起步相对要晚些，直到上世纪90年代中后期才逐渐开始了对该筋材的研究和应用。CFRP筋材在1999年中国台湾地震灾害后的修补及其重建工程中发挥了非常大的作用，人们对这项新技术有了更深层次的认识。随着科技的发展以及CFRP筋材在土木工程应用中的日益增多，国内很多企业都相继开始生产CFRP以及CFRP筋材，并且在修复及其加固混凝土结构方面的理论方面相对比较成熟了，在技术上也越来越完善。

二、CFRP筋材的特性研究

碳纤维增强塑料筋，主要是经连续纤维组成的一种各向异性复合型材料，不管是它的生产工艺、纤维体积分数，还是树脂类型、纤维方向，CFRP的性能都会受到这些因素的影响。

（一）物理性能。CFRP筋材的密度是钢材密度的1/5～1/4，其自身密度在1250～2100kg/m3之间，纤维纵向或是横向会造成热膨胀系数产生差异，而差别的大小则主要是受到纤维与树脂的类型，及其纤维的提及率的影响。

（二）力学性能。CFRP筋材的抗拉强度是普通I级钢筋的4～5倍，可以说其抗拉强度相当之高，且在受拉被破坏之前不会表现出任何的塑性，其应力应变关系主要是线弹性，纤维体积分很大程度上影响着CFRP筋材的抗拉强度及其刚度。

（三）减震性能。由于CFRP筋材自震频率较高，因此可有效防治其早期共振，同时内部阻力也比较大，即便发生激震，衰减速度也会很快。

（四）产品形状。CFRP的制备材料较为柔软，而且树脂也是流动性的，因此，产品的形状受限很小，着色方面也可以随意进行，从而达成材料美学及其结构形式的完美统一、高效结合。

三、土木工程中CFRP筋材的应用情况

随着科技的发展，各类新材料被运用到土木工程中，这也是世界建筑设计的主流发展，而土木工程中CFRP的应用情况主要分为两大类，即修复旧结构、以及直接应用于新结构。

（一）修复旧结构

在普通钢筋混凝土以及预应力钢筋混凝土结构的表面粘贴上CFRP，不仅施工工艺简单、且效果明显，而且该粘贴技术将混凝土柱、板，以及梁的抗压、抗弯强度及其结构表面的抗腐蚀能力往上提升一个档次，同时，这种技术不会增加结构的永久负荷。我国目前的粘贴CFRP的工艺技术已经比较成熟，在应用方面也逐渐增多。

（二）增强新结构

（1）全负荷结构体系。在FRP建造桥梁的面板、栏杆以及梁等方面的构件，应用的就是全负荷结构体系，并最终组成复合材料桥。就比如，上世纪90年代后期，美国马丁公司的研究与发展部，设计并制造出了一种全复合型材料高速公路的1/4桥面。该桥面尺寸是5.5m x 9.1m，总质量为11.340t，大约可承受326.59kN的车辆负载（2）。该复合材料桥梁，就是先在工厂进行FRP型材的事先预制，之后再连接成为一体，直接在现场装配，如此在降低生产成本的同时，也有效保证了生产质量。

（2）新型CFRP混凝土体系。

1 . CFRP棒增强混凝土。把碳纤维筋制作成类似钢筋样式的外形，用来替代钢筋，，从而形成CFRP混凝土。美国设计者就制造出了一种CFRP混凝土的面板，其纵向受筋力是碳纤维棒，箍筋则是玻璃纤维筋，并用它代替取代了传统的钢筋混凝土面板（4）。

2 . CFRP圆管混凝土柱体系CSS。该体系是被最先设计出的一种标准复合型材料的混凝土结构体系，其主要是通过混凝土填充的先进复合材料甲板以及抗剪连接器等组合而成。在CFRP混凝土柱和面板中嵌进连接组件，其中面板是玻璃纤维增强型的材料组合拼接而成的。这种结构板在进行现场拼装前，可事先在工厂加工好，其重量约为传统材板的1/4，可大幅度的降低结构重量。并且，试验测试结果表明，在该结构体系加载到56kN的时候，且通过200 x 104次频率是1Hz的循环加载之后，并没有能够降低其结构强度。而在加载到490kN时，组件受到破坏，这主要是因为达到了设计屈服强度的8.8倍（3）。该次试验充分体现并证明出了结构设计的可靠性。

3 . 大跨度悬索桥以及斜拉桥体系。当桥梁建造跨度达到5km以上时，通常只能由CFRP来充当绳索材料，同样，也只能是CFRP来担当斜拉桥的主梁。这也充分说明了这一点，也就是当跨度达到或是超过4km以上时，CFRP就会获得极强的竞争力。若是再进一步降低施工费用及其使用期的维修费用，那么这种超大跨度纤维桥梁毫无疑问会更有竞争力，其带来的经济效益也会明显提高。

结束语

综上所述，CFRP作为各向异性的一种新型材料，与传统的建筑结构材料相比，它的材料性质存有很大不同。结合到我国目前土木工程中CFRP材料的研究现状及其应用发展，尚还有许多改进的问题。并且，在通过借鉴国外的一些发展经验后，国内首先应加强研究CFRP的增强方式，应用技术的开发、以及CFRP的更加标准化及其规范化工作的步伐，这也是进一步提升土木工程的整体建筑质量的一大重要途径。

[1]张作诚,周建方.CFRP筋材在土木建筑工程中的应用[J].河海大学常州分校学报,2005,01:23-27.

[2]诸葛萍,章子华,丁勇,卢彭真.土木工程用CFRP筋弯折抗拉性能[J].复合材料学报,2014,05:1300-1305.

[3]季园园,韩庆华,芦燕,刘锡良.CFRP在土木工程中的应用研究[J].结构工程师,2014,05:210-219.

[4]周先雁,王兰彩.碳纤维复合材料(CFRP)在土木工程中的应用综述[J].中南林业科技大学学报,2007,05:26-32.

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1007-6344（2016）04-0332-01