复合材料在土木工程中的发展与应用

万 健

(身份证号：430302197911184092)

0 前言

纤维增强复合材料具有质量轻、强度高、成型方便、耐腐蚀等优点，近20年来纤维增强复合材料逐渐取代混凝土和钢材等传统材料成为土木工程中的结构材料重要补充。上世纪五六十年代复合材料首次在民用建筑中得到了应用，我国在1958年开始用玻璃纤维代替钢筋来成型混凝土构件。本文从复合材料加固结构、复合材料筋锁、复合材料组合结构以及全复合材料结构等方面介绍了复合材料在土木工程中应用，希望能够扩大复合材料在土木工程中的应用范围，加快其应用发展。

1 复合材料在土木工程中的应用

复合材料在土木工程中的应用主要可以分为四类，工程结构加固补强、替代钢筋和钢索、与传统材料组合以及直接使用复合材料建造工程结构件。

首先是工程结构加固补强，将复合材料附着在结构件的表面，可以增强其受力能力。目前复合材料在结构件上的加固补强主要使用在混凝土结构、砌体结构、钢结构以及木结构等，同时应用于各种领域中，包括建筑结构、水工结构、桥梁、隧道等。其中最为主要的应用是将复合材料缠绕在混凝土柱上，通过对混凝土进行约束，然后增强混凝土的强度和变形能力，进而提高其抗震能力。复合材料对混凝土柱的加固补强，主要与其截面形状有关，一般情况下对于变形能力和抗剪能力的提高较高，而要想提高其承压能力，可以将截面设计成具有一定弧度的。另外还可以在梁或者板的受拉面粘贴复合材料，可以提高其抗弯能力，同时有效控制裂缝的产生。同时还可以使用复合材料片材对梁或者柱等结构件进行包裹，提高这些结构件的抗剪切能力。

其次是使用复合材料替代钢筋和钢索，复合材料筋与普通的钢筋相比具有轻质和高强的优点，其强度是普通钢筋的6倍，而重要仅有普通钢筋的1/5。同时还具有抗腐蚀、抗疲劳以及低松弛和非磁性的特点。使用复合材料筋替代普通钢筋，可以减少钢筋腐蚀给建筑结构带来的损害，减少维护费用。同时还可以应用在一些特殊的工程中。一般情况下，使用的复合材料筋主要有四种形式，分别是表面砂化处理的复合材料筋、复合材料预应力筋、表面压痕和滚花处理的复合材料筋以及纤维交错编织的复合材料筋。

第三是复合材料组合结构，复合材料的可设计性非常强，可以形成不同形式的结构件，主要有复合材料管混凝土、复合材料/钢管/混凝土结构件、复合材料/混凝土组合梁、复合材料/铝合金组合构件以及复合材料/木组合构件等。其中复合材料管混凝土是最常见的一种结构件，是将混凝土填充在复合材料管中形成的一种组合构件，其中复合材料管不但可以约束混凝土，还可以作为桩、柱和梁使用，可以提高施工速度，耐久性好。复合材料/钢管/混凝土组合构件，该构件在主要是在钢管的外部包裹复合材料，在钢管和复合材料之间填充混凝土，这样钢管作为承力结构，而复合材料作为模板，既可以避免钢管被腐蚀，还可以起到一定的约束作用，提高结构件的抗变形能力和承载能力，同时还可以减轻结构件的自重。复合材料/混凝土组合梁中混凝土处于上部承受压力，而复合材料处于下部受拉力作用。复合材料/木组合构件中复合材料作为增强部分，而木结构作为填充部分，可以有效提高其力学性能。总之，复合材料组合结构件较传统的土木工程结构件耐腐蚀性更好，且重量更轻。

最后是全复合材料结构，全复合材料结构件与传统的结构件相比，具有比强度高、比模量高的优点，同时还具有耐腐蚀、绝缘性、隔热性等特点，另外其可设计性和可加工性，也使得其在一些需要特殊功能的结构中成为最佳选择。目前应用较多的全复合材料结构件主要有复合材料桥面体系、复合材料轻质桥梁、快速架设的应急复合材料桥以及复合材料编织网结构、复合材料杆件、曲面结构件、耐腐蚀结构件等。其中复合材料桥面体系可以降低下部支撑结构的内力，抵御腐蚀，减少维护费用等。复合材料轻质桥梁主要应用在人行天桥，可以大大减轻桥体结构的重量，同时使得人行天桥的外观更加美观。另外当发人为或自然灾害时，需要快速运送和架设桥梁，而复合材料结构件轻量化、预制化以及耐腐蚀等特点使其非常适合用于快速架设桥梁。复合材料编织网结构是将复合材料进行编织、张拉后形成的具有一定弹性的柔性结构，主要用于超大跨度的屋盖结构中，例如体育场、大型厂房等大跨度建筑中。复合材料杆件空间结构主要是将复合材料杆件通过端头的铝合金锥头连接起来，形成网架结构，其重量为钢筋网架的1/5，而且施工简单，工期短，耐腐蚀，不凝露，后期的维修保养费用也较低，同时线膨胀系数小，温度效应小等。适用于大跨度和环境恶劣下的建筑。复合材料的可设计和易加工性可以使其较容易形成曲面造型，因此在建造形态较为复杂的建筑时，可以选择全复合材料结构件。另外随着节能环保等要求的不断提高，各种脱硫、脱硝以及污水处理工业结构越来越多。而这些建筑物对于耐腐蚀都有非常高的要求。同时随着对海洋的不断探索，对于结构件耐氯盐侵蚀的要求也越来越高。

2 总结

复合材料在土木工程中的应用环境更加复杂，且对其耐久性和稳定性具有非常高的要求。复合材料具有轻质高强、耐腐蚀、介电性能优异、可设计、易加工等一系列优点，但是目前复合材料在土木工程中应用的时间还非常短，本文对其目前主要的应用方式进行了分析研究，希望能够促进复合材料在土木工程中应用的快速发展。当然这还需要所有的建筑从业人员和复合材料研究人员的共同努力，研究出更多的复合材料在土木工程中的应用方式，促进土木工程的不断更新换代。

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[3]沙政辉.复合材料在土木工程中的发展与应用[J].中外企业家，2015（18）：222.