FRP 材料在土木工程中的应用

何雷

（重庆大学，重庆 400044）

0 引言

纤维增强复合材料（FRP）由两种或数种材料组合而成，通常一种为增强体，一种为基体。增强体提供强度和刚度，而基体通常为连续相，维持纤维的正确方向和间距并保护它们免受磨损和环境影响[1]。常见基体和增强体如表1 所示。

表1 常见的基体和增强体

相比传统各向同性建材，如混凝土、钢材，FRP 材料高强轻质，能有效减轻结构自重；具有良好的耐腐蚀性，在酸、碱、氯盐腐蚀区域能够长期稳定工作，可以应用于化学工业、沿海工程、水下工程等领域；可设计性好，施工方便，能够提高装配化程度及劳动效率[2]。

但FRP 材料目前也存在材料无塑性、延伸率低、弹性模量低、抗剪和抗压强度低、存在徐变断裂现象、热稳定性差、不耐紫外线等问题，在工程应用中应当充分考虑材料特性，保证结构的使用功能。

从最初的手糊工艺到当前的热压罐成型、液体成型、先进拉挤成型等成型技术[3]，FRP 材料生产工艺发展十分迅速。自动化技术的发展使先进拉挤成型工艺生产效率进一步提高，且成本降低，产品质量更加稳定，逐渐成为FRP 材料生产的主要方式。典型FRP 材料拉挤成型生产工艺流程为：放卷/收卷→预成型→热压固化→后固化→牵引→检测、切割[4]。

1 FRP 材料工程应用实例

1.1 FRP 布和片材应用

FRP 布和片材加工方便，广泛应用于钢筋混凝土结构加固中。利用其受拉性能，将FRP 板材粘贴在加固部位表面，能够有效保护混凝土，防止混凝土开裂或减缓裂缝发展，延长结构使用寿命，钢筋混凝土梁加固形式一般分为抗弯加固与抗剪加固[5]。一般外贴FRP 布或板加固混凝土结构施工流程为：表面处理→表面清洗→刷底胶→粘贴修补→粘贴FRP 布或板→结构养护→外表面防护处理[6]。加固后的结构承载力可根据《纤维增强复合材料建设工程应用技术规范》[7]进行计算。

FRP 布和片材加固钢筋混凝土在实际工程中已有广泛应用。20 世纪80 年代我国采用在结构表面粘贴FRP 片材的方式加固了上海宝山飞云桥、南京大桥引桥等桥梁，利用其抗拉性能优异，增强构件的受力性能，延长桥梁使用寿命[8]。

1.2 FRP 筋的应用

FRP 筋因高强轻质、工艺简单、耐腐蚀、高强轻质、电磁绝缘性好被广泛应用于盾构技术、边坡加固、FRP 筋混凝土结构中。表2 给出了不同种类FRP 筋与钢筋、钢绞线的性能对比。从表2可以看出FRP 筋材料性能优异，使用得当可以代替钢筋或钢索应用于结构之中。

表2 各种FRP 筋与钢筋性能对比[9]

用FRP 筋强度高、易切割、耐腐蚀、耐久性好的特点，FRP 筋被广泛应用于地铁车站盾构技术中。FRP 筋代替钢筋制作钢筋混凝土维护结构，既能满足维护结构的要求，确保盾构机的顺利通过，同时减少钻进时围护结构对盾构机刀片的损伤。目前已有许多工程应用案例，2008 年，成都地铁公司协同西南交通大学于工程实地进行FRP 人工挖孔桩围护结构试验，并成功应用于成都地铁一号线骡马市站围护结构中[10]。此外还有很多工程案例，如：广佛地铁10 标段、北京地铁15 号线大屯路东站等。诸多工程实例表明切割过程中对刀片没有损伤，且节约了成本，缩短了工期。

利用FRP 筋耐腐蚀、耐久性好的特点代替钢筋进行边坡加固也已经在工程中广泛应用。209 国道宣恩县境内K1984+828~909 段[11]，右侧上方边坡坡高约30m，坡度较陡，地层岩性为泥质粉砂岩，强度低，易风化，利用多层FRP 锚杆加固之后边坡稳定性得到增强。此外还有许多工程应用实例，如昌吉高速公路沅陵段边坡加固、深圳福田区新彩隧道边坡加固等。

FRP 筋混凝土结构能够应用在冻融或高盐碱地区，避免锈蚀对结构所带来的损害，减少维护费用，延长结构使用寿命。1988年，日本九川县建造的石智川桥长35.8m，宽12.3m[12]，该桥第一次将FRP 筋用作预应力筋应用在工程实例中。而我国对FRP 筋混凝土梁力学性能以及特殊环境下的使用已有许多研究，但由于缺乏相关设计规范和施工指导，目前我国仍旧没有较好的FRP 筋混凝土工程应用案例[13]。

1.3 FRP—混凝土组合结构

随着FRP 拉挤型材生产工艺的进步，FRP 造价降低，FRP 组合结构越来越多地出现在工程实际应用中。1999 年，瑞士开始建造FRP 框架结构建筑[14]，此后FRP 框架和桁架结构广泛应用于对化学环境要求严苛或禁止使用钢材的工业建筑中。此外FRP桁架结构也被广泛应用于人行桥中，如重庆茅以升公益桥、高良涧闸区工作桥等。

FRP—混凝土组合结构受力特征明显，上部混凝土受压、下部FRP 受拉，两者之间通过剪力连接件传递荷载使之协同工作，可充分发挥混凝土和FRP 材料特性，提高材料利用效率。1982年，我国在北京密云建造一座长20.7m，宽9.6m，GFRP 蜂窝箱梁单跨简支公路桥，该桥为世界上第一座FRP 公路桥[15]。此后又陆续兴建了一些FRP—混凝土组合结构桥梁，但现有的FRP—混凝土组合结构桥梁大部分为人行桥，承受较大荷载的公路桥仍旧很少，FRP 组合结构的发展还有很多需要研究的内容。

2 结语

本文介绍FRP 材料在土木行业各个领域中的工程应用，可以看出目前复合材料主要利用高强轻质、弹模低、耐腐蚀、疲劳性好等特性在结构非主要受力的部位代替钢材，而用作主要受力材料的结构跨度和设计荷载均较小。随着材料生产工艺的优化，截面更大、材性更好的FRP 材料将会推动大体系FRP 结构在土木工程中的应用。此外在需要克服电磁场、冻融、腐蚀等特殊环境下的全FRP 结构研究与应用也是未来复合材料发展的热点。