FRP材料在工程中的應(yīng)用

王建超

大連市市政設(shè)計研究院有限責(zé)任公司 遼寧大連 116000

從上個世紀(jì)七十年代開始，英國、以色列等也開始追隨美國的腳步，開啟了FRP材料的研究，并將其作用到諸如橋梁結(jié)構(gòu)等的工程中。而隨后的幾年，我國也開始了關(guān)于FRP材料的研究。1982年在北京密云建成的、中國第一座簡支公路橋，就是一次對FRP材料應(yīng)用的重要突破；而在1995年，我們的近鄰日本在歷經(jīng)了阪神地震以后，也開始將FRP材料作用到橋梁結(jié)構(gòu)的施工當(dāng)中。從概念和屬性的角度來說，F(xiàn)RP材料是一種復(fù)合型塑料，是通過基底材料混合增強(qiáng)材料膠合而成的。目前比較常見的增強(qiáng)材料包括玻璃纖維、碳化硅纖維、芳綸纖維和碳纖維等。而根據(jù)基底材料和增強(qiáng)材料的不同膠合形式，F(xiàn)RP材料也會呈現(xiàn)出不同的類型，比如CFRP(碳纖維增強(qiáng)復(fù)合塑料)、GFRP(玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合塑料)、AFRP(芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合塑料)等。

1 FRP材料的主要特征分析

FRP材料的特征很大程度上是由合成的基底材料和增強(qiáng)材料決定的，主要表現(xiàn)在這樣幾個方面：

1.1 輕質(zhì)高強(qiáng)

FRP材料密度小、材質(zhì)較輕巧，所以在相同直徑的情況下，其質(zhì)量大約為同體積鋼質(zhì)材料的五分之一，甚至只有七分之一。但是密度小、質(zhì)量小卻不意味著強(qiáng)度低，F(xiàn)RP材料的強(qiáng)度可以達(dá)到一般剛才的20倍甚至50倍，在具體工程施工的過程中如果使用FRP材料不僅可以降低結(jié)構(gòu)自身的重量，更可以提高其強(qiáng)度，尤其是對于橋梁結(jié)構(gòu)類的工程而言，使用FRP材料更可以拉高其極限跨度[1]。

1.2 耐腐蝕能力強(qiáng)

因為FRP材料主要是基底材料和增強(qiáng)材料膠合而成的，所以非金屬纖維是其構(gòu)成的主要元素。非金屬纖維最大的特點便在于電化學(xué)性小于普通鋼材，所以由其合成的FRP材料也會具有非常好的腐蝕性，即便是在鹽、堿和潮濕的環(huán)境中，依然能夠抵抗各種化學(xué)腐蝕，而這恰恰是傳統(tǒng)剛才所不具備的優(yōu)勢。

1.3 沖擊韌性低

FRP材料屬于脆性材料，構(gòu)建缺少塑性轉(zhuǎn)動能力，沖擊韌性比較低，所以其并不能實現(xiàn)彎矩重分布。就實際情況而言，大部分FRP材料的彈性模量是低于鋼材料的，所以在工程設(shè)計過程中要充分考慮FRP材料的這點屬性和特征，盡可能用幾何強(qiáng)度來彌補(bǔ)這部分的缺點和不足。

2 FRP材料在橋梁隧道工程中的應(yīng)用

因為FRP材料具有如上的特點，因此近年來在各類工程項目中也有著非常廣泛的應(yīng)用，以橋梁工程為例，其應(yīng)用情況主要表現(xiàn)在這樣幾個細(xì)節(jié)之處：

2.1 在舊橋梁改造中的應(yīng)用

傳統(tǒng)橋梁工程用以加固的手段主要是粘鋼法和增加橫截面面積，但是相對而言這些方法都不是萬全之策，都存在著一定程度的缺陷和不足。但是如果在橋梁改造或者加固施工過程中應(yīng)用FRP材料，那么不僅會為施工過程帶來便利，同時還能增加橋梁的抗腐蝕性、提高其承載能力；細(xì)節(jié)上可以采用FRP板或FRP布，這兩類材料在橋梁加固活該藻類的施工當(dāng)中應(yīng)用率都比較高[2]。只是休要注意的是，橋梁機(jī)構(gòu)當(dāng)中的碳、鋼等都很容易發(fā)生電反應(yīng)，所以為確保施工順利必須提前采取預(yù)防措施，材料的選擇要滿足設(shè)計和彈性模量的需求。

2.2 代替普通鋼筋

因為FRP材料具有非常好的抗腐蝕性，因此在容易被腐蝕（主要是各種化學(xué)腐蝕）的環(huán)境中，可以使用FRP材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼筋材料，來加固橋梁、提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，提高其抗腐蝕的效果[3]。在具體施工過程中，要格外注意FRP材料和混凝土之間的粘合性，拉擠成功之后要對其表面展開必要的粗糙處理，具體處理方法包括壓痕、纏繞纖維呈螺紋狀等。

2.3 混凝土結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力筋

對FRP材料施加預(yù)應(yīng)力不僅能夠改善FRP混凝土梁的抗裂度及剛度，而且還能充分調(diào)動FRP材料的特性。在實際橋梁工程施工的過程中，存在內(nèi)、外兩種預(yù)應(yīng)力梁筋，如果需要使用FRP筋進(jìn)行加固或者混凝土結(jié)構(gòu)截面布置體內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋不易，就可以采用體外預(yù)應(yīng)力施工技術(shù)，當(dāng)然在實際施工中還是要盡可能采用體內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋。

2.4 FRP格柵

與傳統(tǒng)格柵相比，F(xiàn)RP格柵具有很強(qiáng)的耐久性，而且從特征來說質(zhì)量小、強(qiáng)度高，格外便于在施工中呈現(xiàn)效果。除卻橋梁施工外，在諸如新建結(jié)構(gòu)、隧道加固工程中，F(xiàn)RP格柵都有著非常廣泛的應(yīng)用。在具體施工過程中需要添加錨桿配合使用，這樣可以避免周邊圍巖發(fā)生變形。

2.5 感知性能的應(yīng)用

FRP材料不僅具有很好的力學(xué)性能，同時還具備極強(qiáng)的感知性能，因此在橋梁施工過程中其往往被同時當(dāng)作結(jié)構(gòu)的受力筋和傳感器來使用。舉例來說，CFRP(碳纖維增強(qiáng)復(fù)合塑料)在受力過程中，電阻會跟隨力度而發(fā)生變化，彰顯出特殊的感知性。所以在橋梁施工過程中，要盡可能將FRP材料的特性和結(jié)構(gòu)功能檢測、監(jiān)測等內(nèi)容進(jìn)行整合，使橋梁結(jié)構(gòu)的實際受力情況準(zhǔn)確反映出來。

3 結(jié)語

作為一種施工應(yīng)用材料，啟示FRP材料在橋梁工程中的應(yīng)用并不算長，但是因為這樣一種材料已經(jīng)得到了國際范圍內(nèi)的普遍認(rèn)可，所以從其作用于工程施工時開始，便廣為人們關(guān)注。相對而言，我國所開啟的有關(guān)FRP材料的研究時間更為短暫，與歐美等發(fā)達(dá)國家對FRP的利用情況有著顯著的差距。但是正是這種差距的存在促使我們意識到，我國的FRP材料工程應(yīng)用情況還有很大的提升空間，而隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，隨著各行各業(yè)對FRP材料的高度重視，其在橋梁工程中的應(yīng)用程度和應(yīng)用效果會日漸提升，其將助力很多傳統(tǒng)工程施工過程中所暴露出的問題和弊端得以解決。