FRP 材料在土木工程中的應用

何雷

（重慶大學，重慶 400044）

0 引言

纖維增強復合材料（FRP）由兩種或數種材料組合而成，通常一種為增強體，一種為基體。增強體提供強度和剛度，而基體通常為連續相，維持纖維的正確方向和間距并保護它們免受磨損和環境影響[1]。常見基體和增強體如表1 所示。

表1 常見的基體和增強體

相比傳統各向同性建材，如混凝土、鋼材，FRP 材料高強輕質，能有效減輕結構自重；具有良好的耐腐蝕性，在酸、堿、氯鹽腐蝕區域能夠長期穩定工作，可以應用于化學工業、沿海工程、水下工程等領域；可設計性好，施工方便，能夠提高裝配化程度及勞動效率[2]。

但FRP 材料目前也存在材料無塑性、延伸率低、彈性模量低、抗剪和抗壓強度低、存在徐變斷裂現象、熱穩定性差、不耐紫外線等問題，在工程應用中應當充分考慮材料特性，保證結構的使用功能。

從最初的手糊工藝到當前的熱壓罐成型、液體成型、先進拉擠成型等成型技術[3]，FRP 材料生產工藝發展十分迅速。自動化技術的發展使先進拉擠成型工藝生產效率進一步提高，且成本降低，產品質量更加穩定，逐漸成為FRP 材料生產的主要方式。典型FRP 材料拉擠成型生產工藝流程為：放卷/收卷→預成型→熱壓固化→后固化→牽引→檢測、切割[4]。

1 FRP 材料工程應用實例

1.1 FRP 布和片材應用

FRP 布和片材加工方便，廣泛應用于鋼筋混凝土結構加固中。利用其受拉性能，將FRP 板材粘貼在加固部位表面，能夠有效保護混凝土，防止混凝土開裂或減緩裂縫發展，延長結構使用壽命，鋼筋混凝土梁加固形式一般分為抗彎加固與抗剪加固[5]。一般外貼FRP 布或板加固混凝土結構施工流程為：表面處理→表面清洗→刷底膠→粘貼修補→粘貼FRP 布或板→結構養護→外表面防護處理[6]。加固后的結構承載力可根據《纖維增強復合材料建設工程應用技術規范》[7]進行計算。

FRP 布和片材加固鋼筋混凝土在實際工程中已有廣泛應用。20 世紀80 年代我國采用在結構表面粘貼FRP 片材的方式加固了上海寶山飛云橋、南京大橋引橋等橋梁，利用其抗拉性能優異，增強構件的受力性能，延長橋梁使用壽命[8]。

1.2 FRP 筋的應用

FRP 筋因高強輕質、工藝簡單、耐腐蝕、高強輕質、電磁絕緣性好被廣泛應用于盾構技術、邊坡加固、FRP 筋混凝土結構中。表2 給出了不同種類FRP 筋與鋼筋、鋼絞線的性能對比。從表2可以看出FRP 筋材料性能優異，使用得當可以代替鋼筋或鋼索應用于結構之中。

表2 各種FRP 筋與鋼筋性能對比[9]

用FRP 筋強度高、易切割、耐腐蝕、耐久性好的特點，FRP 筋被廣泛應用于地鐵車站盾構技術中。FRP 筋代替鋼筋制作鋼筋混凝土維護結構，既能滿足維護結構的要求，確保盾構機的順利通過，同時減少鉆進時圍護結構對盾構機刀片的損傷。目前已有許多工程應用案例，2008 年，成都地鐵公司協同西南交通大學于工程實地進行FRP 人工挖孔樁圍護結構試驗，并成功應用于成都地鐵一號線騾馬市站圍護結構中[10]。此外還有很多工程案例，如：廣佛地鐵10 標段、北京地鐵15 號線大屯路東站等。諸多工程實例表明切割過程中對刀片沒有損傷，且節約了成本，縮短了工期。

利用FRP 筋耐腐蝕、耐久性好的特點代替鋼筋進行邊坡加固也已經在工程中廣泛應用。209 國道宣恩縣境內K1984+828~909 段[11]，右側上方邊坡坡高約30m，坡度較陡，地層巖性為泥質粉砂巖，強度低，易風化，利用多層FRP 錨桿加固之后邊坡穩定性得到增強。此外還有許多工程應用實例，如昌吉高速公路沅陵段邊坡加固、深圳福田區新彩隧道邊坡加固等。

FRP 筋混凝土結構能夠應用在凍融或高鹽堿地區，避免銹蝕對結構所帶來的損害，減少維護費用，延長結構使用壽命。1988年，日本九川縣建造的石智川橋長35.8m，寬12.3m[12]，該橋第一次將FRP 筋用作預應力筋應用在工程實例中。而我國對FRP 筋混凝土梁力學性能以及特殊環境下的使用已有許多研究，但由于缺乏相關設計規范和施工指導，目前我國仍舊沒有較好的FRP 筋混凝土工程應用案例[13]。

1.3 FRP—混凝土組合結構

隨著FRP 拉擠型材生產工藝的進步，FRP 造價降低，FRP 組合結構越來越多地出現在工程實際應用中。1999 年，瑞士開始建造FRP 框架結構建筑[14]，此后FRP 框架和桁架結構廣泛應用于對化學環境要求嚴苛或禁止使用鋼材的工業建筑中。此外FRP桁架結構也被廣泛應用于人行橋中，如重慶茅以升公益橋、高良澗閘區工作橋等。

FRP—混凝土組合結構受力特征明顯，上部混凝土受壓、下部FRP 受拉，兩者之間通過剪力連接件傳遞荷載使之協同工作，可充分發揮混凝土和FRP 材料特性，提高材料利用效率。1982年，我國在北京密云建造一座長20.7m，寬9.6m，GFRP 蜂窩箱梁單跨簡支公路橋，該橋為世界上第一座FRP 公路橋[15]。此后又陸續興建了一些FRP—混凝土組合結構橋梁，但現有的FRP—混凝土組合結構橋梁大部分為人行橋，承受較大荷載的公路橋仍舊很少，FRP 組合結構的發展還有很多需要研究的內容。

2 結語

本文介紹FRP 材料在土木行業各個領域中的工程應用，可以看出目前復合材料主要利用高強輕質、彈模低、耐腐蝕、疲勞性好等特性在結構非主要受力的部位代替鋼材，而用作主要受力材料的結構跨度和設計荷載均較小。隨著材料生產工藝的優化，截面更大、材性更好的FRP 材料將會推動大體系FRP 結構在土木工程中的應用。此外在需要克服電磁場、凍融、腐蝕等特殊環境下的全FRP 結構研究與應用也是未來復合材料發展的熱點。