FRP概述

纖維增強復合材料(以下簡稱“FRP”)是由連續(xù)纖維和基體樹脂復合而成。目前在土木工程中應用的FRP材料主要有碳纖維增強復合材料(CFRP)、玻璃纖維增強復合材料(GFRP)、芳綸纖維增強復合材料(AFRP)以及玄武巖纖維增強復合材料(BFRP)等。

目前以碳纖維布為代表的FRP片材已經(jīng)成為一種重要的結(jié)構加固材料，在各類民用及工業(yè)建構筑物的改造加固工程中得到了廣泛的應用。

近年來，F(xiàn)RP材料在新建結(jié)構中的研究和應用也已成為土木建筑領域的研究熱點。由于FRP不同于傳統(tǒng)建筑材料的物理和力學特性，其用于新建結(jié)構具有很大的技術優(yōu)勢和發(fā)展空間，主要體現(xiàn)為：

1)輕質(zhì)高強，F(xiàn)RP的比強度(強度與密度之比)是鋼材的20～50倍，采用FRP材料可大大減輕結(jié)構的質(zhì)量，并可使大跨橋梁和建筑物的極限跨度大為增加。

2)良好的耐腐蝕性，可用于港口工程、地下工程、橋梁、化工建筑等有特殊環(huán)境下要求的建構筑物。

3)成型方便，可設計性強，可以較方便地設計成筋、索、管及其他型材。

4)FRP為線彈性材料，在發(fā)生較大變形后還能恢復原狀，對于承受較大動載和沖擊荷載的結(jié)構較為有利。

FRP材料還具有非磁性、絕緣(CFRP除外)、熱膨脹系數(shù)小等其他優(yōu)勢，在一些特殊結(jié)構中能夠發(fā)揮其他建材難以取代的作用。

2FRP在新建結(jié)構中的應用形式

2.1FRP-混凝土組合結(jié)構

FRP-混凝土組合結(jié)構是指將FRP材料與混凝土通過一定的方式形成組合，共同承受荷載作用，其形式有FRP筋-混凝土結(jié)構、FRP網(wǎng)格-混凝土結(jié)構、FRP-混凝土組合梁(FRP梁式構件與混凝土翼板組合)、FRP管-混凝土組合構件等。

FRP-混凝土組合結(jié)構充分利用了FRP與混凝土兩種材料的特性，具有很好的力學性能和很好的環(huán)境適應性，可以滿足不同工況下的使用要求。尤其是在海洋工程、交通道路、橋梁隧道、市政工程等使用環(huán)境復雜、對材料性能要求高的大型工程中更能發(fā)揮該新型組合結(jié)構的技術優(yōu)勢。

2.1.1FRP筋-混凝土組合結(jié)構

在處于惡劣環(huán)境條件時，如干濕交替、化學介質(zhì)等作用下，普通鋼筋極易發(fā)生腐蝕，嚴重影響結(jié)構的耐久性和適用性，導致結(jié)構承載能力的降低。在這種情況下，防腐性能好、黏結(jié)性能與鋼筋相差不多且抗拉強度高的FRP筋成為代替鋼筋的一個較好選擇(表1)。

表1FRP筋的物理、力學性能指標

注：纖維體積含量為50%～70%。

FRP筋是由若干股連續(xù)纖維束按特定的工藝經(jīng)配套樹脂浸漬固化而成，主要生產(chǎn)工藝包括編織型、絞線型、拉擠型，其中拉擠型是較為普遍的方法(圖1)。按形狀來劃分，通過拉擠成型的條棒狀直線型FRP筋一般稱為筋材或棒材，包括表面光圓筋和表面變形筋，此類筋剛度較大，不易彎曲；將纖維束扭成絞狀呈復合繩形式的FRP筋稱為索或絞線，為單股或多股，剛度較小，可以彎曲繞成卷。

a—發(fā)辮式(編織型)；b—絞線式；c—拉擠變形筋。

圖1FRP筋成型方式

20世紀60年代初，美國Marshall-Vega公司生產(chǎn)出GFRP筋，用于解決近海地區(qū)和寒冷地區(qū)的鋼筋混凝土結(jié)構遭受鹽蝕危害問題。20世紀80年代開始，F(xiàn)RP筋逐漸大量應用于有特殊性能要求的結(jié)構物中代替鋼筋，如有磁共振設備的建筑及海堤、工業(yè)廠房屋面板等受嚴重化學侵蝕的結(jié)構物中，經(jīng)長達二十多年的跟蹤監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)RP筋-混凝土的工作狀況良好，全壽命周期的綜合經(jīng)濟性優(yōu)于頻繁維護翻修的鋼筋混凝土結(jié)構。

巖土工程也是FRP筋的重要應用領域，目前已用于因潮汐變化導致干濕交替的擋土墻、地基錨桿及地鐵沉井等工程中(圖2)。

圖2FRP筋在結(jié)構中代替鋼筋

FRP筋、絞線的另一種使用形式是預應力混凝土結(jié)構，目前多用于橋梁工程。德國于1986年在杜塞爾多夫建成了世界上座采用玻璃纖維筋的預應力混凝土公路橋——UlenbergStrass橋。該橋在上部結(jié)構板中使用了59根復合材料預應力筋，每根筋由19根直徑7.5mm的無堿玻璃纖維(E)級筋組成，全橋共使用了4tGFRP。1991年又在路德維希港建成一座采用CFRP筋束施加部分預應力的全長80m的預應力混凝土橋梁。

日本于1988年在石川縣的先張預應力混凝土板式公路橋Shinmiya上將CFRP絞線作預應力筋；而后在千葉縣的長津川人行橋采用CFRP棒筋作為普通筋，采用絞合型碳纖維線芯(CFCC)絞線作為預應力筋，全橋為全CFRP材料替代鋼筋的非金屬結(jié)構。1989年建成的日本九州縣石智川橋則是CFRP筋作為預應力筋應用于兩跨簡支預應力混凝土公路橋。

在技術標準方面，日本于1997年公布了《連續(xù)纖維增強材料混凝土結(jié)構設計施工建議》。加拿大土木工程師協(xié)會(CSCE)于1989年成立了“新型復合材料在橋梁和結(jié)構中的應用”技術委員會，在1996年和2000年出版的CAN/CSA-S6-96，CAN/CSA-S6-00《加拿大公路橋梁設計規(guī)范》中包含了FRP筋的相關設計條款。2002年公布了CAN/CSA-S806-02《FRP筋混凝土結(jié)構設計和施工規(guī)程》。美國混凝土協(xié)會ACI440委員會于2001年出版了《FRP筋增強混凝土結(jié)構的設計和施工指南》，2003年又出版了《FRP筋增強預應力混凝土結(jié)構指南》，目前仍在不斷地更新修訂，出版更新的版本。我國的GB50608—2010《纖維增強復合材料建設工程應用技術規(guī)范》也涵蓋了FRP加固、FRP筋-混凝土、FRP管組合構件等內(nèi)容，是國內(nèi)目前最主要的FRP材料在土木工程領域的設計標準。

2.1.2FRP網(wǎng)格-混凝土組合結(jié)構

FRP網(wǎng)格是將碳纖維、玻璃纖維等高性能連續(xù)纖維浸漬于耐腐蝕性能良好的樹脂中形成的整體網(wǎng)格，纖維經(jīng)樹脂浸潤并固化后具有較高的強度和剛度，不同于編制成型的柔性格柵(圖3)。

FRP網(wǎng)格使用方便，施工簡單迅捷，可替代鋼筋用于新建混凝土結(jié)構中，特別適用于墻、板等，成為在特殊條件下應用時的一種基本材料，可形成一種新的體系，而不僅僅是對傳統(tǒng)FRP材料的補充。

圖3 CFRP網(wǎng)格

FRP網(wǎng)格材料的工程應用始于20世紀80年代，日本最初將玻璃纖維網(wǎng)格用于結(jié)構加固，而后碳纖維網(wǎng)格得到了迅速發(fā)展，工程應用量迅速增加，現(xiàn)已被廣泛使用在隧道、飛機跑道、停機坪、橋梁、高速公路、建筑物、溝渠等諸多新建工程和加固改造工程中。

例如在地下結(jié)構、隧道盾構等工程的施工中，可使用FRP網(wǎng)格作為受力筋材與混凝土形成地下連續(xù)墻體，當盾構機施工運行遇到連續(xù)墻體時，可直接進行切割，而不必像遇上鋼筋混凝土墻體時需要進行人工切割，節(jié)省了大量的人力和時間，又降低了施工風險(圖4)。

圖4CFRP網(wǎng)格用于隧道工程

此外，F(xiàn)RP網(wǎng)格質(zhì)量輕，且基本呈薄片狀，易于加工成各種形狀，可作為預制構件的主要受力材料，特別適合生產(chǎn)板、管、圍護結(jié)構等預制構件。目前國外已有相關的FRP預制產(chǎn)品得到推廣應用，如美國的C-GRID網(wǎng)格被用于預制隔熱墻板、預制建筑面板、雙T梁等預制產(chǎn)品(圖5)。

圖5CFRP網(wǎng)格預制產(chǎn)品(美國C-GRID)

2.1.3FRP管-混凝土組合結(jié)構

FRP管為多向纖維鋪設的層合殼體，由纏繞法、離心澆鑄法和擠拉成形法等方法制作，可采用環(huán)向或與環(huán)向成±α°的方向鋪設纖維(圖6)。

在FRP管內(nèi)澆灌混凝土可形成FRP管-混凝土組合構件，類似于鋼管混凝土，F(xiàn)RP管-混凝土構件一般有FRP圓管混凝土構件和FRP方管混凝土構件兩種形式。

圖6FRP管

FRP管-混凝土抗震性能好，在設計時可不配筋或減少配筋，而且施工時不需模板，管材質(zhì)量輕，施工簡便快速，可減小施工工作量，降低造價。FRP管-混凝土耐腐蝕，可在水下長期使用，尤其適合在水工結(jié)構和海洋工程中使用，其維護費用低，長期經(jīng)濟效益具有較明顯的優(yōu)勢(圖7)。

圖7FRP管樁施工

2.2FRP構件及結(jié)構

除了與混凝土組合使用，F(xiàn)RP材料也可獨立使用作為結(jié)構構件，甚至組成全FRP結(jié)構(圖8、圖9)。

圖8FRP網(wǎng)架

Fig.8FRPgrids

圖9FRP屋蓋

Fig.9FRProof

20世紀60年代，英國已開始生產(chǎn)GFRP復合材料的屋蓋結(jié)構，運往中東和北非建造使用，1968年一個采用GFRP夾芯板與鋁質(zhì)骨架的圓頂結(jié)構建于利比亞Bengazhi；1972年阿連酋的Dubai國際機場采用GFRP傘狀屋頂。20世紀70—80年代，英國的一些建筑采用了GFRP作為除梁柱以外的承重或半承重構件。1974年，全復合材料建筑在英國Lancashire落成，外形為三棱錐體組成的空間結(jié)構。

早期的FRP結(jié)構，大都帶有一定的試驗性質(zhì)，尚未在土木工程中形成規(guī)模。隨著FRP生產(chǎn)技術和產(chǎn)品形式的迅速發(fā)展，F(xiàn)RP結(jié)構在橋梁工程中得到迅速發(fā)展。

CFRP制成的平行絲束，具有耐腐蝕、高強、彈性模量與鋼相近和抗疲勞性能好等優(yōu)點，是制作斜拉索和吊索的理想材料。瑞士于1996年建成的WinterthernStorchenbrucke橋是一座(63+61)m的單塔斜拉組合加勁梁橋，橋塔為A型，高38m。該橋的24根拉索中有2根是碳纖維復合材料拉索，每根拉索由241根5mm的CFRP筋束組成。用CFRP束制成的拉索，曾用3倍設計荷載進行1000萬次反復荷載試驗。在橋上的CFRP拉索和鋼拉索，均設有普通傳感器和光纖傳感器進行應力和變形監(jiān)測。日本在Kurushima懸索橋(跨徑1030m)中，采用碳纖維束作為貓道的主要纜索，碳纖維索的自重只有鋼纜索的1/5，可以減小索的初始應力。

1994年，英國建造的BondMill橋采用GFRP拉擠型材組合而成，是一座可通過40t卡車的活動橋。1996年，美國Kansas州Russell架起了采用FRP橋面板的公路橋。此后不到十年的時間里，采用FRP橋面板的中小型橋梁在美國已有數(shù)十座(圖10)。

圖10FRP橋面板施工

Fig.10FRPbridgedeckunderconstruction

全FRP結(jié)構在橋梁工程中也得到了一定的應用，該結(jié)構的理論壽命可達上百年，而且服役期間可實現(xiàn)免維護，近年來在歐洲備受推崇，目前已建成幾百座FRP結(jié)構的小型人行橋和景觀橋。例如，世界全FRP結(jié)構橋——蘇格蘭Aberfeldy人行橋(圖11)，全長113m，主跨為63m，雙塔雙索面斜拉體系，其橋塔、梁、橋面板和欄桿等都是用在工廠預先制造的擠拉成型的GFRP型材，橋索選用Kevlar芳綸纖維制造的纜繩，全橋現(xiàn)場安裝僅用6周時間。美國、日本及中國等國家，目前也均成功建造了一系列全FRP結(jié)構的人行天橋。

圖11Aberfeldy人行橋

3FRP在海洋工程中應用

在推進海洋資源開發(fā)的戰(zhàn)略中，海上交通運輸基礎設施建設涉及到港口碼頭、海洋平臺、島礁工程建設、跨海大橋等諸多領域，目前此類設施多為鋼筋混凝土結(jié)構和鋼結(jié)構，而海洋環(huán)境是非?？量痰母g環(huán)境，傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構和鋼結(jié)構的耐久性在該環(huán)境下面臨嚴峻的考驗。據(jù)測算，2009年我國因腐蝕造成的經(jīng)濟損失超過1萬億元，每秒鐘就有1.5t鋼鐵被腐蝕。海洋產(chǎn)業(yè)腐蝕損失約占全國全部腐蝕損失1/3，達到6000多億元。

海洋工程，尤其是遠離陸地的南海島礁建設工程，還面臨建筑原材料匱乏、海上運輸困難、服役環(huán)境惡劣、自然災害頻發(fā)、地質(zhì)條件復雜、施工條件有限等諸多難題，為國家開展大規(guī)模海洋基礎設施建設、戰(zhàn)略物資儲備和海上資源開發(fā)等帶來諸多困難。

綜合考慮海洋工程建設的各項技術要求，結(jié)構材料應具有高強度、低密度、高耐久性、易成型、施工便捷等綜合性能，而FRP材料已經(jīng)通過大量的研究和工程應用證明具備了以上這些性能要求，是解決海洋工程建設在材料耐久性、施工技術等方面諸多難點的很好的選擇。此外，對于遠海島礁建設，F(xiàn)RP材料還可與海水海砂(珊瑚砂)混凝土組合使用，形成FRP-海水海砂混凝土組合結(jié)構，從根本上解決就地取材的問題，極大地降低工程的運輸成本和建設成本。

對于海洋工程，尤其是具有代表性的南海島礁建設，以“運輸原料少量化、預制構件輕量化、工程構筑快速化、建筑結(jié)構長壽命化”為宗旨，可以通過FRP-混凝土組合結(jié)構形成樁基、平臺梁、平臺板等構件，快速構筑成海上平臺結(jié)構(圖12)。

a—預制樁布置(FRP管-混凝土)；b—預制平臺梁連接

(FRP筋-混凝土)；c—預制平臺板鋪設(FRP網(wǎng)格-混凝土)；

d—上部建筑及設施組裝。

圖12基于FRP-混凝土組合結(jié)構的島礁基地快速建造方案

Fig.12Theconstructionschemeofreefbaseexpressbasedon

compositestructureofFRPandconcrete

美國加州Hueneme港的海軍設施工程服務中心于20世紀90年代設計建造了由FRP預應力樁和上承平板構成的碼頭，該碼頭在樁和墩的設計中都使用了預應力FRP筋。該結(jié)構使用至今仍能按照當初的設計要求正常工作，表明經(jīng)過恰當?shù)脑O計和嚴格的施工，F(xiàn)RP筋能夠滿足在海洋工程中應用的嚴苛要求。

美國的OregonInletBridge是一座位于入海口的港灣大橋，建成于1963年。在海洋氣候下歷經(jīng)幾十年的使用，橋面板等混凝土構件已遭受了嚴重腐蝕。使用碳纖維網(wǎng)格對其進行了加固修復，工程竣工后經(jīng)長期監(jiān)測，加固修復層未出現(xiàn)劣化現(xiàn)象，整體修復效果良好，能滿足海洋氣候下的長期使用要求(圖13)。

圖13美國OregonInletBridge

Fig.13AmericanOregonInletBridge

美國新奧爾良市的一座新建碼頭棧橋，使用了CFRP網(wǎng)格作為面板的受力筋，CFRP網(wǎng)格均預制成設計要求規(guī)格，運至現(xiàn)場后可在短時間內(nèi)鋪設完畢。經(jīng)監(jiān)測調(diào)查，該棧橋在碼頭潮濕及冬季凍融環(huán)境中使用三年后，未出現(xiàn)劣化跡象，長期經(jīng)濟壽命遠高于同類型的鋼筋混凝土結(jié)構(圖14)。

圖14CFRP網(wǎng)格用于碼頭棧橋

Fig.14CFRPgridusedinwharftrestle

4FRP在節(jié)能結(jié)構中的應用

建筑節(jié)能與結(jié)構一體化技術是綠色節(jié)能建筑領域比較流行的概念，即保溫材料與主體圍護結(jié)構墻體融為一體，墻體結(jié)構依靠保溫材料形成A級保溫材料，從而實現(xiàn)建筑圍護結(jié)構節(jié)能的工作目標。

關于圍護結(jié)構，一類是由復合墻體材料組成，另一類是由傳統(tǒng)的單一墻體材料組成。由于社會的發(fā)展和進步、土地資源開發(fā)利用的限制，依靠單一的墻體材料實現(xiàn)建筑節(jié)能的既定目標已不現(xiàn)實。所以，發(fā)展以復合墻體材料為代表的節(jié)能結(jié)構已是必然的趨勢。

“三明治”式的夾芯墻板是目前較為主流的節(jié)能保溫墻板，CFRP在其中可作為剪力連接件，其形式有網(wǎng)格、板材等多種類型。美國已使用CFRP網(wǎng)格開發(fā)了多種類型的節(jié)能保溫墻板(圖15)。

圖15節(jié)能保溫面板

碳纖維剪力連接件與內(nèi)外兩側(cè)混凝土墻板具有良好的連接效果，使內(nèi)外墻板協(xié)同工作，同時碳纖維復合材料作為非金屬，可以避免產(chǎn)生冷橋(圖16)。

圖16碳纖維剪力連接件

該類型的節(jié)能保溫墻板可減小墻體厚度，減輕結(jié)構自重，而且具有良好的耐久性，顯著降低全壽命周期的綜合成本。墻板由工廠預制后，可在現(xiàn)場迅速拼裝，縮短工期(圖17)。

1—墻體受力筋；2—壁柱；3—碳纖維剪力連接件。

圖17夾芯保溫墻板剖面

FRP在節(jié)能結(jié)構中的另一種應用形式是預制建筑面板，碳纖維在其中可作為剪力連接件和受力增強材料。該類型的建筑面板在減輕結(jié)構自重的同時，具有良好的整體隔熱效果，而且混凝土面層作為一種可設計材料，擁有廣泛的美學方案選擇(圖18—圖21)。

圖18預制建筑面板

1—泡沫隔熱；2—碳纖維剪力連接件；3—主受力筋；

4—混凝土；5—碳纖維網(wǎng)格。

圖19預制建筑面板剖面

圖20布置碳纖維網(wǎng)格

Fig.20Arrangementofcarbonfibergrid

圖21預制構件現(xiàn)場吊裝

Fig.21Theliftofprefabricatedmembersonsite

5結(jié)束語

FRP在土木工程中的應用研究是目前土木工程領域的熱門學科，而我國目前也已成為國際上土木工程行業(yè)FRP使用國家之一。

但是，目前國內(nèi)的建設行業(yè)對FRP材料的理解仍主要集中在既有結(jié)構的加固和一些簡單的應用上，由于FRP土木工程應用研究的技術投資門檻較高，而且對結(jié)構全壽命周期的經(jīng)濟性的認識也不夠深入，目前的相關工程應用也較少。

隨著國家重大基礎設施建設和各行業(yè)的建構筑物建設對結(jié)構的安全性和使用壽命的要求越來越高，對以FRP為代表的新型高性能建筑材料的需求也愈發(fā)迫切，相信在不久的將來，F(xiàn)RP在新建結(jié)構中的應用將成為一個發(fā)展勢頭強勁、市場容量巨大的新興產(chǎn)業(yè)。