FRP纖維增強復(fù)合材料在新建結(jié)構(gòu)中的發(fā)展及應(yīng)用

FRP概述

纖維增強復(fù)合材料(以下簡稱“FRP”)是由連續(xù)纖維和基體樹脂復(fù)合而成。目前在土木工程中應(yīng)用的FRP材料主要有碳纖維增強復(fù)合材料(CFRP)、玻璃纖維增強復(fù)合材料(GFRP)、芳綸纖維增強復(fù)合材料(AFRP)以及玄武巖纖維增強復(fù)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(gòu)加固材料，在各類民用及工業(yè)建構(gòu)筑物的改造加固工程中得到了廣泛的應(yīng)用。

近年來，F(xiàn)RP材料在新建結(jié)構(gòu)中的研究和應(yīng)用也已成為土木建筑領(lǐng)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(xué)特性，其用于新建結(jié)構(gòu)具有很大的技術(shù)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(gòu)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(gòu)筑物。

3)成型方便，可設(shè)計性強，可以較方便地設(shè)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(fù)原狀，對于承受較大動載和沖擊荷載的結(jié)構(gòu)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(gòu)中能夠發(fā)揮其他建材難以取代的作用。

2FRP在新建結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用形式

2.1FRP-混凝土組合結(jié)構(gòu)

FRP-混凝土組合結(jié)構(gòu)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(gòu)、FRP網(wǎng)格-混凝土結(jié)構(gòu)、FRP-混凝土組合梁(FRP梁式構(gòu)件與混凝土翼板組合)、FRP管-混凝土組合構(gòu)件等。

FRP-混凝土組合結(jié)構(gòu)充分利用了FRP與混凝土兩種材料的特性，具有很好的力學(xué)性能和很好的環(huán)境適應(yīng)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(fù)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(gòu)的技術(shù)優(yōu)勢。

2.1.1FRP筋-混凝土組合結(jié)構(gòu)

在處于惡劣環(huán)境條件時，如干濕交替、化學(xué)介質(zhì)等作用下，普通鋼筋極易發(fā)生腐蝕，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的耐久性和適用性，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)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(xué)性能指標(biāo)

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(fù)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(jì)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(gòu)遭受鹽蝕危害問題。20世紀(jì)80年代開始，F(xiàn)RP筋逐漸大量應(yīng)用于有特殊性能要求的結(jié)構(gòu)物中代替鋼筋，如有磁共振設(shè)備的建筑及海堤、工業(yè)廠房屋面板等受嚴(yán)重化學(xué)侵蝕的結(jié)構(gòu)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(gòu)。

巖土工程也是FRP筋的重要應(yīng)用領(lǐng)域，目前已用于因潮汐變化導(dǎo)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(gòu)中代替鋼筋

FRP筋、絞線的另一種使用形式是預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，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(yù)應(yīng)力混凝土公路橋——UlenbergStrass橋。該橋在上部結(jié)構(gòu)板中使用了59根復(fù)合材料預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力的全長80m的預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁。

日本于1988年在石川縣的先張預(yù)應(yīng)力混凝土板式公路橋Shinmiya上將CFRP絞線作預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力筋，全橋為全CFRP材料替代鋼筋的非金屬結(jié)構(gòu)。1989年建成的日本九州縣石智川橋則是CFRP筋作為預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)用于兩跨簡支預(yù)應(yīng)力混凝土公路橋。

在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(gòu)設(shè)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(fù)合材料在橋梁和結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用”技術(shù)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(shè)計規(guī)范》中包含了FRP筋的相關(guān)設(shè)計條款。2002年公布了CAN/CSA-S806-02《FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)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(gòu)的設(shè)計和施工指南》，2003年又出版了《FRP筋增強預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)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(fù)合材料建設(shè)工程應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》也涵蓋了FRP加固、FRP筋-混凝土、FRP管組合構(gòu)件等內(nèi)容，是國內(nèi)目前最主要的FRP材料在土木工程領(lǐng)域的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

2.1.2FRP網(wǎng)格-混凝土組合結(jié)構(gòu)

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(gòu)中，特別適用于墻、板等，成為在特殊條件下應(yīng)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(yīng)用始于20世紀(jì)80年代，日本最初將玻璃纖維網(wǎng)格用于結(jié)構(gòu)加固，而后碳纖維網(wǎng)格得到了迅速發(fā)展，工程應(yīng)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(gòu)、隧道盾構(gòu)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(dāng)盾構(gòu)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(fēng)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(yù)制構(gòu)件的主要受力材料，特別適合生產(chǎn)板、管、圍護結(jié)構(gòu)等預(yù)制構(gòu)件。目前國外已有相關(guān)的FRP預(yù)制產(chǎn)品得到推廣應(yīng)用，如美國的C-GRID網(wǎng)格被用于預(yù)制隔熱墻板、預(yù)制建筑面板、雙T梁等預(yù)制產(chǎn)品(圖5)。

圖5CFRP網(wǎng)格預(yù)制產(chǎn)品(美國C-GRID)

2.1.3FRP管-混凝土組合結(jié)構(gòu)

FRP管為多向纖維鋪設(shè)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(shè)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(gòu)件，類似于鋼管混凝土，F(xiàn)RP管-混凝土構(gòu)件一般有FRP圓管混凝土構(gòu)件和FRP方管混凝土構(gòu)件兩種形式。

圖6FRP管

FRP管-混凝土抗震性能好，在設(shè)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(gòu)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(gòu)件及結(jié)構(gòu)

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(gòu)構(gòu)件，甚至組成全FRP結(jié)構(gòu)(圖8、圖9)。

圖8FRP網(wǎng)架

Fig.8FRPgrids

圖9FRP屋蓋

Fig.9FRProof

20世紀(jì)60年代，英國已開始生產(chǎn)GFRP復(fù)合材料的屋蓋結(jié)構(gòu)，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(gòu)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(jì)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(gòu)件。1974年，全復(fù)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(gòu)。

早期的FRP結(jié)構(gòu)，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(shù)和產(chǎn)品形式的迅速發(fā)展，F(xiàn)RP結(jié)構(gòu)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(fù)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(shè)計荷載進行1000萬次反復(fù)荷載試驗。在橋上的CFRP拉索和鋼拉索，均設(shè)有普通傳感器和光纖傳感器進行應(yīng)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(yīng)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(gòu)在橋梁工程中也得到了一定的應(yīng)用，該結(jié)構(gòu)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(gòu)的小型人行橋和景觀橋。例如，世界全FRP結(jié)構(gòu)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(yù)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(gòu)的人行天橋。

圖11Aberfeldy人行橋

3FRP在海洋工程中應(yīng)用

在推進海洋資源開發(fā)的戰(zhàn)略中，海上交通運輸基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)涉及到港口碼頭、海洋平臺、島礁工程建設(shè)、跨海大橋等諸多領(lǐng)域，目前此類設(shè)施多為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)，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(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)的耐久性在該環(huán)境下面臨嚴(yán)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(shè)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(zāi)害頻發(fā)、地質(zhì)條件復(fù)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(chǔ)設(shè)施建設(shè)、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(shè)的各項技術(shù)要求，結(jié)構(gòu)材料應(yīng)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(yīng)用證明具備了以上這些性能要求，是解決海洋工程建設(shè)在材料耐久性、施工技術(shù)等方面諸多難點的很好的選擇。此外，對于遠海島礁建設(shè)，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(gòu)，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(shè)成本。

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

a—預(yù)制樁布置(FRP管-混凝土)；b—預(yù)制平臺梁連接

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

d—上部建筑及設(shè)施組裝。

圖12基于FRP-混凝土組合結(jié)構(gòu)的島礁基地快速建造方案

Fig.12Theconstructionschemeofreefbaseexpressbasedon

compositestructureofFRPandconcrete

美國加州Hueneme港的海軍設(shè)施工程服務(wù)中心于20世紀(jì)90年代設(shè)計建造了由FRP預(yù)應(yīng)力樁和上承平板構(gòu)成的碼頭，該碼頭在樁和墩的設(shè)計中都使用了預(yù)應(yīng)力FRP筋。該結(jié)構(gòu)使用至今仍能按照當(dāng)初的設(shè)計要求正常工作，表明經(jīng)過恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計和嚴(yán)格的施工，F(xiàn)RP筋能夠滿足在海洋工程中應(yīng)用的嚴(yán)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(gòu)件已遭受了嚴(yán)重腐蝕。使用碳纖維網(wǎng)格對其進行了加固修復(fù)，工程竣工后經(jīng)長期監(jiān)測，加固修復(fù)層未出現(xiàn)劣化現(xiàn)象，整體修復(fù)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(yù)制成設(shè)計要求規(guī)格，運至現(xiàn)場后可在短時間內(nèi)鋪設(shè)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(gòu)(圖14)。

圖14CFRP網(wǎng)格用于碼頭棧橋

Fig.14CFRPgridusedinwharftrestle

4FRP在節(jié)能結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

建筑節(jié)能與結(jié)構(gòu)一體化技術(shù)是綠色節(jié)能建筑領(lǐng)域比較流行的概念，即保溫材料與主體圍護結(jié)構(gòu)墻體融為一體，墻體結(jié)構(gòu)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(gòu)節(jié)能的工作目標(biāo)。

關(guān)于圍護結(jié)構(gòu)，一類是由復(fù)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(biāo)已不現(xiàn)實。所以，發(fā)展以復(fù)合墻體材料為代表的節(jié)能結(jié)構(gòu)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(fù)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(gòu)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(yù)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(gòu)中的另一種應(yīng)用形式是預(yù)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(gòu)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(shè)計材料，擁有廣泛的美學(xué)方案選擇(圖18—圖21)。

圖18預(yù)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(yù)制建筑面板剖面

圖20布置碳纖維網(wǎng)格

Fig.20Arrangementofcarbonfibergrid

圖21預(yù)制構(gòu)件現(xiàn)場吊裝

Fig.21Theliftofprefabricatedmembersonsite

5結(jié)束語

FRP在土木工程中的應(yīng)用研究是目前土木工程領(lǐng)域的熱門學(xué)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(shè)行業(yè)對FRP材料的理解仍主要集中在既有結(jié)構(gòu)的加固和一些簡單的應(yīng)用上，由于FRP土木工程應(yīng)用研究的技術(shù)投資門檻較高，而且對結(jié)構(gòu)全壽命周期的經(jīng)濟性的認(rèn)識也不夠深入，目前的相關(guān)工程應(yīng)用也較少。

隨著國家重大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和各行業(yè)的建構(gòu)筑物建設(shè)對結(jié)構(gòu)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(gòu)中的應(yīng)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)。