FRP材料在土木工程中的运用分析

李伟

新的发展环境下，以多样化的技术和材料为支撑，土木工程建设的水平得到了显著提升，FRP材料属于新材料中的典型代表，极大地推动了土木工程建设效率和质量水平的提高，也因此有着很好地应用价值及发展前景。FRP材料具有高强度、高刚性、低密度、抗腐蚀等特性，被广泛应用在建筑、海运、航空航天等领域。

FRP材料（Fiber Reinforced Polymer/Plastics）指纤维增强复合材料（见图1），其主要构成部分为纤维材料和基体材料，建筑行业中常见的纤维材料包括玻璃纤维和碳纤维，基体材料的类型较多，如乙烯基酯树脂、环氧树脂、不饱和聚酯树脂等。FRP材料中，纤维材料的作用是补强，可以实现受力分担，树脂材料的作用是传力，能够对纤维材料进行保护，确保其不会出现机械损伤和化学侵蚀。可以通过在树脂中加入添加剂的方式来对材料的性能进行改善，提升材料的整体性能。

图1 FRP材料

在土木工程中，FRP材料的特点体现在几个方面：

一是自重轻。FRP材料的密度仅为钢材的1/6到1/4，将其应用到大跨度结构体系中，能够极大地减轻结构自重。以著名的乔布斯剧院为例，屋盖整体采用了碳纤维结构，自重仅为80t，可以直接进行吊装施工。

二是强度高。通常来讲，所有的天然物质在晶体结构上都存在缺陷，材料细度越大，缺陷越小，强度自然也就越高。一般来讲，玻璃纤维和碳纤维的强度能够达到同体积钢材的10～20倍，即便将限位与基体材料在强度上的差异考虑在内，FRP材料也可以达到至少4倍钢材的强度等级，这也使得利用FRP材料构建大跨度结构时，结构的极限跨度要超过传统结构2～3倍。

三是成型方便。FRP材料生产加工中，存在多种不同的成型方式，如缠绕、喷射、拉挤等，可以在确定好产品规格后，直接实现规模化生产，也可以在面对特殊结构造型时，实现对材料形状的任意调整。

四是抗疲劳。土木工程建设中，常规金属材料的疲劳强度一般为其拉伸强度的45%，FRP材料的疲劳强度能够达到自身拉伸强度的75%以上。

五是抗腐蚀。土木工程施工中，很多传统材料本身对于腐蚀问题的抵抗性较差，尤其是在一些临海城市，土木工程中的钢筋等材料在与空气、海水等接触的过程中，很容易出现腐蚀问题，影响工程的质量和安全。与之相比，多数FRP材料都具备良好的耐腐蚀性，可以抵抗酸、碱、盐等化学介质的腐蚀。

六是抗震性。对比传统建筑材料，FRP材料有着较高的自振频率，在使用过程中基本不会出现共振问题，而在加载速度和频率相同的情况下，也不会因为共振引发材料断裂的情况。另外，FRP材料中存在有大量界面，具备较强的震动阻尼性，在产生震动的情况下，可以通过较快的速度完成震动的衰减。

七是安全性。FRP材料由纤维和基体材料构成，在出现过载问题时，内部纤维即便发生了少量断裂，载荷也会被重新分配到其他纤维中，能够有效规避工程构建因为承载力瞬间丢失出现断裂的情况。

八是智能性。将FRP材料应用到土木工程中，具备一定的智能性。例如，美国有设计人员利用FRP材料打造出了建筑梁体，配合热电控制技术，可以实现梁体的形状变化，使得其能够结合建筑主体承受的振动情况，改变自身的固有频率和刚性，从而减小振幅，延长框架结构的使用寿命，也可以对结构振动和噪声进行控制。

1. 材料类别

（1）FRP片材的应用

FRP片材一般表现为复合布或者复合板的形式，通常被应用在土木工程混凝土结构的加固中，对比常规加固方法，FRP片材加固的施工简单，加固效果十分显著，能够显著提升构件的承载能力，而且不会在结构上增加额外的重量。FRP片材在土木工程中的应用体现在几个方面：

首先是抗震加固。FRP片材可以通过对柱体进行环向加固的方式，实现受损位置承载能力的恢复，促进其抗震强度的提升。这种加固方式属于被动加固，当混凝土遭遇较大的轴向压力时，外部包裹的FRP片材会发生延伸，产生径向收缩力，保障结构稳定。在利用FRP片材对柱构件进行约束时，初始阶段混凝土会发生一定的线弹性变形，外包复合布的变形相对较少，应力约束低，当受力增大，柱体变形变得显著时，外包复合布环向变形会变大，提升柱体的结构强度，增加延性变形。

其次是补强加固。体现在混凝土板加固方面，在施工中需要将FRP片材贴在受拉部位，提供相应的保护作用，以避免混凝土板的破裂和损毁。

然后是受弯加固。结构处于受弯工况下时，可以使用FRP片材进行加，提升结构的承载能力，要求片材与结构构件的轴向保持一致。在使用FRP片材进行加固作业时，采用的依然是极限法，在极限工况下，依照线弹性关系确定应力情况。从充分发挥FRP片材优势的角度，可以采用预应力施工的方法，这样能够更好地降低构件的变形挠度，延缓裂缝的发生。

（2）FRP棒材的应用

首先是结构增强筋。FRP棒材有着良好的抗腐蚀性，在一些相对恶劣的环境下，可以使用FRP棒材代替传统钢筋，提升结构的稳定性和耐久性。不过，FRP筋的弹性模量相对较小，与混凝土间的粘结性不同于普通结构，需要施工人员和技术人员的重视。FRP筋混凝土在使用中可能出现受压破坏和拉断破坏两种破坏形式，前者发生在混凝土结构中，后者发生在FRP筋上，前者的的延性优于后者。

其次是结构预应力筋。FRP筋本身的性能优越，在配合预应力施工技术的情况下，能够将其力学性能充分发挥出来，提高结构抗裂性能。FRP筋在抗压与抗剪性能方面略差，在对预应力进行施加时，需要关注其锚固性能，而且在工艺技术方面尚未成熟，并没有被广泛应用到土木工程中。FRP筋有着良好的抗腐蚀性，可以被用于体外预应力筋和无黏结预应力筋，其预应力结构的发展潜力巨大。相关研究实践表明，无黏结FRP预应力筋梁体结构与体外预应力FRP筋梁体结构有着相似的发展特点，可以采用同样的方法对其受力情况进行计算，确定好其在不同工况下的极限应力。

然后是受力结构筋。对于一些桥梁工程尤其是缆索承重桥而言，竖向受力构件通常被设置在结构外部，工作环境恶劣，对缆索的性能要求较高。相比较普通钢索，FRP筋有着更高的强度、耐久性和抗疲劳性，可以替代传统钢索作为斜拉索或者吊杆结构，有助于提高桥体的跨越能力和承载能力。例如，悬索桥中，传统钢主缆的极限跨越距离为5km，如果将其替换为碳纤维复合材料，极限跨越距离可以达到10km；
斜拉桥中，极限跨径在水平方向的投影距离通常在1.2km左右，碳纤维符合材料可以将这个数值增加到3.8km。

（3）FRP型材的应用

首先，对于土建工程中存在的钢筋锈蚀问题，可以使用FRP蜂窝板，其本身能够抵御海洋、盐碱等环境因素的侵蚀，稳定性好，维护成本低廉，而且自重较轻，可以减少结构对于基础的荷载。FRP蜂窝板属于弹性材料，具备较强的抗疲劳能力，即便是出现基础超载的情况，也不容易发生脆性破坏，而且只要变形没有超出材料本身的承受极限，发生变形后材料还可以恢复原本的形态，也依然可以正常使用。

其次，可以在FRP管中灌注混凝土，形成FRP管混凝土组合结构，对比传统的混凝土结构，这样的结构有着更好的耐久性，而且FRP管能够发挥模板的作用，在一些不方便进行模板架设的结构中，有着良好的适用性。FRP管混凝土组合结构还有着良好的隔音以及隔热性能，同时兼具混凝土低成本和FRP的特殊性能，在经过科学的设计后，力学性能优越，在不少发达国家得到了广泛应用。

然后，可以在整体结构构件中，安装相应的空心钢管，利用混凝土对其进行填充，实现对钢筋的有效保护，也可以对混凝土进行约束，提升结构的稳定性和承载力。

最后，FRP木组合构件，将FRP材料和木材结合在一起，转变受力特点的同时，可以提升结构的防火能力。组合构件具备理想的力学性能，可以有效缓解负载压力，降低成本支出。

2. 应用领域

（1）在加固工程中的应用

FRP材料在强度、抗腐蚀能力、耐久性等方面有着非常显著的优势，因此被广泛的应用在了土木工程加固领域，能够实现土木工程质量安全性能的显著提升。通常来讲，FRP材料会被应用在土石结构、钢架结构以及混凝土结构中。以混凝土结构为例，FRP材料一般会被缠绕在结构外层，提升结构整体的稳定性，满足结构在变形、承压、抗震等方面的需求，强化结构的承载能力。

FRP材料在加固工程中的应用主要体现在几个方面：

一是梁体加固。梁体加固主要是使用环氧树脂材料，在需要加固的梁体外侧，进行钢板结构的粘贴，通过这样的方式来强化梁体的弯曲强度，提升值一般在15%～20%之间，施工操作简单，不会对结构本身产生破坏。

二是柱体加固。可以将FRP材料缠绕在主体结构表面，形成封闭式保护层，以此来提升主体的强度和稳定性。在实践环节，若柱体并非圆柱体，需要先做好主体表面处理，为FRP材料的缠绕工作提供便利。

三是混凝土补强加固。其实施策略与梁体加固基本一致，不过需要首先确定好混凝土板结构中的受拉区域，然后在该区域进行FRP材料的粘贴或者嵌入工作，实现对混凝土板的保护。在经过FRP材料的补强加固处理后，混凝土板破损、开裂的问题可以得到有效规避。

四是节点加固。在土木工程建设中，节点能够实现不同构件的有效连接，属于工程体系中的关键点，节点的安全性会对工程整体的性能发挥和使用安全产生直接影响。利用FRP材料对节点进行加固，能够强化节点的承载能力和延伸性，使得其更好地满足土木工程结构的整体需求。

五是边坡加固。边坡加固使用的多是FRP筋，凭借着自身良好的耐久性和耐腐蚀性，FRP筋能够替代常规钢筋来对边坡进行加固。例如，某高速公路段道路两侧的边坡高度达到了25m，坡度比较陡峭，以泥质粉砂岩为主，本身的强度较低，容易受到风化作用的影响，从保障道路行车安全的角度，使用FRP筋作为锚杆进行了加固，在很大程度上提高了边坡的稳定性。

（2）在盾构施工中的应用

FRP材料在地铁项目盾构施工中同样得到了应用，其应用机理与边坡加固类似，都是使用FRP筋来替代普通钢筋，结合混凝土形成相应的围护结构，在满足实际需求的同时，能够确保盾构施工的顺利推进，减少盾构机钻进过程中刀片的损伤。FRP材料在盾构施工中的应用经过了许多实例的检验，有着良好的应用效果。例如，成都地铁1号线、北京地铁15号线等都运用了FRP材料，在盾构机钻进环节，围护结构不会导致刀片的损伤，提高工作效率的同时，实现了成本的有效节约。

总而言之，FRP材料本身有着良好的性能，将其应用到土木工程建设中，能够促进工程建设质量及效率的提高，也能够切实保障工程的施工安全，推动土木工程行业的健康发展。对于FRP材料研究和应用企业而言，需要切实做好对于FRP材料的研究和分析工作，提升材料应用的合理性。