【摘要】本文主要研究對象是的是FRP復(fù)合材料，首先分析了當(dāng)前FRP 在土木工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀，然后介紹了FRP在土木工程應(yīng)用的幾個(gè)特殊領(lǐng)域以及一些關(guān)鍵技術(shù)，詳盡的介紹了FRP復(fù)合材料的一些優(yōu)良特性，從而使得FRP能夠被更廣泛地應(yīng)用，文章發(fā)表在《機(jī)械設(shè)計(jì)》上，是省級土木論文發(fā)表范文，供土木工程師職稱評審參考。

　　【關(guān)鍵詞】FRP復(fù)合材料;土木工程;工程技術(shù)

　　[ Abstract ] this article mainly according to their years of related working experience, discuss the application of composite materials in the civil engineering. This article main research object is the FRP composite material, firstly analyzes the current FRP application in civil engineering condition, and then introduced the FRP in civil engineering application in several special fields and some key technology, introduced in detail the FRP composite material of some excellent characteristics, so that the FRP can be applied more widely.

　　[ Key words ] FRP composite materials; civil engineering; engineering technology

　　1.前言

　　在過去，高級復(fù)合材料具有較好的工程性質(zhì)，比如具有高比強(qiáng)度系數(shù)、高比剛度系數(shù)、高耐疲勞度、高阻尼、低密度、抗腐蝕、沿著纖維方向具有低熱膨脹率等特征。正是由于該材料的這些優(yōu)良特征，使得這種材料在航空、汽車工業(yè)、海洋造船業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。最近，土木工程師和建筑工業(yè)研究者在研究基礎(chǔ)設(shè)施退化問題時(shí)，認(rèn)識到復(fù)合材料在這方面有很大的發(fā)展?jié)摿Α＝鼛资辏現(xiàn)RP符合材料在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，并且，由于它的成本也在不斷地降低，F(xiàn)RP被認(rèn)為是鋼筋混凝土中鋼材料的取代品。

　　2.FRP在土木工程中的應(yīng)用技術(shù)現(xiàn)狀

　　FRP復(fù)合材料在土木工程中的應(yīng)用比其在其他領(lǐng)域中的應(yīng)用晚，造成這種現(xiàn)象的主要原因有兩個(gè)：首先是建筑物造價(jià)方面受到一定的限制，造價(jià)不能夠過高;另一個(gè)就是在這方面缺少經(jīng)驗(yàn)。工程師會經(jīng)常遇到一些實(shí)踐性問題，就是關(guān)于FRP在加強(qiáng)結(jié)構(gòu)方面的預(yù)期效果的設(shè)計(jì)。他們在混凝土結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)方面具有一系列的規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)以及很豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)理論，然而在FRP加固結(jié)構(gòu)方面卻缺乏相關(guān)的規(guī)程和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和理論。不過，自上個(gè)世紀(jì)九十年代起，F(xiàn)RP在土木工程的一些特殊領(lǐng)域得到了十足的發(fā)展。另外，自上世紀(jì)九十年代起，國際上已經(jīng)開始使用FRP，用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料代替鋼材，將其使用于土建結(jié)構(gòu)的修補(bǔ)和加固。碳纖維材料具有優(yōu)越的物理力學(xué)性能，還具有高彈模、重量輕、耐腐蝕、易施工、高強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，整體性能高于鋼筋材料。

　　因此，到1998年為止，在國際上至少已經(jīng)有2000多個(gè)大型土木工程中使用到了FRP材料作為修補(bǔ)加固材料，僅僅是在日本，每年就要生產(chǎn)好幾百萬平方米的CFRP片做結(jié)構(gòu)加固之用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國現(xiàn)有的橋梁和一些大型土木建筑多是在上世紀(jì)80年代以前所建，由于當(dāng)今承載要求的不斷提高，裂縫的不斷產(chǎn)生，因此，加固修補(bǔ)工作顯得越來越重要。

　　3.FRP在土木工程中應(yīng)用的幾個(gè)特殊領(lǐng)域

　　3.1FRP—混凝土組合結(jié)構(gòu)

　　現(xiàn)如今，鋼和混凝土成功組合，形成了一種新型的結(jié)構(gòu)，正是受到它們組合成功的啟發(fā)，在考慮到經(jīng)濟(jì)因素的前提下，一個(gè)混凝土和FRP組合的新概念變成了一個(gè)具有很大潛力的可行性解決方案。當(dāng)前，在這個(gè)領(lǐng)域的研究主要集中在將FRP外包混凝土上，這樣的形式類似于鋼管混凝土。有學(xué)者研究了這個(gè)體系，使用GFRP的外殼填充混凝土替換橋的主梁，支撐由FRP組合而成的橋面板。這種FRP—混凝土組合結(jié)構(gòu)使得FRP和混凝土的性能得到了最佳的發(fā)揮。這種結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)度高、重量輕、剛度高、成本低等優(yōu)良特性。正是它的這些特性將使得這種結(jié)構(gòu)在建筑行業(yè)得到廣泛推廣。

　　3.2純FRP復(fù)合材料的大型結(jié)構(gòu)

　　FRP復(fù)合材料具有多功能和可制造的特點(diǎn)，正是該材料的這些特性，在一些功能要求抗腐蝕或者磁電屏蔽的特殊建筑中給工程師們提供了一個(gè)去開發(fā)使用這種材料的機(jī)會。例如一些電磁試驗(yàn)操作的建筑結(jié)構(gòu)，或者是一些感光電路金屬板房間。現(xiàn)在已完成的純GFRP建筑是美國蘋果計(jì)算機(jī)公司的電磁干涉試驗(yàn)室。

　　3.3FRP在負(fù)載環(huán)境下部結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

　　近些年來，環(huán)境的變化給我們帶來了很多的影響，比如水邊碼頭的地下基礎(chǔ)部分的結(jié)構(gòu)性能開始出現(xiàn)提前劣化及抵抗力下降的現(xiàn)象，這些現(xiàn)象得到了各界人士的廣泛關(guān)注。仔細(xì)的研究這種現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，造成這種情況產(chǎn)生的原因是比較復(fù)雜的，因此，土木工程師們越來越意識到FRP復(fù)合材料作為一種解決復(fù)雜環(huán)境下部結(jié)構(gòu)存在一些問題可行性的優(yōu)勢。比如，增加FRP復(fù)合材料的層數(shù)可以加強(qiáng)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，或者使用GFRP材料代替原有的鋼筋，這些措施都可以大大提高原始結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)性能。

　　3.4FRP橋面板的優(yōu)勢

　　橋梁的結(jié)構(gòu)的性能會劣化，它的抵抗力也會衰減，造成這種現(xiàn)象的一個(gè)重要原因就是侵蝕作用。在原來的設(shè)計(jì)中，冬季使用防凍劑會使結(jié)構(gòu)中的鋼筋劣化。FRP具有良好的抗腐蝕能力，因此它便成為了解決這個(gè)問題的一個(gè)可行的辦法。很多結(jié)構(gòu)性能已經(jīng)劣化，抵抗能力已經(jīng)衰減的橋梁都處在重要的交通路線中，因此，迅速地替換那些橋梁，減少交通中斷的時(shí)間是很重要的。由于FRP橋面板可以在工廠中批量化生產(chǎn)，并且它的現(xiàn)場安裝時(shí)間也很短，所以用它去代替那些結(jié)構(gòu)性能劣化以及抗力衰減的橋面是一個(gè)很適用的辦法。另外，適用FRP橋面板將會大大減少地震的損壞，因?yàn)椋@種橋面板的重量比較輕，在地震過程中會減少慣性力的作用，從而減弱了地震對橋面板的破壞程度。正是由于FRP橋面板相比傳統(tǒng)橋面板有太多的優(yōu)勢，所以近些年，人們都致力于研究和開發(fā)這種有FRP制成的高性能、輕質(zhì)、經(jīng)濟(jì)的橋面板系統(tǒng)。

　　4.FRP在土木工程中關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用

　　4.1高性能FRP復(fù)合材料設(shè)備與關(guān)鍵配套材料的研究開發(fā)

　　在土木工程中使用FRP復(fù)合材料的形式是多種多樣的，所以它的應(yīng)用環(huán)境和應(yīng)用方法也是多種多樣的。所以，我們?nèi)绻麅H僅是解決復(fù)合材料的的改進(jìn)技術(shù)、生產(chǎn)出適用于土木工程特點(diǎn)的材料是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還必須要解決其配套設(shè)備技術(shù)和配套的生產(chǎn)問題。在這方面的開發(fā)研究主要包括兩個(gè)方面的內(nèi)容：第一個(gè)是高性能FRP復(fù)合材料筋/索錨具及預(yù)應(yīng)力張拉設(shè)備研制，第二個(gè)是特種粘貼樹脂基體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料合成技術(shù)。

　　4.2在新結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用

　　高性能FRP復(fù)合材料應(yīng)用于新結(jié)構(gòu)之中是當(dāng)前現(xiàn)代土木工程中應(yīng)用最為廣闊的一個(gè)領(lǐng)域。基于該復(fù)合材料的優(yōu)良特性，它將為現(xiàn)代土木工程的建設(shè)帶來革命性的變化。使用FRP材料代替原先的混凝土鋼材的話，設(shè)計(jì)理論與設(shè)計(jì)方法也要隨之改變。因此，針對FRP復(fù)合材料的混凝土設(shè)計(jì)和理論成為了當(dāng)前該材料得到推廣的技術(shù)關(guān)鍵。在該材料在土木工程的應(yīng)用中，關(guān)鍵點(diǎn)是該材料的連接錨固性能與構(gòu)造要求。

　　4.3結(jié)構(gòu)加固補(bǔ)強(qiáng)的關(guān)鍵技術(shù)

　　FRP復(fù)合材料，尤其是CFRP復(fù)合材料，是當(dāng)前土木工程中應(yīng)用最為廣泛的。它在基礎(chǔ)設(shè)施的結(jié)構(gòu)加固補(bǔ)強(qiáng)方面最為突出。盡管該項(xiàng)工作已經(jīng)取得了不錯(cuò)的進(jìn)展，并且得到了廣泛的應(yīng)用，但是仍然有很多課題有待解決，這些課題也是制約其更為廣泛地發(fā)展的“絆腳石”。具體主要包括兩個(gè)方面：一是在預(yù)應(yīng)力加固補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)研究;另一個(gè)是界面受力性能研究。

　　5.結(jié)語

　　復(fù)合材料在土木工程中的應(yīng)用于材料的研究開發(fā)已經(jīng)成為材料界和土木界一個(gè)研究熱點(diǎn)。該項(xiàng)研究的成果將會極大的推動現(xiàn)代土木工程技術(shù)的發(fā)展，它還會給現(xiàn)代復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造一個(gè)更大的市場。

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　　論文發(fā)表期刊簡介：《機(jī)械設(shè)計(jì)》雜志是中國機(jī)械工程學(xué)會機(jī)械設(shè)計(jì)分會會刊，國內(nèi)外公開發(fā)行，以實(shí)用性、指導(dǎo)性、學(xué)術(shù)性和知識性為特色。主要以機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)和技術(shù)深度研究、報(bào)道為主。