土木工程领域中FRP的应用
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【摘要】纤维增强复合材料在我国建筑工程的加固方面得到广泛应用，本文结合工程实际对FRP在土木工程领域中的应用现状作简要分析。
【关键词】纤维增强复合材料；建筑工程；应用
纤维增强复合材料即ERP，英文全称为fibereinforced polumer/plastic ，是由纤维增强材料和基体材料按一定比例混合并经过一系列工艺流程复合形成的高性能新型材料。这种材料近年来在建筑工程结构中得到越来越广泛的应用，目前是建筑工程业界关注的焦点。建筑结构最常见的FR主要为碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维增强的树脂基体。纤维增强复合材料以其高强度、质量、耐腐蚀等特点受到建筑工程行业人士的亲睐，但是其最为突出的应用体现在加固补强建筑结构技术中。
1 frp材料优点
FRP在建筑工程结构的主要应用形式为纤维布，而纤维布主要用于结构工程加固。FRP材料与传统结构材料相比，具有极其大的优势：
第一，轻质高强。这种特性大大降低了结构自重，在建筑工程中，若采用FRP材料的大跨空间结构体系，其理论极限跨度是传统材料结构大2~3倍。在桥梁工程中相同条件下采用传统结构材料，理论上的极限跨度在5000m以内；如果换作使用FRP，极限跨度可达8000m以上。此外，在抗震结构中，FRP材料因为轻质高强,结构自重大大减轻，能有效减小地震作用，且可显著改善结构的耐疲劳性能。
第二，耐腐蚀。纤维增强复合材料适用于不同的环境，在酸性、碱性、氯盐和潮湿环境中均可使用。这也是纤维增强复合材料被广泛用于化工建筑、海洋工程、盐渍地区的地下工程和水下工程的原因之所在。据统计，我国每年有相当数量的桥梁因钢材锈蚀而造成的损坏修复费用极高，而且这个维护费用正逐年攀升。，因此，从可持续发展战略考虑出发，强烈建议在寒冷地区和沿海地区桥梁、建筑结构尽量采用FRP结构或FRP配筋混凝土结构，这样可以延长结构使用年限，降低维护费用，节约社会资本。
第三，可设计性强。纤维增强复合材料不同于传统的结构材料，FRP的强度指标、弹性模量是可以根据工程需要而变化的，通过采用不同纤维材料、纤维含量以及铺陈方式的改变等不同的设计工艺，生产出不同的FRP产品，以满足特定工程的特殊性能要求。
第四，其他性能。FRP材料具有良好的弹性性能，FRP材料的应力应变曲线接近线弹性，塑性变形小，有利于偶然超载后的变形恢复；FRP材料可实现工厂化生产，现场安装，有利于保证工程质量、提高劳动效率和建筑工业化；除此之外，FRP材料还具有良好的绝缘、隔热、热膨胀系数小及透电磁波等，因此可用于一些特殊场合如雷达站、地磁观测站、医疗核磁共振设备结构等。
2 FRP材料的广泛应用
第一， FRP片材加固混凝土结构。第一种常见情况是缠绕加固混凝土柱。这种加固方式经实践证明是最有效的混凝土加固方式。其主要原理是以约束混凝土的方式来达到提高混凝土强度和变形能力的目的。因FRP对混凝土柱的约束效应受混凝土柱截面形状影响，加固时可考虑适当处理截面形状，使其形成一定弧度，能够显著提高受压承载力。第二种常见情况是通过在梁、板受拉面粘贴FRP片材能提高梁、板的受拉承载力，并有效控制裂缝。但是，值得注意的是，FRP片材的受拉作用不能及时发挥，往往要待受拉钢筋屈服后方能起作用，而此时梁、板的挠度变形已很大，FRP片材并不能作为应急措施。同时，如果把FRP片材用于受弯加固，则易发生剥离破坏。FRP片材在这个方面的应用上存在很多缺憾，对于其对梁板承载能力的改善有待进一步研究。
第二，FRP加固修复钢结构。其一，用于受弯构件的加固。如果钢梁没有初始损伤，此时用FRP修复加固会一定程度的提高其承载能力，但是不对其刚度造成影响。如果受弯构件本身已经损伤，再用FRP加固修复，其刚度是能够很大程度恢复的，最好的情况下可恢复未损伤状况下钢梁刚度的90%以上，钢结构极限承载力同时受到加固量和损伤程度影响。对损伤钢梁采用FRP加固后，FRP材料在损伤部位与钢梁将发生剥离破坏，从而从分发挥出FRP材料的高强作用。但是也有可能过早发生剥离破坏，在实际施工中，重点是把握好剥离破坏发生的时间，并采取措施延缓或避免剥离破坏的发生。其二，FRP布加固受拉构件。这种方式可有效提高钢构件的屈服荷载和极限荷载，且破坏大多发生在断面附近或FRP布端部的脱胶破坏，破坏极限是FRP不被拉断。钢构件的极限承载能力随脱胶的位置和程度的改变而改变。因此，胶粘剂在FRP用于受拉构件的加固中起着十分重要的作用。FRP对于受压构件的加固中，一般情况下采用沿柱子环向粘贴FRP布，这样粘贴效果好于纵向粘贴的加固，极限承载力可提高15%~18%。同时，采用环向FRP布加固，不会出现FRP布断裂和钢构件与FRP布之间的剥离现象，最后破坏仅出现在钢柱局部屈曲破坏；如果采用纵向加固，则会出现FRP布与钢构件之间的剥离破坏。
第三，FRP用于钢结构的加固应用还有好些方面。如采用FRP加固后，钢结构会存在疲劳损伤，那么它的剩余疲劳寿命均成倍增长，加固效果良好。但应注意到，对FRP加固钢结构采用FRP加固后，会改变钢结构原有受力状态，原来全部荷载由钢结构承受，在加固后通过胶粘剂的传递，由钢结减应力或正应力存在应力集中，容易引起胶层的破坏。为了避免胶层的剥离破坏，常采用把FRP板两端做成45。角的方式以有效减小胶层的应力；也可把FRP布两端固定，用以抵抗端部较大的正应力和减应力，同时，应着眼于开发性能高成本低、适用于钢结构加固的胶粘剂材料。
3 结论
FRP材料在我国的应用的领域主要为结构的加固修补方面，在其它方面的应用相对滞后，技术也不是很成熟。而FRP材料作为一种新型的建筑材料，虽然目前其市场价仍然处于较高水平，对它的广泛投入使用有一定程度的制约，但其综合效益不可忽视，必将给建筑工程结构带来新的发展契机。因此我们仍然要研究FRP在建筑工程结构中的应用，使得这种新型材料能广泛的应用到各个领域。
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