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【摘要】本文主要根据自己多年的相关工作经验，探讨一下土木工程中复合材料的应用。本文主要研究对象是的是FRP复合材料，首先分析了当前FRP 在土木工程中的应用现状，然后介绍了FRP在土木工程应用的几个特殊领域以及一些关键技术，详尽的介绍了FRP复合材料的一些优良特性，从而使得FRP能够被更广泛地应用。
【关键词】FRP复合材料；土木工程；工程技术
[ 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
中图分类号：S969.1文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）
前言
在过去，高级复合材料具有较好的工程性质，比如具有高比强度系数、高比刚度系数、高耐疲劳度、高阻尼、低密度、抗腐蚀、沿着纤维方向具有低热膨胀率等特征。正是由于该材料的这些优良特征，使得这种材料在航空、汽车工业、海洋造船业等领域得到了广泛的应用。最近，土木工程师和建筑工业研究者在研究基础设施退化问题时，认识到复合材料在这方面有很大的发展潜力。近几十年，FRP符合材料在建筑领域的应用越来越广泛，并且，由于它的成本也在不断地降低，FRP被认为是钢筋混凝土中钢材料的取代品。
FRP在土木工程中的应用技术现状
FRP复合材料在土木工程中的应用比其在其他领域中的应用晚，造成这种现象的主要原因有两个：首先是建筑物造价方面受到一定的限制，造价不能够过高；另一个就是在这方面缺少经验。工程师会经常遇到一些实践性问题，就是关于FRP在加强结构方面的预期效果的设计。他们在混凝土结构或钢结构方面具有一系列的规程和标准以及很丰富的设计经理论，然而在FRP加固结构方面却缺乏相关的规程和设计经验和理论。不过，自上个世纪九十年代起，FRP在土木工程的一些特殊领域得到了十足的发展。另外，自上世纪九十年代起，国际上已经开始使用FRP，用纤维增强复合材料代替钢材，将其使用于土建结构的修补和加固。碳纤维材料具有优越的物理力学性能，还具有高弹模、重量轻、耐腐蚀、易施工、高强度等优点，整体性能高于钢筋材料。
因此，到1998年为止，在国际上至少已经有2000多个大型土木工程中使用到了FRP材料作为修补加固材料，仅仅是在日本，每年就要生产好几百万平方米的CFRP片做结构加固之用。据统计，我国现有的桥梁和一些大型土木建筑多是在上世纪80年代以前所建，由于当今承载要求的不断提高，裂缝的不断产生，因此，加固修补工作显得越来越重要。
FRP在土木工程中应用的几个特殊领域
3.1FRP—混凝土组合结构
现如今，钢和混凝土成功组合，形成了一种新型的结构，正是受到它们组合成功的启发，在考虑到经济因素的前提下，一个混凝土和FRP组合的新概念变成了一个具有很大潜力的可行性解决方案。当前，在这个领域的研究主要集中在将FRP外包混凝土上，这样的形式类似于钢管混凝土。有学者研究了这个体系，使用GFRP的外壳填充混凝土替换桥的主梁，支撑由FRP组合而成的桥面板。这种FRP—混凝土组合结构使得FRP和混凝土的性能得到了最佳的发挥。这种结构具有强度高、重量轻、刚度高、成本低等优良特性。正是它的这些特性将使得这种结构在建筑行业得到广泛推广。
3.2纯FRP复合材料的大型结构
FRP复合材料具有多功能和可制造的特点，正是该材料的这些特性，在一些功能要求抗腐蚀或者磁电屏蔽的特殊建筑中给工程师们提供了一个去开发使用这种材料的机会。例如一些电磁试验操作的建筑结构，或者是一些感光电路金属板房间。现在已完成的纯GFRP建筑是美国苹果计算机公司的电磁干涉试验室。
3.3FRP在负载环境下部结构中的应用
近些年来，环境的变化给我们带来了很多的影响，比如水边码头的地下基础部分的结构性能开始出现提前劣化及抵抗力下降的现象，这些现象得到了各界人士的广泛关注。仔细的研究这种现象发现，造成这种情况产生的原因是比较复杂的，因此，土木工程师们越来越意识到FRP复合材料作为一种解决复杂环境下部结构存在一些问题可行性的优势。比如，增加FRP复合材料的层数可以加强现有结构的强度，或者使用GFRP材料代替原有的钢筋，这些措施都可以大大提高原始结构的结构性能。
3.4FRP桥面板的优势
桥梁的结构的性能会劣化，它的抵抗力也会衰减，造成这种现象的一个重要原因就是侵蚀作用。在原来的设计中，冬季使用防冻剂会使结构中的钢筋劣化。FRP具有良好的抗腐蚀能力，因此它便成为了解决这个问题的一个可行的办法。很多结构性能已经劣化，抵抗能力已经衰减的桥梁都处在重要的交通路线中，因此，迅速地替换那些桥梁，减少交通中断的时间是很重要的。由于FRP桥面板可以在工厂中批量化生产，并且它的现场安装时间也很短，所以用它去代替那些结构性能劣化以及抗力衰减的桥面是一个很适用的办法。另外，适用FRP桥面板将会大大减少地震的损坏，因为，这种桥面板的重量比较轻，在地震过程中会减少惯性力的作用，从而减弱了地震对桥面板的破坏程度。正是由于FRP桥面板相比传统桥面板有太多的优势，所以近些年，人们都致力于研究和开发这种有FRP制成的高性能、轻质、经济的桥面板系统。
FRP在土木工程中关键技术的应用
4.1高性能FRP复合材料设备与关键配套材料的研究开发
在土木工程中使用FRP复合材料的形式是多种多样的，所以它的应用环境和应用方法也是多种多样的。所以，我们如果仅仅是解决复合材料的的改进技术、生产出适用于土木工程特点的材料是远远不够的，还必须要解决其配套设备技术和配套的生产问题。在这方面的开发研究主要包括两个方面的内容：第一个是高性能FRP复合材料筋/索锚具及预应力张拉设备研制，第二个是特种粘贴树脂基体结构设计及材料合成技术。
4.2在新结构中关键技术的应用
高性能FRP复合材料应用于新结构之中是当前现代土木工程中应用最为广阔的一个领域。基于该复合材料的优良特性，它将为现代土木工程的建设带来革命性的变化。使用FRP材料代替原先的混凝土钢材的话，设计理论与設计方法也要随之改变。因此，针对FRP复合材料的混凝土设计和理论成为了当前该材料得到推广的技术关键。在该材料在土木工程的应用中，关键点是该材料的连接锚固性能与构造要求。
4.3结构加固补强的关键技术
FRP复合材料，尤其是CFRP复合材料，是当前土木工程中应用最为广泛的。它在基础设施的结构加固补强方面最为突出。尽管该项工作已经取得了不错的进展，并且得到了广泛的应用，但是仍然有很多课题有待解决，这些课题也是制约其更为广泛地发展的“绊脚石”。具体主要包括两个方面：一是在预应力加固补强技术研究；另一个是界面受力性能研究。
结语
复合材料在土木工程中的应用于材料的研究开发已经成为材料界和土木界一个研究热点。该项研究的成果将会极大的推动现代土木工程技术的发展，它还会给现代复合材料产业创造一个更大的市场。
【参考文献】
[1]琚宏昌,张凤.FRP复合材料在土木工程中应用的研究进展[J].混凝土,2012(2).
[2]钟春强.土工复合材料在土木工程中的应用研究[J]. 科技资讯,2009(11).
[3]张更龙.对土木工程中混凝土构件加固施工技术的探讨[J].商品与质量：建筑与发展,2012(7).
[4]陈超.FRP在土木工程中应用的新进展[J].黑龙江科技信息,2011(11).
【关键词】FRP复合材料；土木工程；工程技术
[ 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
中图分类号：S969.1文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）
前言
在过去，高级复合材料具有较好的工程性质，比如具有高比强度系数、高比刚度系数、高耐疲劳度、高阻尼、低密度、抗腐蚀、沿着纤维方向具有低热膨胀率等特征。正是由于该材料的这些优良特征，使得这种材料在航空、汽车工业、海洋造船业等领域得到了广泛的应用。最近，土木工程师和建筑工业研究者在研究基础设施退化问题时，认识到复合材料在这方面有很大的发展潜力。近几十年，FRP符合材料在建筑领域的应用越来越广泛，并且，由于它的成本也在不断地降低，FRP被认为是钢筋混凝土中钢材料的取代品。
FRP在土木工程中的应用技术现状
FRP复合材料在土木工程中的应用比其在其他领域中的应用晚，造成这种现象的主要原因有两个：首先是建筑物造价方面受到一定的限制，造价不能够过高；另一个就是在这方面缺少经验。工程师会经常遇到一些实践性问题，就是关于FRP在加强结构方面的预期效果的设计。他们在混凝土结构或钢结构方面具有一系列的规程和标准以及很丰富的设计经理论，然而在FRP加固结构方面却缺乏相关的规程和设计经验和理论。不过，自上个世纪九十年代起，FRP在土木工程的一些特殊领域得到了十足的发展。另外，自上世纪九十年代起，国际上已经开始使用FRP，用纤维增强复合材料代替钢材，将其使用于土建结构的修补和加固。碳纤维材料具有优越的物理力学性能，还具有高弹模、重量轻、耐腐蚀、易施工、高强度等优点，整体性能高于钢筋材料。
因此，到1998年为止，在国际上至少已经有2000多个大型土木工程中使用到了FRP材料作为修补加固材料，仅仅是在日本，每年就要生产好几百万平方米的CFRP片做结构加固之用。据统计，我国现有的桥梁和一些大型土木建筑多是在上世纪80年代以前所建，由于当今承载要求的不断提高，裂缝的不断产生，因此，加固修补工作显得越来越重要。
FRP在土木工程中应用的几个特殊领域
3.1FRP—混凝土组合结构
现如今，钢和混凝土成功组合，形成了一种新型的结构，正是受到它们组合成功的启发，在考虑到经济因素的前提下，一个混凝土和FRP组合的新概念变成了一个具有很大潜力的可行性解决方案。当前，在这个领域的研究主要集中在将FRP外包混凝土上，这样的形式类似于钢管混凝土。有学者研究了这个体系，使用GFRP的外壳填充混凝土替换桥的主梁，支撑由FRP组合而成的桥面板。这种FRP—混凝土组合结构使得FRP和混凝土的性能得到了最佳的发挥。这种结构具有强度高、重量轻、刚度高、成本低等优良特性。正是它的这些特性将使得这种结构在建筑行业得到广泛推广。
3.2纯FRP复合材料的大型结构
FRP复合材料具有多功能和可制造的特点，正是该材料的这些特性，在一些功能要求抗腐蚀或者磁电屏蔽的特殊建筑中给工程师们提供了一个去开发使用这种材料的机会。例如一些电磁试验操作的建筑结构，或者是一些感光电路金属板房间。现在已完成的纯GFRP建筑是美国苹果计算机公司的电磁干涉试验室。
3.3FRP在负载环境下部结构中的应用
近些年来，环境的变化给我们带来了很多的影响，比如水边码头的地下基础部分的结构性能开始出现提前劣化及抵抗力下降的现象，这些现象得到了各界人士的广泛关注。仔细的研究这种现象发现，造成这种情况产生的原因是比较复杂的，因此，土木工程师们越来越意识到FRP复合材料作为一种解决复杂环境下部结构存在一些问题可行性的优势。比如，增加FRP复合材料的层数可以加强现有结构的强度，或者使用GFRP材料代替原有的钢筋，这些措施都可以大大提高原始结构的结构性能。
3.4FRP桥面板的优势
桥梁的结构的性能会劣化，它的抵抗力也会衰减，造成这种现象的一个重要原因就是侵蚀作用。在原来的设计中，冬季使用防冻剂会使结构中的钢筋劣化。FRP具有良好的抗腐蚀能力，因此它便成为了解决这个问题的一个可行的办法。很多结构性能已经劣化，抵抗能力已经衰减的桥梁都处在重要的交通路线中，因此，迅速地替换那些桥梁，减少交通中断的时间是很重要的。由于FRP桥面板可以在工厂中批量化生产，并且它的现场安装时间也很短，所以用它去代替那些结构性能劣化以及抗力衰减的桥面是一个很适用的办法。另外，适用FRP桥面板将会大大减少地震的损坏，因为，这种桥面板的重量比较轻，在地震过程中会减少惯性力的作用，从而减弱了地震对桥面板的破坏程度。正是由于FRP桥面板相比传统桥面板有太多的优势，所以近些年，人们都致力于研究和开发这种有FRP制成的高性能、轻质、经济的桥面板系统。
FRP在土木工程中关键技术的应用
4.1高性能FRP复合材料设备与关键配套材料的研究开发
在土木工程中使用FRP复合材料的形式是多种多样的，所以它的应用环境和应用方法也是多种多样的。所以，我们如果仅仅是解决复合材料的的改进技术、生产出适用于土木工程特点的材料是远远不够的，还必须要解决其配套设备技术和配套的生产问题。在这方面的开发研究主要包括两个方面的内容：第一个是高性能FRP复合材料筋/索锚具及预应力张拉设备研制，第二个是特种粘贴树脂基体结构设计及材料合成技术。
4.2在新结构中关键技术的应用
高性能FRP复合材料应用于新结构之中是当前现代土木工程中应用最为广阔的一个领域。基于该复合材料的优良特性，它将为现代土木工程的建设带来革命性的变化。使用FRP材料代替原先的混凝土钢材的话，设计理论与設计方法也要随之改变。因此，针对FRP复合材料的混凝土设计和理论成为了当前该材料得到推广的技术关键。在该材料在土木工程的应用中，关键点是该材料的连接锚固性能与构造要求。
4.3结构加固补强的关键技术
FRP复合材料，尤其是CFRP复合材料，是当前土木工程中应用最为广泛的。它在基础设施的结构加固补强方面最为突出。尽管该项工作已经取得了不错的进展，并且得到了广泛的应用，但是仍然有很多课题有待解决，这些课题也是制约其更为广泛地发展的“绊脚石”。具体主要包括两个方面：一是在预应力加固补强技术研究；另一个是界面受力性能研究。
结语
复合材料在土木工程中的应用于材料的研究开发已经成为材料界和土木界一个研究热点。该项研究的成果将会极大的推动现代土木工程技术的发展，它还会给现代复合材料产业创造一个更大的市场。
【参考文献】
[1]琚宏昌,张凤.FRP复合材料在土木工程中应用的研究进展[J].混凝土,2012(2).
[2]钟春强.土工复合材料在土木工程中的应用研究[J]. 科技资讯,2009(11).
[3]张更龙.对土木工程中混凝土构件加固施工技术的探讨[J].商品与质量：建筑与发展,2012(7).
[4]陈超.FRP在土木工程中应用的新进展[J].黑龙江科技信息,2011(11).