纤维增强复合材料及新型结构体系_新型组织结构类型
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纤维增强复合材料及新型结构体系
【摘要】
简单介绍土木工程材料的发展与历史、几大纤维原丝的生产工艺，介绍FRP材料的特性与种类并分析其优缺点，深入介绍为实现FRP材料高性能化所运用的技术及FRP四大加固技术，提出问题并探讨FRP材料增强新结构。【关键词】
FRP材料
结构
加固
增强新结构 引言
FRP 是复合材料，由于单一材料在性能方面或者其它方面无法 满足具体的需求，所以有了 FRP 的存在，FRP 是将两种或者两 种以上的材料组合而成的新型材料，它是一种高性能纤维复合材料和工程专用纤维复合材料。高性能 纤维复合材料属于高分子复合材料，它是由各种高性能纤维作 为增强体置于基体材料复合而成。其中高性能 纤维是指有高的 拉伸强度和压缩强度、耐磨擦、高的耐破坏力、低比重等优良 物性的纤维材料，它是近年来纤维高分子材料领域中发展迅速 的一类特种纤维。高性能 纤维的发展是一个国家综合实力的体 现，是建设现代化强国的重要物资基础。高性能纤维复合材料 是发展国防军工、航空航天、新能源及高科技产业的重要基础 原材 料，同时在建筑、通信、机械、环保、海洋开发、体育休 闲等国民经济领域具有广泛的用途。
１.土木工程材料的发展与历史
1.1历史
远古时期，人类于穴巢居住；石器时代，人们挖土凿石为洞（古崖居）、伐木搭竹为棚；封建时期，人们可用砖木建房；1760年欧洲工业革命，建筑材料实现了质的飞跃，其标志为钢材、水泥、混凝土的发明与应用；二十世纪开始后，复合材料及高分子材料得到快速发展。1.2传统土木工程材料的缺点（1）耐久性差：如钢筋，型钢，拉索等
（2）性能单一性，不可设计性：如震后可恢复性较差
（3）低强度重量比，限制结构的发展：如大跨斜拉桥，悬索桥等（4）无法实现自监测功能：结构安全性能隐患 1.3土木工程材料的基本性质
（1）材料的力学性质 A 强度与比强度 B 材料的弹性与塑性 C 脆性和韧性 D 硬度和耐磨性;（2）材料与水有关的性质: A 材料的亲水性与憎水性 B 材料的含 水状态 C 材料的吸湿性和吸水性 D 耐水性 E 抗渗性 F 抗冻性（3）材料的热性质: A 热容性B 导热性 C 热变形性
（4）材料的耐久性,是指用于构筑物的材料在环境的各种因素影响下, 能长久的保持其性能的性质
1.4土木工程材料的发展趋势
随着地球人口的增长，人类为了生存之需，土木工程材料未来至少应朝5个方向发展，及高空、地下、海洋、沙漠及太空。同时，绿色、高性能的材料亦是土木工程材料的发展趋势。2.纤维原丝
2.1我国鼓励发展的四大高科技纤维：碳纤维（CF）、芳纶（AF）、超高分子量聚乙烯纤维（UHMWPE）、连续玄武岩纤维（CBF）
2.2碳纤维生产工艺
碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7~9倍，抗拉弹性模量为230~430Gpa亦高于钢。因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比钢高。
2.3玻璃纤维生产工艺 池窑拉丝工艺又被称为一次成型工艺，这种生产工艺是将各种玻璃配合料在池窑熔化部经高温熔成玻璃液，在澄清部排除气泡成为均匀的玻璃液，再在成型通路中辅助加热，经池窑漏板，高速拉制成一定直径的玻璃纤维原丝。一座窑炉可以通过数条成型通路，安装上百台拉丝漏板同时生产。
2.4玄武岩纤维的制备
连续玄武岩纤维的生产流程图窑前料仓玄武岩矿石称量加料机浸润剂粗纱细纱其它制品烘干拉丝机原丝 2.4.1玄武岩的分布与作用 玄武岩(basalt)属基性火山岩。是地球洋壳和月球月海的最主要组成物质，也是地球陆壳和月球月陆的重要组成物质。玄武岩在地球上分布广泛，遍及各大洋和各大洲。月球玄武岩是构成月球的主要岩石之一。主要分布在深海洋脊、洋盆内群岛和海山岛、弧和活动大陆边缘、大陆内部，可作为基石研磨材料来磨金属、磨石料，同时可用于作过滤器、干燥器、催化剂等。
2.4.2连续玄武岩纤维 连续玄武岩纤维（Continuous Basalt Fibre 简称CBF）是以火山岩为原料经1500℃高温熔融后快速拉制而成的连续纤维，其外观为金褐色，属于非金属的无机纤维，被称为21 世纪无污染的“绿色工业原材料”。同时，连续玄武岩纤维是关乎国家安全的重要战略物资，是支撑高技术产业发展的新型高技术绿色纤维材料；又是国民经济发展新的基础材料 ；也是国民经济发展新的增长点的绿色原材料！2.4.3中国发展玄武岩连续纤维的前景
（1）原料，我国地域辽阔，玄武岩储量非常丰富，但不同玄武岩纤维需要不同类型的玄武岩（2）市场，中国本身就具有新材料应用的庞大市场（3）成本，中国具有低成本制造玄武岩纤维得天独厚的条件
（4）技术，全球玄武岩纤维的技术及规模尚处于初级阶段，这给我们追赶乃至超过国外的先进 技术水平提供了很大的发空间和市场机遇 3.纤维复合材料
纤维复合材料是以纤维材料作为增强材与基体结合形成的复合材料，简称FRP(Fiberreinforced polymer)。在城市工程中常用的FRP材料有：碳纤维FRP，芳纤 维FRP，玻璃纤维FRP和玄武岩纤维FRP。3.1 FRP材料的种类
（1）FRP 片材，包括 FRP 布和 FRP 板：主要用来粘贴在混凝土结构的表面对其进行加 固补强
（2）FRP 棒材，包括 FRP 筋和 FRP 索：主要在 FRP 筋混凝土结构、FRP 预应力混凝土 结构和桥索 中替代钢筋和钢绞线；（3）FRP 网格材和 FRP 格栅：作为混凝土结构中的配筋或简易工作平 台
（4）FRP 拉挤型材：截面形式灵活多样，力学性能好，用途广，是 FRP 结构应用的主要 产品
（5）FRP 缠绕型材：主要用作 FRP 管混凝结构土，可以作为柱、桩，甚至梁，使构件 性能大大优于普通钢筋混凝土
（6）FRP 夹层结构和蜂窝板： 由上下面的 FRP 板和夹心材料组成，充分利用了面层 FRP 材 料强度，有很高的强度重量比和刚度重量比，是非常合理的构 件形式，主要在梁和桥板中应用
（7）还有一些其它工艺的 FRP 产品，如：模压产品、层压和卷管产品、热塑性成型产品以 及手糊产品（低压接触）等等 3.2 FRP材料的特性
（1）轻质高强。FRP 材料最突出的优点在于它有很高的比强度（极限强度/相对容重），即通常所说的轻质高强。FRP 的比强度是钢材的 20～50 倍，因此采用 FRP 将会大大减轻结构自重。在桥梁工程中，使用 FRP 结构或 FRP 组合结构作为上部结构可使桥梁的极 限跨度大大增加[4,5]，并且可以减小地震作用的影响（2）良好的耐腐蚀性。可以在酸、碱、氯盐和潮湿的环境中抵抗化学腐蚀,这是传统结构 材料难以比拟的。目前在化工建筑、地下工程和水下特殊工程中，FRP 材料耐腐蚀的优点已 经得到实际工程的证明
（3）良好的可设计性。与传统结构材料相比，这是 FRP 所独有的。工程师可以通过使用 不同纤维种类、控制纤维的含量和铺陈不同方向的纤维设计出各种强度和弹性模量的 FRP 产品。而且 FRP 产品成型方便，形状可灵活设计 4.纤维复合材料的高性能化
4.1混杂/复合技术 主要包括多种纤维混杂技术 与纤维与钢筋复合技术。其中，由于单种纤维性能较为单一，如碳纤维的价格高、抗冻融不佳、抗辐射差，玻璃纤维、玄武岩纤维等疲劳强度不高、蠕变大、耐碱腐蚀不佳等，从而产生了多种纤维混杂/复合技术。即将性能各异的多种纤维材料，按照不同的结构性能要求，进行混杂设计达到不同的力学性能，从而从根本上改变传统材料单一不可设计性。而纤维与钢筋复合技术则是通过复合界面粘结提升技术、树脂提升技术、筋材表面处理技术，实现钢筋与纤维有效混杂和复合，从而提高其性能。
4.2 FRP智能化 FRP智能化主要体现在两种材料的应用上，即混杂碳纤维传感材料与自传感FRP智能筋/索。首先，单种碳纤维在出现断裂前尽管线性好，但在很大一个应变区间电阻变化率很 小，一般在1-2%以下，在现场很难进行精确测量；且在通常情况下，碳纤维电阻的快速变化往往伴随着碳纤维的最终断裂，导致有效测量范围较窄。所以，我们运用碳纤维传感混杂技术与碳纤维传感增敏技术来降低小电阻变化率所对应的应变范围，同时在整个测量范围内，可以使电阻随应变的变化出降现一个阶梯状变化的关系。
其次，由于分布式光纤传感具有分布式的测量优势和光学测量的稳定性，是最佳的传感元件之一，但是光纤本身比较脆弱，与土木工程的恶劣环境不能相容，而FRP具有优异的力学性能和耐久性能，且与光纤之间存在天然的物理相容性，所以我们将光纤与FRP进行复合，得到了自传感BFRP智能材料。这种智能材料具有优良的传感性能、高强的力学性能、卓越的耐久性能，同时在环保、价格上具有较高的综合优势，被认为具有广泛应用前途。
5.纤维复合材料加固结构 相比于FRP加固，传统加固方法具有施工周期长、难度大、费用高、复杂结构不易加固、不能高效修复和提升钢筋混凝土(RC)结构功能等缺点。而如今在国际上FRP加固重大工程结构技术已进入主流地位。如：澳大利亚西门大桥40余公里桥段采用FRP加固；3.11东日本大地震显示了FRP加固铁路高架桥效果优于钢材。现今，纤维复合材料加固结构共有以下五大技术： 一是FRP抗弯/抗剪承载力加固技术，此技术是单将FRP片材（板材）粘贴于钢筋混凝土梁的底面和侧面，这是提高钢筋混凝土构件抗弯/抗剪承载力的一个有效措施。首先，FRP将与受拉钢筋一起提供抗弯作用从而起到抗弯加固的作用，其破坏的主要模式为FRP拉断、顶部混凝土压碎、FRP-混凝土界面剥离三种方式；其次，粘贴于混凝土梁/柱侧面的FRP与抗剪腹筋作用类似，是用于限制混凝土斜裂缝发展，从而起到抗剪加固的作用，其主要破坏模式为FRP拉断、FRP-混凝土界面剥离。
二是FRP抗震加固技术，由于FRP材料具有高强、轻、薄、易于施工的特点，因此与传统的包钢或增大混凝土截面加固方法相比，FRP材料具有明显优势。FRP抗震加固可以通过包裹粘贴或封闭缠绕纤维布，或在柱外侧套上预制成型的FRP管来实现，此技术对柱抗震加固具有重大贡献，可提高混凝土的变形能力、柱延性、柱抗剪能力与抗压强度，同时降低轴压比。
三是FRP预应力加固技术，此技术的三大步骤为：预张拉不含浸纤维布、粘结和养护、剪断释放端部纤维布。预应力FRP加固混凝土能显著提高构件的开裂荷载、屈服荷载和极限荷载，改善受弯构件在长期荷载的力学性能，提高构件的疲劳寿命；预应力CFRP加固钢梁后，其屈服荷载和极限荷载相对于对比梁都有明显的提高，其提高的程度随着预应力CFRP的用量和预应力水平的提高而增大；预应力CFRP加固对钢梁的刚度提高作用也比较明显，对低强度的钢材，提高效果更明显。而采用预应力FRP加固工程结构的关键问题在于预应力的施加体系、预应力控制值、预应力损失和端部的锚固。
四是FRP网格水下加固技术，此技术通过预制、潜水、安装、压浆四个步骤来实现，通过FRP网格水下加固技术，结构受力性能和耐久性能均显著提高，同时，此技术已形成了一套完整的施工功法，大大降低了成本与工期。6.纤维复合材料增强新结构
6.1背景问题及提出 目前土木工程在材料上存在三大问题：其一是是钢材腐蚀问题严重，基础设施服役周期长，钢材腐蚀因素过多，给世界各国带来巨大损失，尤其是基础设施建设规模已超过世界上其他国家总和的我国，面临的局面尤其严峻。同时，国家海洋战略中需要建造各种海洋工程设施，导致钢材在海洋环境中的腐蚀问题更加突出。其二是重大工程结构各项性能亟需高度提升，在现今的工程中，正常使用条件下的部分结构仍然存在短命及安全隐患问题（预应力混凝土大跨箱梁桥几乎是“无箱不裂”，结构下挠现象突出，工程结构倒塌事件多有发生），同时极端荷载（地震、爆炸、冲击）作用下重大结构的安全设计还没有完全解决，各种快速修复要求的可修复性设计的基础理论也未建立。最后是重大工程结构的轻量化，现在的高层建筑、大跨桥梁等重大工程结构85%以上是自重，这巨大重量意味着结构的高负荷、高地震响应和高成本。因此，需要轻量化进行结构减压和超越，以实现其高性能和长寿命。6.2损伤可控结构抗震设计理论
现有规范抗震设计要求“中震可修“，但无定量的计算方法，同时其变形性大、不可修复，而新型抗震设计要求”中、大震可修“，其变形性小，但缺乏理论指导与设计方法，由此诞生了损伤可控结构抗震设计理论。其原理如下图所示：
6.3全BFRP筋增强混凝土结构 与传统材料相比，全BFRP筋具有以下三大优点:粘结性能提升、弯折搭接更灵活、承载能力（抗弯承载、抗剪承载）更强。其计算如下（粘结滑移）（弯折搭接）MuEuA(hxc/2)（抗弯承载力）
V0.7ftbh0ffAfh0/s（抗剪承载力）
6.4 FRP索结构 FRP索结构的一个应用为体外预应力索。体外预应力索的布索方式分为单纯型和混合型。单纯型将预应力索部分布在构件截面以外，混合型则将预应力索部分布置在构件截面以外，部分布置在构件截面以内。截面以外的预应力索大多锚固在桥梁支座外或中间横隔梁上，中间通过设置转向来改变索的方向，因此一般情况下体外预应力索多呈折线型。由此可知，索只能在转向块处与混凝土接触，因此能够大大减少预应力摩擦损失，提高预应力效益。索布置在腹板以外，避免了体内布筋时腹板中由于波纹板较密，腹板不易振实的缺点。此外，索布置在体外，可以很方便的维护和替换。
6.5FRP组合结构 FRP 组合结构包括混杂FRP-混凝土组合结构、钢-FRP组合桁架结构体系与FRP桥面板-钢梁结构。它是指将 FRP 与传统结构材料，主要是混凝土和钢材，通过受力形式上的组合，共同工作来承受荷载的结构形式。FRP 与混凝土通过合理的组合方式使 FRP 型材与混凝土共同受力，发挥各自的优势，达到提高受 力性能、降低造价、增强耐久性、便于施工的目的。FRP 与钢材组合，可发挥出钢材的高弹性模量和 FRP 耐腐蚀、耐疲劳性能好的优势，达到互补的效果。可在拉挤 FRP 型材时，直接将钢筋和钢丝嵌入 型材中成型；也可在钢结构外部采用 FRP 型材封闭，一方面防止钢结构锈蚀，另一方面可与钢结构共 同受力。还可用钢结构骨架与 FRP 织物蒙皮结合的组成蒙皮结构。结语
随着经济高速发展和技术飞速进步，世界各国对土木工程的要求越来越高。在有些条件下传统建 筑材料很难满足这种发展要求。FRP 复合材料具有轻质，高强，耐腐蚀，抗疲劳，耐久性好，多功能，适用面广，可设计和易加工等多种优点。在重要的土木工程中，如超大跨，超高层，地下结构，海洋 工程，高耐久性的应用，以及特殊环境工程，永久性工程，结构加固修复，大型工程结构的在役监测 等的应用，都具着巨大的优越性。它可以满足现代土木工程，对新型建筑材料提出更新，更高的要求。FRP 复合材料作为一种新型的有发展潜力的建筑材料与技术，并不是要取代传统的建筑材料-钢材与混 凝土，而是做为传统建材的一个重要补充。FRP 复合材料在土木工程中的应用技术与材料研究开发,在 当今世界上已成为复合材料界与土木工程界共同研究开发的一个热点。该技术研究开发成功后将会极 大地推动现代土木工程的技术进步。它还将为现代复合材料产业开辟出巨大的应用市场，因而具有非 常广阔的发展应用前景。参考文献
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