桥梁隧道工程中FRP材料的应用

桥梁隧道工程中FRP材料的应用

崔伟

山西省交通科学研究院山西省030006

摘要：ＦＲＰ材料近年来在混凝土结构中得到了广泛的应用，对其进行的大量研究和实践应用取得了良好的效果，受到国内外工程界的广泛关注。介绍了ＦＲＰ材料的类型、加工成型办法、材料特点，特别是其在桥梁与隧道工程中的应用以及存在问题，并展望了ＦＲＰ材料的发展应用前景。

关键词：ＦＲＰ；隧道；桥梁；材料特点；应用

引言：随着我国社会主义市场经济的不断繁荣发展，国家在道路交通工程建设方面投入的资金力度呈不断加大趋势，近年来，我国新建了大量的桥梁隧道工程，目前桥梁隧道工程的工作重点在维护加固已建桥梁隧道的同时，并不断新建新的桥梁隧道，这就给FRP材料提供了广阔的应用空间。

1ＦＲＰ简介

ＦＲＰ－（ＦｉｂｅｒＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＰｌａｓｔｉｃｓ）纤维增强复合塑料，是以玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、氧化铝纤维和碳化硅纤维等作为增强材料，以合成树脂作基体材料的一种复合材料。复合材料的概念是指一种材料不能满足使用要求，需要由两种或两种以上的材料复合在一起，组成另一种能满足人们要求的材料，即复合材料。根据采用的纤维不同分为玻璃纤维增强复合塑料（ＧＦＲＰ）、碳纤维增强复合塑料（ＣＦＲＰ）、芳纶纤维增强复合塑料（ＡＦＲＰ）等。根据纤维的长短，ＦＲＰ可分为短纤维增强复合塑料和长纤维增强复合材料塑料。根据纤维性能可以分为高性能纤维复合材料和工程复合材料。

2ＦＲＰ材料的特点

ＦＲＰ的性能取决于纤维和基体材料的类型、纤维含量和横断面形状。同钢材相比，ＦＲＰ筋材料的优点有：（１）密度小。同等直径下，其重量仅为钢材的１／７－１／５；（２）抗拉强度高。ＦＲＰ筋的抗拉强度明显超过普通钢筋，与高强钢丝强度差不多；并且它的应力一应变曲线始终为直线，没有明显的屈服台阶；（３）抗疲劳性能较好。ＣＦＲＰ筋与ＡＦＲＰ筋的抗疲劳性能要明显优于钢筋；ＧＦＲＰ筋的抗疲劳性能略低于钢筋，但能够满足结构构件对抗疲劳的要求；（４）耐腐蚀性能好。由于采用的主要材料是非金属的纤维，ＦＲＰ的电化学活性远小于普通钢材，具有非常好的耐腐蚀性能，用于易遭受腐蚀介质侵蚀的结构中具有普通混凝土结构无法比拟的优势，这也是其得以发展的重要原因之一。（５）非磁性。因此可以用于对电磁有特殊要求的结构中，如雷达站等。但是，作为一种新型的复合材料，ＦＲＰ也有其自身得缺点：（１）冲击韧性较低（ＦＲＰ材料为脆性材料）。构件可能没有相应的塑性转动能力，同时也不能进行弯矩重分布；（２）弹性模量较低。ＦＲＰ筋的弹性模量约为钢筋的２５％－７５％，在配有ＦＲＰ筋的混凝土结构中，如不施加预应力，则挠度较大和裂缝开展较宽；（３）热稳定性较差。ＧＦＲＰ的适宜工作温度范围为－５０℃－７０℃，ＡＦＲＰ筋为－５０℃－１２０℃。当超过温度范围时，ＦＲＰ筋的抗拉强度会明显下降；（４）成本较高。ＦＲＰ筋的生产制作工艺较为复杂，且由于目前其应用尚处于初级阶段，因而生产成本较高，但随着其应用越来越广泛，成本会逐渐下降；（５）热胀系数与混凝土存在一定差别。在温差变化较大的环境下使用ＦＲＰ筋，有可能造成与混凝土的粘结破坏和混凝土开裂；（６）抗剪强度较低。各种ＦＲＰ筋的横向承载力都较低，一般不超过抗拉强度的１０％，因而很容易被剪断；（７）存在徐变断裂现象。ＦＲＰ筋在持续高荷载作用下会因徐变断裂而破坏。

3ＦＲＰ材料在桥梁工程中的应用

3.1桥梁结构加固与改造

在一些桥梁结构改造工程中，采用FRP材料不仅便于施工，而且对桥梁承载力的改善效果十分明显，并且具备较强的抗腐蚀性能。通常桥梁加固时多采用FRP布或者FRP板材，其可以受弯提高桥梁的强度。需要注意一点，在进行钢桥的维修加固过程中需要注意，结构中的钢、碳可能发生电反应，因此要采取相应的预防措施；并且选择FRP材料时要注意其弹性模量

3.2代替普通钢筋

在一些侵蚀性环境条件下，可以利用FRP较好的耐腐蚀性来取代普通钢筋作为结构的增强筋，提高结构的耐腐蚀性，比如钢筋混凝土梁或者桥面板中均可以采用FRP筋作为主受力筋。在实际应用中，FRP与混凝土之间的粘结性是FRP混凝土结构需要注意的关键点，通常在FRP拉挤成型时需要对其表面进行特殊的变形或粗糙处理，才能提高FRP与混凝土的粘结力。对FRP材料施加预应力不仅能够充分调动FRP材料特性，而且可以改善FRP混凝土梁的抗裂度及刚度。在实际桥梁施工应用中存在体内、体外两种预应力梁筋，如果混凝土结构截面布置体内预应力筋不易或者需要使用FRP筋进行加固时，应当可以采取体外预应力施工技术，在实际应用中仍要以体内预应力筋为主。

4ＦＲＰ在隧道中的应用

（１）ＦＲＰ格栅。ＦＲＰ格栅－ＮＥＦＭＡＣ（ＮｅｗＦｉｂｅｒＣｏｍ－ｐｏｓｉｔｅＭａｔｅｒｉａｌＦｏｒＲｅｉｎｆｏｒｃｉｎｇＣｏｎｃｒｅｔｅ）具有良好的耐久性能和轻质高强的优点给施工带来很大的便利。ＮＥＦＭＡＣ既可以用于结构加固，也可以用在隧道新建结构中。ＮＥＦ－ＭＡＣ配合锚杆使用能很好控制围岩变形，具有良好的耐久性能。

（２）ＦＲＰ材料用作受力筋。在隧道设计中，不论是沉管法、顶推法，还是盾构法，隧道的主体结构在围岩中，环境条件比较恶劣，带来严重的腐蚀问题。如果用ＦＲＰ材料作为受力筋代替钢筋，可以在很大程度上解决腐蚀问题。如，美国地铁车站内的屋顶和站台柱中都使用过ＦＲＰ筋。但是，ＦＲＰ筋的弹性模量较低，会导致ＦＲＰ筋混凝土构件过大的变形和裂缝。而且ＦＲＰ筋不能在施工现场制作弯钩和成型，必须工厂预制，这就给施工带来不便。

（３）ＦＲＰ锚杆。普通砂浆锚杆的工艺是先灌后锚，注浆质量难以保证，造成锚杆承载力不可靠及砂浆不能完全包裹钢筋，存在空隙使其腐蚀。在发达国家，特别是欧美国家在上世纪９０年代就限制普通砂浆锚杆的使用。

5结语

ＦＲＰ材料具有质量轻、强度高、耐腐蚀、抗疲劳、使用广、易加工等等诸多优点，在桥梁、隧道工程中的应用有着巨大的优势。ＦＲＰ材料作为一种新型材料和传统的建筑材料钢材和混凝土并不矛盾，而是它们必要有益的补充。ＦＲＰ材料应用技术一旦成熟，将会极大地推动桥梁、隧道工程的技术进步，其应用前景将会非常的广阔。

参考文献

[1]田洪臣、康梅林、催千祥，FRP在土木工程领域中的应用[J].中国建设教育，2011（2）.