FRP材料在结构工程中的应用前景广阔
□ 清华大学土木工程系冯 鹏 叶列平
应用形式日渐多样
纤维增强复合材料（FRP）从上世纪40 年代问世以来，在航空、航天、船舶、汽车、化工、医学和机械等工业领域得到了广泛的应用。近年来，FRP又以其高强、轻质、耐腐蚀等优点，成为土木工程的一种新型结构材料。除了应用FRP片材加固修补结构工程外，FRP结构和FRP组合结构的应用也日益受到工程界的重视。
FRP结构是主要结构构件完全采用FRP材料组成的结构，如由FRP管组成空间网架结构等。FRP组合结构则是指FRP材料与传统的结构材料，主要是混凝土和钢材，通过合理的组合，共同工作，来承受荷载的结构形式，如：FRP管混凝土、FRP型材－混凝土叠合梁、FRP－混凝土叠合板等。FRP作为结构材料，具有比强度、比模量高，耐腐蚀、构件可设计、易成型等优点，通过与传统材料进行合理地组合，更能发挥它的优势。
从上世纪70 年代开始，FRP材料开始在结构工程中得到应用。英国、美国和以色列最先应用这种新型材料作为建筑结构和桥梁结构中的主要构件，当时大多采用GFRP（即玻璃钢）。70 年代后期，我国也开始对GFRP进行研究。1982 年，北京密云建成了跨径20.7 米、宽9.2 米的GFRP简支蜂窝箱梁公路桥，设计荷载等级汽－15、挂－80，并进行了现场的荷载试验，证明了FRP作为承重构件的可行性。通车后出现蜂窝失稳导致桥面下陷和箱梁腹板上方局部压屈的问题。1987 年进行了检修，将承重体系改造成GFRP－混凝土组合结构，使用至今，运行状况良好。早期的FRP结构大多是尝试性质的，还不能在土木工程中形成规模。
近年来，FRP材料的种类和生产手段迅速发展，产品形式不断更新，使得FRP结构和FRP组合结构在土木工程中应用的形式也更加多样，如FRP斜拉桥和悬索桥中的索、FRP桥面板、FRP网架、FRP组合梁板、FRP管混凝土柱、FRP渡槽和输水管、FRP夹心板屋盖、FRP永久模板以及挡土墙、水坝等，体现出FRP结构和FRP组合结构在土木工程中应用的广阔前景。
性能优越 种类繁多
FRP是纤维增强复合材料的统称。所谓复合材料是由增强材料和基体构成，根据复合材料中增强材料的形状，可以分为颗粒增强复合材料、层合复合材料和纤维增强复合材料三种，FRP只是其中的一种。而FRP中的基体种类有：树脂基体、金属基体、陶瓷基体和碳素基体；而纤维种类有：玻璃纤维、硼纤维、碳纤维、芳纶纤维、陶瓷纤维（包括碳化硅纤维和氧化铝纤维）、聚烯烃纤维以及金属纤维。组分不同，FRP的性能会有很大的差别。目前结构工程中常用的FRP材料主要是树脂基体的玻璃纤维（GFRP）、碳纤维（CFRP）和芳纶纤维（AFRP），它们的主要性能见表1 和表2。可以看出，各种FRP材料的力学性能参数变化范围很大，因此在工程中有很大的灵活性，具有可设计性。
FRP片材：FRP布和FRP板 FRP布是目前结构工程中应用最广泛的FRP制品。它是由连续的长纤维编织而成，通常是单向纤维布，且使用前不浸润树脂，施工时用树脂浸润粘贴，主要应用于结构的加固，也可以作为生产其它的FRP制品的原料。FRP板是将纤维在工厂中经过平铺、浸润树脂、固化成型制成，施工中再用树脂粘贴。FRP布一般只能承受单向拉伸，FRP板可以承受纤维方向上的拉压，但在垂直纤维方向上强度和弹性模量很低。
FRP棒材：FRP索和FRP筋 FRP索是将连续的长纤维单向编织，形成绳索状的FRP制品，再用树脂浸润固化而制成。FRP筋是采用拉挤工艺生产，在表面进行处理可以带肋。FRP棒材可以在混凝土中代替钢筋，也可以作为预应力筋。
FRP网格材、FRP格栅 将长纤维束按照一定的间距相互垂直交叉编织，再用树脂浸润固化形成FRP网格或FRP格栅。FRP网格可以直接代替钢筋网片，也可以使用3 维的FRP网笼直接代替钢筋笼。
FRP拉挤型材 FRP型材的拉挤生产工艺，是将纤维束或纤维织物通过纱架连续喂入，经过一个树脂胶槽将纤维浸渍，再穿过热成型模具后进入拉引机构，形成连续的FRP制品。拉挤工艺可以生产出截面形状复杂的连续型材，纤维主要沿轴向，而且纤维含量可以达到60％～70％，有很好的受力性能。FRP拉挤型材可以直接作为结构构件，也可以与其它材料组合。
FRP缠绕型材 缠绕工艺是将连续纤维束或纤维织物浸渍树脂后，按照一定的规律缠绕到芯模（或衬胆）表面，再经过固化形成以环向纤维为主的型材，常见的有管、罐、球等，FRP缠绕型材可以承受很大的内压，已广泛用于压力容器、管道等。在工程结构中，FRP缠绕管内充填混凝土可以作为柱、桩，甚至梁，构件性能大大优于普通钢筋混凝土。
FRP模压型材 模压工艺是将预浸树脂的纤维或织物，干燥后放入金属模具中进行加温加压固化而成型。可以采用长纤维，也可以是短纤维或纤维织物。这种工艺生产出的型材尺寸准确、表面光洁、质量稳定，通常在平面内呈现为各向同性。
手糊FRP产品 手糊成型是指在室温低压或无压下用树脂将纤维或织物粘接成型的方法。以前都是人工操作完成，因此称为手糊。这种方法可以生产出形状复杂、纤维铺陈方向任意、大尺寸的FRP产品，但是产品质量不易稳定。但随着袋压法、真空法、喷射法等加压方法的应用，以及一些辅助设备的出现，使得手糊工艺的产品质量和工作效率大幅提高。手糊FRP产品的灵活性和可设计性很强，非常适合在结构中应用。
FRP夹层板、蜂窝板 FRP夹层板、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。FRP夹层板、蜂窝板的生产成型方法主要有两种：一次成型和二次成型，一次成型方法有手糊和真空树脂传递模塑法；二次成型方法主要是型材粘接。FRP夹层板、蜂窝板在飞机结构、船舶结构中的应用获得了很大的成功，在土木工程结构中也将大有用武之地。
其它生产工艺和再加工的产品 还有一些其它的FRP生产工艺，例如：喷射成型法、离心成型法等等，可以生产出性能形状各异的FRP产品。而且还可以对FRP产品进行二次加工，应用不同的FRP产品进行合理组合，来满足工程要求。
上面这些FRP产品，可以直接和经过加工后在FRP结构和FRP组合结构中应用。
表1 结构工程中常用纤维的主要力学性能与钢材对比
纤维种类 相对 拉伸强度 模量 热胀系数 延伸率 比强度 比模量
密度γ σb (GPa) E(GPa) α(10-6/℃) δ(％) σb/γ(GPa) E/γ(GPa)
玻璃纤维GFRP S(高强) 2.49 4.6 84 2.9 5.7 1.97 34
E(低导) 2.55 3.5 74 5.0 4.8 1.37 29
M(高模) 2.89 3.5 110 5.7 3.2 1.21 38
AR(抗碱) 2.68 3.5 75 7.5 4.8 1.31 28
碳纤维CFRP 普通 1.75 3.0 230 0.8 1.3 1.71 131
高强 1.75 4.5 240 0.8 1.9 2.57 137
高模 1.75 2.4 350 0.6 1.0 1.37 200
极高模 2.15 2.2 690 1.4 0.5 1.02 321
芳纶纤维AFRP Kelvar 49 1.45 3.6 125 2.5-4.0 2.8 2.48 86
Kelvar 29 1.44 2.9 69 4.4 2.01 48
HM-50 1.39 3.1 77 4.2 2.23 55
钢材 HRB400 7.8 0.42 200 12 18 0.05 26
钢绞线 7.8 1.86 200 12 3.5 0.24 26
表2 结构工程中常用树脂基体的性能
名称 相对密度 拉伸强度 模量 延伸率 抗压强度 抗弯强度 特性
γ σb(MPa) E(GPa) δ(％) σc(MPa) σf(MPa)
环氧 <1.15 <85 3.2 5 <110 <130 粘结力强、浸润性好
酚醛 1.3 42-64 3.2 2.0 <110 <120 耐高温、绝缘、价廉
聚酯 <1.4 <71 2.1-4.5 5 <190 <120 工艺性好、价廉
聚酰胺 1.1 70 2.8 60 90 100 热塑性树脂
聚丙烯 0.9 35-40 1.4 200 56 <56 热塑性树脂
发挥优势 克服劣势
FRP材料具有许多与传统结构材料所不同的特点，了解和掌握FRP材料的优缺点，才能在设计中充分发挥它的优势，克服劣势。
1.优点
FRP材料最突出的优点在于它有的很高比强度，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材料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。理论上，用传统结构材料桥梁的极限跨度在5000米 以内，而上部结构使用FRP结构可达8000米 以上。在建筑工程中，采用FRP材料的大跨空间结构体系的理论极限跨度要比传统材料结构大2～3 倍。FRP结构和FRP组合结构是获得超大跨度的重要途径。在抗震结构中，FRP结构和FRP组合结构的应用可以减小地震作用。
FRP材料具有良好耐腐蚀性，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。在瑞士、英国、加拿大等国家的寒冷地区以及一些国家的近海地区已经开始在桥梁、建筑中采用FRP结构代替传统结构以抵抗除冰盐和空气中盐分的腐蚀，使得结构的维护费用和周期都将大大降低。
FRP材料具有很好的可设计性，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。
FRP材料的弹性性能好，应力应变曲线接近线性，在发生较大变形后还能恢复原状，塑性变形很小，这对于承受较大动载和冲击荷载的结构比较有利。
FRP产品非常适合于在工厂生产、运送到工地、现场安装的工业化施工过程，有利于保证工程质量，有利于提高劳动效率，有利于建筑工业化。
FRP产品还有一些其它优势，如透电磁波、绝缘、隔热、热胀系数小等等，这使得FRP结构和FRP组合结构在一些特殊场合能够发挥难以取代的作用。
2.缺点
与传统结构材料不同，FRP材料通常表现为各向异性，纤维方向的强度和弹模较高，而垂直纤维方向的强度和弹模很低。有关资料表明，两个方向的抗拉强度相差可达25倍，抗压强度相差可达5 倍，模量相差可达13 倍。此外，纤维方向的抗拉强度比抗压强度高30％。因此在设计FRP结构和FRP组合结构时，需要对两个方向分别进行设计。由于FRP材料各向异性，在受力上有许多不同于传统结构材料的现象，例如拉伸翘曲现象，这在各向同性材料中是没有的，这就加大了FRP结构和FRP组合结构的设计难度。
与钢材相比较，大部分的FRP产品的弹性模量较低：大约为钢材的1/20～1/2，大致与混凝土和木材在同一数量级。弹模低是FRP作为结构材料最大的劣势，在FRP结构设计中要充分考虑这个特点，应尽量使用几何刚度来弥补材料刚度的不足，也可以采用FRP组合结构达到刚度要求。
FRP材料的剪切强度、层间拉伸强度和层间剪切强度仅为其抗拉强度的5％～20％，而金属的剪切强度约为其拉伸强度的50％。这使得FRP构件的连接成为突出的问题。FRP结构可以采用铆接、栓接和粘接，但不管那种连接方式，连接部位都是整个构件的薄弱环节。这就要求FRP结构和FRP组合结构设计中应尽量将FRP设计为一个整体，减少连接。此外设计合理的榫接和销接是适合FRP结构和FRP组合结构的连接方式。
与钢材相比，FRP材料强度有较大的离散性。钢材屈服强度的离散系数约为0.1，而FRP产品拉伸强度的离散系数约为0.15。
与混凝土相比，一般FRP材料的防火性能较差。临界温度为300℃左右，而且部分树脂材料有可燃性。通过改变树脂的组分，可以改善FRP的防火性能。目前采用环氧树脂的FRP材料，可在树脂中掺入阻燃剂，表面进行防火处理，其效果已经可以与混凝土结构相当。
3.值得讨论的特点
大量的研究结果表明，FRP材料本身的抗疲劳性能优于传统结构材料，但是值得重视的是，初始缺陷和工作环境对FRP材料抗疲劳性能的影响非常显著。因此需要对实际工程中的FRP结构和FRP组合结构整体的抗疲劳性能进行深入研究。
FRP材料的耐久性是很多学者关心的问题。目前许多FRP产品供应商都通过加速试验来证明自己的产品寿命在35 年以上，甚至达到70 年。但是FRP材料诞生也不过60 多年，应用于土木工程中也最多30 年。应该注意的是，耐久性不仅仅是材料老化，还包括温度变化影响、湿度变化影响、FRP的蠕变和应力松弛以及GFRP与混凝土碱性反应等等问题，而且在实际环境下这些因素是共同作用，相互影响的。在我国，有FRP结构因耐久性而失效的例子，也有应用20 年以上的工程。
经济性是所有工程师都很关心的问题。从材料价格上来看，FRP结构和FRP组合结构与钢筋混凝土结构相比没有竞争力，但由于自重轻，带来的综合效果是值得工程师重视的。1986 年建成的重庆交院桥，采用GFRP箱梁，建造成本比钢桥省了50％。从结构整个生命周期的费用来看，FRP结构和FRP组合结构有明显的优势，尤其在一些工作环境恶劣的地方，FRP结构和FRP组合结构的经济性相当明显。以美国的短跨桥梁为例，FRP结构的日常维护费用仅为钢筋混凝土结构的1/5，改造维修费用仅为钢筋混凝土结构的1/2。另外，由于FRP结构和FRP组合结构的应用目前还处在验证阶段，初期费用是偏高的，当应用量增大，FRP产品生产规模扩大，势必使其成本大大降低。
结 语
FRP材料在结构工程中有着非常广阔的应用前景，但仍有大量关于FRP结构和FRP组合结构基本理论和设计方法的科研工作亟待进行，培养既了解复合材料设计又熟悉结构设计的复合型工程师也是非常急需的。
FRP材料是新兴的材料，FRP结构和FRP组合结构在结构工程中必然在新世纪中得到更加广泛的应用。