纤维增强复材掘金新建结构潜力大

■ 中冶建筑研究总院有限公司   丁一   陈小兵   李荣

    目前，以碳纤维布为代表的复材片材已成为一种重要的结构加固材料，在民用建筑加固改造、工业构筑物加固改造、市政设施建设项目中得到了广泛应用。复材具有轻质高强、良好的耐腐蚀性、可设计性强、非磁性、膨胀系数小等优势。此外，复材为线弹性材料，在发生较大变形后还能恢复原状，对于承受较大动载和冲击荷载的结构较为有利。鉴于此，复材在一些特殊建筑中能够发挥其他建材难以取代的作用。

复材-混凝土组合形式多样

  　　复材-混凝土组合结构充分利用了复材与混凝土两种材料的特性和优点，可以提供良好的力学性能和使用性能，满足不同施工条件、不同复杂环境下的使用要求。尤其是在海洋工程、交通道路、桥梁隧道、市政工程等使用环境复杂、对材料性能要求高的大型工程中更能发挥该新型组合结构的技术优势。

    1．复材筋-混凝土组合结构

  　　混凝土结构处于恶劣环境条件时，极易引起钢筋的腐蚀，严重影响结构的耐久性和适用性，甚至导致结构承载能力的降低。相比之下，防腐性能好、粘结性能与钢筋相差不多且抗拉强度高的复材筋成为代替钢筋的一个较好选择。

  　　复材筋由若干股连续纤维束按特定工艺经配套树脂浸渍固化而成，按形状来划分，通过拉挤成型的条棒状直线型复材筋一般称为筋材或棒材，包括表面光圆筋和表面变形筋，此类筋刚度较大，不易弯曲；将纤维束扭成绞状呈复合绳形式的复材筋称为索或绞线，为单股或多股，刚度较小，可以弯曲绕成卷。

  　　20世纪60年代初，美国Marshall-Vega公司生产出玻纤复材筋，用于解决近海地区和寒冷地区的钢筋混凝土结构遭受盐蚀危害的问题。80年代开始，复材筋逐渐大量应用于有特殊性能要求的结构物中代替钢筋，如有磁共振医疗设备的建筑及海堤、工业厂房屋面板等受严重化学侵蚀的结构物中，经二十多年的跟踪监测，复材筋-混凝土的工作状况良好，全寿命期的综合经济性优于频繁维护翻修的钢筋混凝土结构。

  　　复材筋、绞线的另一种使用形式是预应力混凝土结构，目前多用于桥梁工程。德国于1986年在杜塞尔多夫建成了世界上第一座采用玻纤复材筋的预应力混凝土公路桥——Ulenberg Strass桥。该桥梁在上部结构板中使用了59根复料预应力筋，每根筋由19根直径7.5毫米的E玻璃纤维筋组成，全桥共使用了4吨玻纤复材筋。

    2.复材网格-混凝土组合结构

  　　复材网格是将碳纤维等高性能连续纤维浸渍于耐腐蚀性能良好的树脂中形成的整体网格，纤维经树脂浸润并固化后具有较高的强度和刚度，不同于编制成型的柔性格栅。

  　　复材网格具有轻质、高强、易被制成各种复杂形状等特点，使用方便，施工简单迅捷，可替代钢筋使用于新建混凝土结构中，特别适用于墙、板等，成为在特殊条件下应用时的一种基本材料，可形成一种新的体系，而不仅仅是对传统复材的补充。

  　　复材网格的工程应用始于20世纪80年代，日本最早将玻璃纤维网格用于结构加固，而后碳纤维网格得到了迅速发展，工程应用量迅速增加，现已被广泛使用在隧道、飞机跑道、停机坪、桥梁、高速公路、建筑物、沟渠等诸多新建工程和加固改造工程中。

  　　例如在地下结构、隧道盾构等工程的施工中，可使用复材网格作为受力筋材与混凝土形成地下连续墙体，当盾构机施工运行遇到连续墙体时，可直接进行切割，而不必像遇上钢筋混凝土墙体时需要进行人工切割，节省了大量的人力和时间，又降低了施工风险。

  　　此外，复材网格自重轻，且基本呈薄片状，易于加工成各种形状，可作为预制构件的主要受力材料，特别适合生产板、管、围护结构等预制构件。例如美国的C-GRID复材网格已被用于预制隔热墙板、预制建筑面板、双T梁等产品。

    3.复材管-混凝土组合结构

　　  复材管为多向纤维铺设的层合壳体，由缠绕法、离心浇铸法和挤拉成形法等方法制作，可采用环向和±α°方向（如±45°）铺设碳纤维或玻璃纤维。在复材管内浇灌混凝土可形成复材管-混凝土组合构件。

　  　复材管-混凝土抗震性能优越，在设计时可不配筋或减少配筋，而且施工时不需模板，管材重量轻，施工简便快速，可减小施工工作量，降低造价。复材管-混凝土耐腐蚀，可在水下长期使用，尤其适合在水工结构和海洋工程中使用，其维护费用低，长期经济效益具有较明显的优势。

独立结构件桥梁工程中显身手

    除了与混凝土组合使用，复材也可作为独立的结构构件单独使用，甚至组成全复材结构。早期的复材结构，大多带有一定的试验性质，尚未在土木工程中形成规模。随着复材生产技术和产品形式的迅速发展，复材结构在桥梁工程中得到迅速发展。

  　　碳纤维复材制成的平行丝束，具有耐腐蚀、高强、弹性模量与钢相近和抗疲劳性能好等优点，是制作斜拉索和吊索的理想材料。瑞士于1996年建成的Winterthern Storchenbrucke桥是一座63+61米的单塔斜拉组合加劲梁桥，桥塔为A型，高38米。该桥的24根拉锁中有2根是碳纤维复合材料拉索，每根拉索由241根5毫米的碳纤维复材筋束组成。日本在Kurushima悬索桥(跨径1030米)中，首次采用碳纤维束作为锚道的主要缆索，碳纤维索的自重只有钢缆索的1/5，可以减小索的初始应力。

　　  我国研制了具有自主知识产权的直筒内锥式碳纤维复材索锚具，研发出碳纤维复材拉索的制索、挂索、锚索的成套工艺，并于2005年建成了第一座碳纤维复材索斜拉桥——江苏大学西山人行天桥。该桥为独塔双索面钢筋混凝土斜拉桥，跨径为30+18.4米，桥面宽度为5米，索塔两侧各布置4对碳纤维复材拉索，拉索外包HDPE护套，总计用索3061米左右。

  　　全复材结构在桥梁工程中也得到了一定应用，该结构的理论寿命可达上百年，而且服役期间可实现免维护，近年来在欧洲得到了很大的发展，目前已建成上百座复材结构的小型人行桥和景观桥。例如，世界上第一座全复材结构桥——苏格兰Aberfeldy人行桥，全长113m，主跨为63m，双塔双索面斜拉体系，其桥塔、梁、桥面板和栏杆等都是用在工厂预先制造的挤拉成型的玻纤复材型材，桥索选用芳纶纤维制造的缆绳，全桥现场安装仅用6周时间。

海洋工程中大有可为

　　  根据我国现阶段的战略性发展规划，我国将进行广泛的海洋资源开发和海上交通运输基础设施建设，涉及港口码头、海洋石油平台、岛礁工程建设、跨海大桥等诸多领域。目前此类设施多为钢筋混凝土结构和钢结构，而海洋环境是非常苛刻的腐蚀环境，传统钢筋混凝土结构和钢结构的耐久性在该环境下面临严峻考验。

  　　除此之外，海洋工程，尤其是远离陆地的远海岛礁建设工程，还面临建筑原材料匮乏、海上运输困难、服役环境恶劣、自然灾害频发、地质条件复杂、施工条件有限等诸多难题，为国家开展大规模海洋基础设施建设、战略物资储备和海上资源开发等带来诸多困难。

  　　综合考虑海洋工程建设的各项技术要求，结构材料应具有高强度、低容重、高耐久性、易成型、施工便捷等综合性能，而复材已经通过大量的研究和工程应用证明具备了以上这些性能要求，是解决海洋工程建设在材料耐久性、施工技术等方面诸多难点的理想选择。此外，对于远海岛礁建设，复材还可与海水海砂（珊瑚砂）混凝土组合使用，形成复材-海水海砂混凝土组合结构，从根本上解决就地取材的问题，极大地降低工程的运输成本和建设成本。

  　　对远海岛礁建设，以“运输原料少量化、预制构件轻量化、工程构筑快速化、建筑结构长寿命化”为宗旨，可以通过复材-混凝土组合结构形成桩基、平台梁、平台板等构件，快速构筑成海上平台结构。

  　　中冶建筑研究总院有限公司通过与海军设计局等单位合作，于2015年完成了高性能复材在南海岛礁建设中的某示范项目。该项目作为航道导航标志，长期处于海洋浪溅区，对结构的耐久性有严格的要求，因此采用耐腐蚀性良好的碳纤维筋（部分次要结构使用玻璃纤维筋）代替钢筋与混凝土组合使用，是复材在远海建设工程中的首个示范应用。

  　　复材在土木工程中的应用研究是目前土木工程领域的热门学科，而我国目前也已成为国际上土木工程行业复材使用量最大的国家之一。但是国内的建设行业对复材的理解仍主要集中在既有结构的加固和一些简单的应用上，由于技术投资门槛较高，而且对全生命周期的经济性的认识也不够深入，目前的相关工程应用较少。

  　　国家重大基础设施建设和各行业的建构筑物建设都对结构的安全性和使用寿命提出越来越高的要求，对以复材为代表的新型高性能建筑材料的需求也愈发迫切。相信在不久的将来，复材在新建结构中的应用将成为一个发展势头强劲、市场容量巨大的新兴产业。