土木工程应用FRP是必然趋势
高性能纤维增强复合材料（简称FRP）是航空航天等重大装备不可替代的结构和功能性材料，近年来在轨道交通、能源电力、建筑工程等民用领域发展也日渐蓬勃。由于高性能纤维复材比强度、比模量高，耐久性好，电磁感应低，且易加工成型、结构形式丰富、施工便捷，在土木工程中应用，能够解决传统材料不能解决或不好解决的技术难题，满足新型建筑更高、更大、更快、更美等结构功能一体化需求，是提升土木工程能效、品质和建设效率的必然趋势，也是国际土木工程行业技术变革的重要方向。
党的十九大明确提出创新驱动、可持续发展等国家发展战略和科技强国、海洋强国等强国目标。深入推进海洋工程、国防工程、特种工业工程等国家重大工程实施，高质量实现生态岛礁、海上浮式平台、超长大跨桥梁、海底柔式隧道等一批难度极大、建设要求极高的重大基础设施建设，对高性能结构功能一体化的新型建材及其配套装备技术提出了迫切需求。高性能纤维复材的结构性能与传统材料相比存在本质差别，影响其应用设计方法差异显著，需要充分了解复合材料和土木工程两大领域技术优势及发展需求，有效解决纤维复材及其结构构件高效能设计制备、可靠检测评价、极端环境安全应用、快速施工等系列关键技术，使好材料充分发挥优势。
FRP土木工程创新发展现状及趋势
FRP在土木工程领域主要应用包括对既有建构筑物的加固补强和新建结构两大类。
（1）加固修复既有建构筑物
新型纤维复材加固修复既有建构筑物，具有适用面广、加固补强/抗震效果明显、施工能耗低、污染小、效率高等优势，特别在抗震救灾和震后重建工作中，能够较短时间完成大量受损结构的快速加固补强，社会影响力巨大。未来在文物保护、重要既有结构设施的快速加固维护，以及应急抢险等领域仍具有重要社会意义和经济价值。
目前国际土木工程纤维复材研究发展技术方向主要集中在结构加固修复领域，先进复材自动化成型技术、3D打印、机器人智能加固等创新技术是该领域的发展趋势，应用领域包括建筑结构、桥梁、隧道、地下结构、水工结构、港口码头及管道等全方面。
（2）应用于新建结构
随着高性能纤维制造成本的大幅降低和复材设计制造技术的不断成熟，高性能纤维复材及其构件的结构功能优越性不断突显，逐渐在新型结构中发挥优势。
①复材索及超长大跨结构
采用拉挤成型工艺制备的纤维复材索，外观与钢索相似，但强度、模量、耐久性等较钢索极大提高。采用纤维复材筋/索能够极大减轻结构自重，显著提高结构理论极限跨度比，在超长大跨结构中应用优势突出。
研究认为，采用CFRP拉索的索支桥梁将把钢索支桥梁的极限跨度从千米级提升至万米级，并对FRP索支大跨桥梁的可行性进行了分析。目前已有的工程实践包括一些CFRP索的斜拉桥（图1）、单跨悬索桥、系杆拱桥和悬带桥，跨度基本在百米以内。针对超长大跨结构FRP拉索桥梁的理论设计与性能研究，包括桥梁体系的动力特性、耐久性能和长期服役性能，以及FRP索的可靠锚固等关键技术仍在深入探究中。
FRP索在大跨屋盖中的设计应用也是近年来创新研究的亮点之一。德国柏林工业大学Schlaich团队充分考虑FRP索沿纤维轴方向抗拉强度、模量远大于垂直方向的特性，设计建造了由8根径向碳纤维拉索、内外压环及支柱等组成的直径4m的小型轮辐式复材索结构屋盖（图2）。之后提出了多种可能的碳纤维复材索结构形式，包括连续索结构（图3），该结构只采用一根碳纤维复材连续拉索，既充分发挥了FRP索抗拉性能优势，又有效避免了连接锚固难题。在FRP索的高效设计应用方面具有开创性启发。
②复材型材及特殊装备
采用拉挤成型等工艺制备的复材型材，具有可预制化、自重轻、承载力强、耐环境腐蚀、良好的电磁特性、搭建快捷等特点。在军用领域，复材型材桥面板或全FRP结构桥梁，在军事快速运送、架设应急桥梁方面具有独到优势（图4）。在电磁通讯领域，是通讯设备天线罩（图5）、大功率电磁设备配套装置、地磁观测台等方面不可或缺的结构性材料。
③复材功能板、曲面板及功能建筑
纤维复材可制成带肋板、空心或夹心板等，并易于形成波纹、曲面、球体、异型等各类结构形态。不仅能够充分发挥复材板高强度、抗冲击、长耐久、低磁感应等性能优势，同时保温隔热好，造型丰富，加工便捷，可实现非线性建筑美学与结构功能一体化。一些典型的功能建筑如香奈儿展馆（图6、图7）等大量使用此种材料，设计制造迅速。工厂首先模具化批量生产复材板，现场仅用一台吊车即可实现快速拆装，已在世界多个城市进行巡展。
④跨学科设计建造与概念结构
近年来，生物仿生、智能制造、3D打印等多学科交叉协同，为纤维复材创新设计建造提供了更多可能性。典型案例包括德国斯图加特大学的计算设计研究所（ICD）和结构与结构设计研究所（ITKE）合作发明的系列概念型展馆，其中一些纤维复材缠绕结构全部由多轴机器人完成。制造过程采用多类模型不断评估预期几何结构与实际纤维铺层、截面位置、几何形态的偏差，在建筑设计、结构要求和制造约束之间进行有效协调。
存在问题及面临挑战
21世纪，新材料及其结构的创新发展日新月异，应用领域技术变革速度远超以往。我国纤维复材技术从跟踪发展起步，目前已形成了制造技术体系，其在土木工程领域的研究及应用也积累了大量成果。2000年后颁布的《纤维增强复合材料建设工程应用技术规范》等系列国家及行业标准，对指导纤维复材土木工程可靠性设计应用起到重要保障和推进作用。目前国内纤维复材土木工程研究应用部分技术方向活跃程度甚至赶超发达国家。
但是相较国际先进水平，我国基础制造技术和装备能力仍有不小差距，土木工程用复材品种单一，性能稳定性不足，综合制造成本居高不下。工程应用纤维复材结构功能一体化高效设计不足，复材连接锚固、长效可靠性考核验证、极端环境施工等关键技术尚不完善，缺少成套的技术方案。
以土木工程示范应用为牵引，全面促进高性能纤维复材集成制造、表征评价、应用施工、安全监测及寿命评估等全过程关键技术协同发展，逐步完善创新成果体系，对促进复合材料及土木工程两大领域技术创新发展，保障国民经济和国防安全建设具有重要支撑作用。
纤维复材土木工程创新发展及建议
21世纪技术创新发展离不开多学科综合研究和交叉研究，土木工程又是投入大、服役周期长、社会影响力显著的重要领域，充分了解和吸收优势学科创新技术，合力打通纤维复材工程应用全产业链技术壁垒，形成土木工程纤维复材设计应用全套技术及标准体系，是实现纤维复材土木领域深入应用的根本保障。