田麗芳（定西武陽水利水電工程有限公司）

探究CFRP筋材在土木建筑工程中的應(yīng)用

田麗芳
（定西武陽水利水電工程有限公司）

CFRP筋材，即是指碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，該型筋材優(yōu)勢(shì)眾多，比如，耐腐蝕性高、抗拉強(qiáng)度高、以及自重輕等，因此CFRP在土木工程中的應(yīng)用逐漸變得廣泛，且土木工程業(yè)界和復(fù)合材料界對(duì)其的關(guān)注也日益增大。本文就CFRP筋材的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、特性，以及其在土木工程中的實(shí)際應(yīng)用狀況進(jìn)行了簡要探究與分析，以作參考。

CFRP筋材；土木工程；現(xiàn)狀；應(yīng)用

前言：CFRP筋材主要是由連續(xù)碳纖維采用樹脂做浸染以后，再用特制的模具將其擠壓后拉拔成型，CFRP筋材一般可分為絞線類、棒類、片筋或是板筋、以及其余各種類型筋材在經(jīng)工廠加工成型后，而后在施工現(xiàn)場(chǎng)直接進(jìn)行拼裝。就目前來說，運(yùn)用得最為廣泛的便是絞線類與棒類。絞線類的形狀就如同鋼線，棒類則可以做成普通鋼筋的形狀，且主要包含有噴沙筋、光面筋和螺紋筋等幾種。

一、CFRP筋材的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在上世紀(jì)70年代的時(shí)候，CFRP筋材的應(yīng)用就已經(jīng)逐漸步向成熟，而在上世紀(jì)60年代的美國，便已將其運(yùn)用到土木工程中，可惜當(dāng)時(shí)的價(jià)格較高，且最終的試驗(yàn)效果也不如人意，故而在這之后的二十余年里，CFRP筋材在土木工程中并沒有獲得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。一直到上世紀(jì)80年代，歐美、日本等這些發(fā)達(dá)國家逐漸開始重視CFRP筋材在土木工程中的研究及其應(yīng)用，且并具體應(yīng)用范圍也比較廣，其中對(duì)于橋梁方面的應(yīng)用最多。

CFRP筋材在國內(nèi)的研究起步相對(duì)要晚些，直到上世紀(jì)90年代中后期才逐漸開始了對(duì)該筋材的研究和應(yīng)用。CFRP筋材在1999年中國臺(tái)灣地震災(zāi)害后的修補(bǔ)及其重建工程中發(fā)揮了非常大的作用，人們對(duì)這項(xiàng)新技術(shù)有了更深層次的認(rèn)識(shí)。隨著科技的發(fā)展以及CFRP筋材在土木工程應(yīng)用中的日益增多，國內(nèi)很多企業(yè)都相繼開始生產(chǎn)CFRP以及CFRP筋材，并且在修復(fù)及其加固混凝土結(jié)構(gòu)方面的理論方面相對(duì)比較成熟了，在技術(shù)上也越來越完善。

二、CFRP筋材的特性研究

碳纖維增強(qiáng)塑料筋，主要是經(jīng)連續(xù)纖維組成的一種各向異性復(fù)合型材料，不管是它的生產(chǎn)工藝、纖維體積分?jǐn)?shù)，還是樹脂類型、纖維方向，CFRP的性能都會(huì)受到這些因素的影響。

（一）物理性能。CFRP筋材的密度是鋼材密度的1/5～1/4，其自身密度在1250～2100kg/m3之間，纖維縱向或是橫向會(huì)造成熱膨脹系數(shù)產(chǎn)生差異，而差別的大小則主要是受到纖維與樹脂的類型，及其纖維的提及率的影響。

（二）力學(xué)性能。CFRP筋材的抗拉強(qiáng)度是普通I級(jí)鋼筋的4～5倍，可以說其抗拉強(qiáng)度相當(dāng)之高，且在受拉被破壞之前不會(huì)表現(xiàn)出任何的塑性，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系主要是線彈性，纖維體積分很大程度上影響著CFRP筋材的抗拉強(qiáng)度及其剛度。

（三）減震性能。由于CFRP筋材自震頻率較高，因此可有效防治其早期共振，同時(shí)內(nèi)部阻力也比較大，即便發(fā)生激震，衰減速度也會(huì)很快。

（四）產(chǎn)品形狀。CFRP的制備材料較為柔軟，而且樹脂也是流動(dòng)性的，因此，產(chǎn)品的形狀受限很小，著色方面也可以隨意進(jìn)行，從而達(dá)成材料美學(xué)及其結(jié)構(gòu)形式的完美統(tǒng)一、高效結(jié)合。

三、土木工程中CFRP筋材的應(yīng)用情況

隨著科技的發(fā)展，各類新材料被運(yùn)用到土木工程中，這也是世界建筑設(shè)計(jì)的主流發(fā)展，而土木工程中CFRP的應(yīng)用情況主要分為兩大類，即修復(fù)舊結(jié)構(gòu)、以及直接應(yīng)用于新結(jié)構(gòu)。

（一）修復(fù)舊結(jié)構(gòu)

在普通鋼筋混凝土以及預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的表面粘貼上CFRP，不僅施工工藝簡單、且效果明顯，而且該粘貼技術(shù)將混凝土柱、板，以及梁的抗壓、抗彎強(qiáng)度及其結(jié)構(gòu)表面的抗腐蝕能力往上提升一個(gè)檔次，同時(shí)，這種技術(shù)不會(huì)增加結(jié)構(gòu)的永久負(fù)荷。我國目前的粘貼CFRP的工藝技術(shù)已經(jīng)比較成熟，在應(yīng)用方面也逐漸增多。

（二）增強(qiáng)新結(jié)構(gòu)

（1）全負(fù)荷結(jié)構(gòu)體系。在FRP建造橋梁的面板、欄桿以及梁等方面的構(gòu)件，應(yīng)用的就是全負(fù)荷結(jié)構(gòu)體系，并最終組成復(fù)合材料橋。就比如，上世紀(jì)90年代后期，美國馬丁公司的研究與發(fā)展部，設(shè)計(jì)并制造出了一種全復(fù)合型材料高速公路的1/4橋面。該橋面尺寸是5.5m x 9.1m，總質(zhì)量為11.340t，大約可承受326.59kN的車輛負(fù)載（2）。該復(fù)合材料橋梁，就是先在工廠進(jìn)行FRP型材的事先預(yù)制，之后再連接成為一體，直接在現(xiàn)場(chǎng)裝配，如此在降低生產(chǎn)成本的同時(shí)，也有效保證了生產(chǎn)質(zhì)量。

（2）新型CFRP混凝土體系。

1 . CFRP棒增強(qiáng)混凝土。把碳纖維筋制作成類似鋼筋樣式的外形，用來替代鋼筋，，從而形成CFRP混凝土。美國設(shè)計(jì)者就制造出了一種CFRP混凝土的面板，其縱向受筋力是碳纖維棒，箍筋則是玻璃纖維筋，并用它代替取代了傳統(tǒng)的鋼筋混凝土面板（4）。

2 . CFRP圓管混凝土柱體系CSS。該體系是被最先設(shè)計(jì)出的一種標(biāo)準(zhǔn)復(fù)合型材料的混凝土結(jié)構(gòu)體系，其主要是通過混凝土填充的先進(jìn)復(fù)合材料甲板以及抗剪連接器等組合而成。在CFRP混凝土柱和面板中嵌進(jìn)連接組件，其中面板是玻璃纖維增強(qiáng)型的材料組合拼接而成的。這種結(jié)構(gòu)板在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)拼裝前，可事先在工廠加工好，其重量約為傳統(tǒng)材板的1/4，可大幅度的降低結(jié)構(gòu)重量。并且，試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，在該結(jié)構(gòu)體系加載到56kN的時(shí)候，且通過200 x 104次頻率是1Hz的循環(huán)加載之后，并沒有能夠降低其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。而在加載到490kN時(shí)，組件受到破壞，這主要是因?yàn)檫_(dá)到了設(shè)計(jì)屈服強(qiáng)度的8.8倍（3）。該次試驗(yàn)充分體現(xiàn)并證明出了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性。

3 . 大跨度懸索橋以及斜拉橋體系。當(dāng)橋梁建造跨度達(dá)到5km以上時(shí)，通常只能由CFRP來充當(dāng)繩索材料，同樣，也只能是CFRP來擔(dān)當(dāng)斜拉橋的主梁。這也充分說明了這一點(diǎn)，也就是當(dāng)跨度達(dá)到或是超過4km以上時(shí)，CFRP就會(huì)獲得極強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。若是再進(jìn)一步降低施工費(fèi)用及其使用期的維修費(fèi)用，那么這種超大跨度纖維橋梁毫無疑問會(huì)更有競(jìng)爭(zhēng)力，其帶來的經(jīng)濟(jì)效益也會(huì)明顯提高。

結(jié)束語

綜上所述，CFRP作為各向異性的一種新型材料，與傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)材料相比，它的材料性質(zhì)存有很大不同。結(jié)合到我國目前土木工程中CFRP材料的研究現(xiàn)狀及其應(yīng)用發(fā)展，尚還有許多改進(jìn)的問題。并且，在通過借鑒國外的一些發(fā)展經(jīng)驗(yàn)后，國內(nèi)首先應(yīng)加強(qiáng)研究CFRP的增強(qiáng)方式，應(yīng)用技術(shù)的開發(fā)、以及CFRP的更加標(biāo)準(zhǔn)化及其規(guī)范化工作的步伐，這也是進(jìn)一步提升土木工程的整體建筑質(zhì)量的一大重要途徑。

[1]張作誠,周建方.CFRP筋材在土木建筑工程中的應(yīng)用[J].河海大學(xué)常州分校學(xué)報(bào),2005,01:23-27.

[2]諸葛萍,章子華,丁勇,盧彭真.土木工程用CFRP筋彎折抗拉性能[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào),2014,05:1300-1305.

[3]季園園,韓慶華,蘆燕,劉錫良.CFRP在土木工程中的應(yīng)用研究[J].結(jié)構(gòu)工程師,2014,05:210-219.

[4]周先雁,王蘭彩.碳纖維復(fù)合材料(CFRP)在土木工程中的應(yīng)用綜述[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào),2007,05:26-32.

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