纤维增强复合材料在土木工程中的应用

纤维增强复合材料在土木工程中的应用
摘要
纤维增强复合材料是一种新型材料，具有强度高、质量轻等诸多优势，且具有良好的耐腐蚀性和耐疲劳性。

纤维增强复合材料能实现对钢筋腐蚀的有效处理，且能实现混凝土结构耐久性能的大幅度提高。

本文简述了纤维增强聚合物筋混凝土梁正截面抗烈度计算以及承载力计算，浅析了纤维增强复合材料的耐久性特点，探究了纤维增强复合材料在土木工程中的应用，以期为纤维增强复合材料的应用提供借鉴。

关键词：纤维增强复合材料；土木工程；混凝土
引言：在混凝土结构中，呈碱性的混凝土在诸多侵蚀因素的不良影响下，其钢筋保护会逐渐丧失，进而导致大幅度混凝土结构的耐久性。

同时，混凝土内部钢筋锈蚀会严重损害混凝土结构质量。

因此，在土木工程中，采取有效技术措施和方法加强对钢筋的有效保护，并切实保障混凝土结构的耐久性和质量具有至关重要的意义。

纤维增强复合材料具有较强的抗裂度和承载力，且具有显著的耐久性优势，在土木工程中得到了日渐广泛的应用。

第一章：纤维增强聚合物筋混凝土梁正截面抗裂度计算
1、纤维增强聚合物混凝土梁正截面抗裂度计算方法
纤维增强聚合物筋混凝土梁正截面在濒临开裂状态时，可采用下式对开裂弯矩进行计算：
s t c f cr W f M M M =+= （1）
在上式中，f M 表示纤维增强聚合物筋所承受的实际弯矩；c M 表示的是混凝土所承受的实际弯矩；t f 表示的是混凝土所呈现的峰值实际拉应力；s W 表示的是对混凝土梁相应受拉区域所具备的塑性变形产生的影响进行综合考虑的纤维增强聚合物筋混凝土梁正截面所呈现的弹塑性实际抵抗矩[1]。

当对塑性系数m γ进行采用来对混凝土梁受拉区域所具备的弹塑性具体发展程度进行反映时，其截面应力大体上呈现出线性分布的状态，其受拉边缘部位所具备的实际应力用t m f γ表示[2]。

可采用下式对开裂弯矩进行计算：
t
t m t m cr y I f W f M 00γγ== （2） 在上式中，m γ表示的是混凝土梁截面所具备的抵抗矩实际塑性系数；0W 表示的是对纤维增强聚合物筋进行混凝土转换折算，转换折算之后混凝土梁截面对受力区域边缘产生的实际弹性抵抗矩；0I 表示的是混凝土梁换算截面具备的实际
惯性矩；t y 表示的是混凝土梁受拉区域边缘部位到中心轴的实际距离[3]。

对上式（1）和上式（2）进行比较，可得出下式： 0/W W s m =γ （3）
2、抵抗矩的表达式
（1）、弹塑性抵抗矩
通过采取综合方法进行比较，应采用以下关系式对混凝土受拉应力应变关系进行表示：
t t f εεσ= 0≤ε≤0t ε )1(00t tu t t f εεεεα
σ---=0t ε≤ε≤tu ε （4） 在上式中，0t ε表示的是与t f 相对应的混凝土峰值呈现的实际拉应变；tu ε表示的是混凝土所具备的极限拉应变；α表示的是一个系数[4]。

遵循上式（4）表示的混凝土受拉应力应变关系，可得出纤维增强聚合物筋混凝土梁处于开裂状态情况下截面呈现的实际应力分布如下图1所示：
图 1 纤维增强聚合物筋混凝土梁处于开裂状态情况下截面呈现的实际应力分布图
①、受压区高度0x
对上图1进行观察分析，可得出受压区距离中性轴y 部位混凝土的实际应力
σ可用下式进行表示：
y x h f y x h f t t
t tu 000/-=-=γεεσ （5）
在上式中，0/t tu εεγ=
可对受压区混凝土具备的合力D 、受拉区上半部混凝土具备的合力1T 、受拉区下半部混凝土具备的合力2T 以及受拉纤维增强聚合物筋具备的拉力f T 构建关系式[5]。

根据静力平衡条件f T T T D ++=21，可得受压区高度0x 可用如下方程式进行表示：
t f t t t f x h x h A n a f x h b f x h b x h f x b 0
00000202)1)(2()(2)()(2--+---+-=-γγγγγ （6） 对上述方程式进行化简可得到如下式子：
A
AC B B x 2420-+-= 在化简所得的式子中，)]1)(2(1[2--+-=γγa A
f A n b
h a B 22)]1)(2(1[2γγ+--+= 0222)]1)(2(1[h A n b
h a C f γγ---+-= 在上式（6）中，c f E E n /=；0h 表示的是混凝土梁截面所具备的有效高度；f A 表示的是纤维增强聚合物筋横截面所具备的具体面积；f E 表示的是纤维增强聚合物筋所具备的实际弹性模量；c E 表示的是混凝土所具备的初始弹性模量[6]。

②、开裂弯矩cr M
受压区混凝土所具备的内力、受拉区上半部分及下半部分混凝土所具备的内力均对中性轴分别取矩，则混凝土承受的实际弯矩可用下式表示：
t c f x h b C x h b x h x b M ])(3)()(3[20122
0030-+-+-=γ
γ （8） 在上式中，]1)2(3)23)(1([2)1)(2(1γ
γγγγ+-----=a a a C 纤维增强聚合物筋所具备拉力对中性轴进行取矩可得下式：
t f f f f x h x h A n x h T M 02
0000)()(--=-∙=γ （9）
将上式（8）和上式（9）代入上式（1）中可得：
2002020030)()(132)()(3x h x h A n x h b C x h b x h x b W f s --+-+-+-=γγγ （10） 对上式（10）进行分析可知，系数α和系数γ的实际取值对于开裂荷载的计算值具有较大的影响。

对钢筋混凝土梁抗裂度的计算方法进行参考，当系数γ的取值为2时，α的值在0.7—1.0的范围之间时，开裂荷载所得的计算值与相应
的试验值具有较高的吻合程度[7]。

（2）、弹性抵抗矩
将纤维增强聚合物筋混凝土截面进行对单一混凝土截面的换算，对单一材料混凝土截面所具备的弹性抵抗矩进行计算。

对图1进行观察分析可知，受压区以及受拉区对于混凝土梁截面中性轴具有相等的面积矩相，可用下式对受压区高度c x 进行表示：
f
f c A n bh h A n bh x )1()1(2102-+-+= （11） 进而可知，纤维增强聚合物筋混凝土梁换算截面所具备的惯性矩可用以下式子表示：
20330)()1(])([3
c f c c x h A n x h x b I --+-+= （12） 因此，c
x h I W -=00 （3）、相关结论
综上所述，对纤维增强聚合物筋混凝土梁而言，其实际配筋率会影响其开裂弯矩，但呈现出的影响相对较小。

当纤维增强聚合物筋混凝土梁其截面呈现开裂状态时，纤维增强聚合物筋相对于钢筋而言，具有较小的作用，纤维增强聚合物筋混凝土梁可采取1.15作为其塑性系数的具体取值[8]。

通过上式（4）对混凝土梁截面受拉区所具备的拉应力的具体分布情况进行反映，可构建纤维增强聚合物筋混凝土梁正截面抗裂度的计算方法。

第二章：纤维增强聚合物筋混凝土梁正截面承载力计算
2.1纤维增强聚合物筋率对极限承载力的影响
对部分纤维增强聚合物混凝土梁进行极限弯矩的试验，所得试验数据如下表1所示：
上表中'c f 表示的是混凝土圆柱体抗压强度，通过式子/'c cu f f =0.83可对之进行换算，使之成为混凝土立方体抗压强度。

对纤维增强聚合筋所具备的配筋率以及极限承载力之间的关系进行分析，需对系数u α进行引入，以实现对混凝土强度所造成影响的有效消除，该系数可用如下式子进行定义表示：
c
ex u u f bh M 20.=α 在上式中，ue M 表示的是基于试验数据所得的极限弯矩；b 表示的是混凝土梁截面的实际宽度；0h 表示的是混凝土梁截面所具备的有效高度；c f 表示的是所具备的棱柱体轴心的实际抗压强度，对之作如下取值：cu c f f 76.0=。

当纤维增强聚合筋混凝土梁的配筋率限制在一定范围之内时，所能承受的极限承载力与其配筋率呈现出正比例关系，随着配筋率的逐渐增大，纤维增强聚合筋混凝土所能承受的极限承载力也越大，同时，受压区的实际面积也将逐渐增大
[9]。

2.2极限承载力计算模型建立
类似于钢筋混凝土梁的破坏形式，纤维增强聚合筋混凝土梁正截面也具备超筋、少筋和适筋三种形式的受弯破坏。

纤维增强聚合筋混凝土所采用的材料，诸如纤维增强聚合筋以及混凝土均是常见的脆性材料，相应地其受弯破坏也呈现出显著脆性的相关特点。

纤维增强聚合筋混凝土构件产生破坏，通常是因为其受拉区部位的混凝土在压力作用下出现破碎，纵向受力纤维增强聚合筋通常不会产生变形，这是由于纤维增强聚合筋承受了全部的截面拉应力，在拉力剧增的情况下，筋材极易出现拉断。

对混凝土梁和纤维增强聚合筋混凝土梁的破坏形式进行分析可知，二者在破坏形式上都呈现出脆性破坏特征，但混凝土梁在受压破坏时，会呈现出塑性变形的相关特点，产生部分裂缝预兆，且在受压破坏的情况下，混凝土构件通常产生较小的挠度以及裂缝宽度。

因此，可将混凝土受压破坏情况，或者是纤维增强聚合筋受拉破坏情况作为依据设计纤维增强聚合筋混凝土梁。

为实现与现行混凝土结构设计相关规范的有效衔接，本文将以纤维增强聚合筋受拉破坏为依据，对其受弯构件所能承受的极限承载力进行研究。

遵循混凝土结构设计的相关原理，对纤维增强聚合筋混凝土梁进行设计，需
对纤维增强聚合筋名义屈服强度概念进行引入。

对现有混凝土受弯构件的相关计算方法进行参照，对纤维增强聚合筋名义屈服强度进行假设，对纤维增强聚合筋
的受拉应变进行有效控制，对构件实施适筋梁破坏设计[10]。

对强度以及延性等各
项因素进行综合考虑，采用下式对纤维增强聚合筋名义屈服点进行定义：
u u f σλσλ=
在上式中，λσf 表示的是纤维增强聚合筋名义屈服点强度；u λ表示纤维增强聚合筋所具备的强度折减具体系数；u σ表示的是纤维增强聚合筋所具备的极限强度。

1、纤维增强聚合筋的应力应变关系以及混凝土等效矩形应力图系数
对试验结果进行分析可知，纤维增强聚合筋的应力应变呈现出显著的线弹性关系，可采用如下关系式进行表示：
f f f E εσ= 0≤ε≤u ε
在上式中，f E 表示的是纤维增强聚合筋所具备的受拉弹性模量；u ε表示的是纤维增强聚合筋所具备的受拉极限应变。

根据f f f E εσ= 0≤ε≤u ε，可的名义屈服应变为f f E /λλσε=。

将截面应变假设为呈现直线分布状态，且忽略对拉区混凝土相关作用的考虑，则混凝土受压应变关系可采用下式进行表示：
])(2[20
00εεεεσσ-= 0≤ε≤0ε （2.1） 0σσ=0ε≤ε≤cu ε
在上式中，0ε表示的是当混凝土压应力达到c f 时，相应的混凝土压应变，当计算所用的0ε值在0.002以下时，应对之取值为0.002；=0σ 1.1c f ；cu ε表示的是纤维增强聚合筋混凝土梁在非均匀受压状态下呈现出的混凝土极限压应变，对钢混结构的相关处理方法进行借鉴，可根据u ε=0.0033-（50,-k cu f ）×10-5来求解混凝土的极限压应变。

当计算所用的cu ε的值在0.0033以上时，应对之取值为0.0033。

k cu f ,表示的是混凝土立方体实际抗压强度标准值[11]。

为增强计算的简便性，当纤维增强聚合筋混凝土梁所承受的承载力达到极限状态时，可采用等效矩形应力图对受压区混凝土相应的应力曲线分布图进行代替。

等效，其含义是指两个图形的不仅具有相等的混凝土总压应力，还要具有相同的总压应力相关作用位置。

1a 表示等效矩形应力系数、1β表示受压区高度系
数，1a 、1β等具体值由混凝土受压应力应变关系所决定。

当按照上述公式（2.1）对混凝土受压应力应变关系进行计算时，有下列式子：
cu
cu cu εεεεεεβ31)(6132102
001-+-= （2.2a ） ]1[1
011cu
a εεβ-= （2.2
b ） 当纤维增强聚合筋混凝土梁截面在均匀受压状态下，对0ε取值为0.002，对cu ε取值为0.0033。

当纤维增强聚合筋混凝土梁截面在非均匀受压状态下时，可按照上式u ε=0.0033-（50,-k cu f ）×10-5对混凝土极限压应变进行计算[12]。

当计算值在0.0033时，对之取值0.0033。

（二）单筋、双筋矩形截面承载力基本计算公式
1、单筋矩形截面承载力基本计算公式
单筋矩形截面，是指只将纵向受力纤维增强聚合筋在截面受拉区进行配置。

纤维增强聚合筋混凝土梁截面在呈现破坏状态之前，尚保持静力平衡的相应状态，在水平轴方向上，合力呈现为零。

∑=,0x f f x A b a λσσ=01
对混凝土受拉区所含纵向纤维增强聚合筋所具备的合力作用点进行取矩，有 )2/(001x h bx a M u -≤σ或者)2/(0x h A M f f u -≤λσ
2、双筋矩形截面承载力基本计算公式
对纤维增强聚合筋以及钢筋双筋矩形截面量进行设计，在纤维增强聚合筋混凝土梁相应的受压区部位对钢筋进行布置，在相应的受拉区部位对纤维增强聚合筋进行布置。

当纤维增强聚合筋混凝土梁受压区部位钢筋的具体应力与屈服强度相同时，可用以下公式对强度进行计算：
f f s y A A f bx a λσσ=+''01
)()2/('0''001s S y u a h A f x h bx a M -+-≤σ
在上式中，'S A 表示的是纤维增强聚合筋混凝土梁受压部位钢筋的具体面积；
'y f 表示的是纤维增强聚合筋混凝土梁受压区钢筋的具体屈服强度；'s a 表示的是纤维增强聚合筋混凝土梁受压区边缘到纵向受力钢筋合力作用点的实际距离[13]。

第三章：纤维增强复合材料耐久性
3.1纤维材料特性
3.1.1碳纤维材料特性
碳纤维具有类似于石墨晶体的内部结构，呈现出较高的强度和良好的模量。

碳纤维具有良好的化学性能，具体体现在两方面：（1）氧化性。

在400℃以上的温度环境中，碳纤维会发生显著的氧化反应。

因此，在空气环境下，相对于玻璃纤维，碳纤维具备的耐热性能相对较低。

采用30%的磷酸对模量较高的碳纤维进行抗氧化处理之后，其抗氧化性显著提高。

（2）耐腐蚀性。

在常温环境下，碳纤维的化学性能较为稳定，具有良好的耐腐蚀性和耐酸碱性[14]。

3.1.2玻璃纤维材料特性
玻璃纤维通常具有两部分强度损失，一部分是可逆强度损失，一部分是不可逆强度损失。

使用水对玻璃纤维进行浸泡，会产生相应的物理作用，导致玻璃纤维的部分强度损失，此类损失属于可逆的轻度损失，经相关干燥处理，即可恢复所损失的部分强度。

玻璃纤维遇水发生反应，也会导致玻璃纤维的部分强度损失，此类损失属于不可逆损失，且这部分强度损失无法恢复。

通常，玻璃纤维具有良好的耐腐蚀性，玻璃纤维中含有的碱越多，其耐久性越差。

3.1.3芳纶纤维材料特性
芳纶纤维材料具有较高的商业化水平，在实际中应用极为广泛。

常见的芳纶纤维有两类：（1）对位芳香族聚酰胺纤维。

此类芳纶纤维具有较高的强度，且韧性良好，具有显著的抗疲劳性。

同时，此类芳纶纤维具有较高的熔点，不易燃烧，稳定性显著。

（2）间位芳香族聚酰胺纤维。

此类芳纶纤维具有良好的绝缘性和较小的导热系数，呈现出显著的耐高温及耐腐蚀性，且具有良好的抗电磁性，但缺乏较高的强度和模量，难以将之作为增强纤维在复合材料中运用。

3.2基体材料特性
3.2.1基体材料基本组分及作用
（1）、基体材料的基本组分
基体材料最重要的组成部分是聚合物，聚合物直接影响复合材料的各项性能。

基体材料中常用的树脂主要是热固性、热塑性树脂。

树脂的使用能有效防止各类腐蚀对纤维的侵害，且能实现对剪力的良好传递。

其中，最常用的热固性树脂是酚醛树脂。

此类树脂在高压环境下可实现固化，树脂固化之后呈现出显著的耐高温性、耐腐蚀性。

但此类树脂材料呈现出显著脆性，很少在碳纤维增强复合材料中应用。

3.2.2基体材料的作用
在复合材料中，基体将复合材料受力对纤维进行传递，实现了对材料荷载的承受及传递。

纤维依赖基体支撑对压力进行承受，另外，基体实现了对纤维弯曲的有效承受。

在复合材料中，基体对于保护纤维，避免各种腐蚀对纤维的侵害具有至关重要的作用。

基体对于复合材料的部分性质具有决定性影响。

1、基体材料性能
（1）、力学性能
基体强度受到分子作用力的决定性影响。

基体材料存在一定缺陷，当材料应力尚未达到理论强度时，材料缺陷部位即达到强度限值，导致材料破坏及性能丧失。

基体材料能实现对纤维的应力传递。

在受拉情况下，基体相对承载较少的荷载，主要由纤维对荷载进行承受，基体在受拉情况下具有较强的黏结力和弹性模量。

（2）、耐腐蚀性能
化学物质会对数字形成渗透，造成高聚物出现溶胀；在化学反应下，树脂主价键会发生裂解等。

上述反应均会大幅度降低树脂性能。

通常，树脂交联度越大，
其耐腐蚀性越强。

因此，要强化对热固数字的固化控制，避免过低的固化程度对树脂耐腐蚀性能造成严重不良影响。

（二）腐蚀机理
1、碱环境下纤维增强复合材料的腐蚀机理
在化学作用下，树脂内部化学键遭受破坏，进而破坏树脂整体结构，造成树脂性能大幅度下降。

因此，树脂所具备的化学结构对其耐腐蚀性具有决定性影响。

在物理作用下，基体对各类介质进行吸附，会由于溶解、溶胀等影响破坏树脂整体结构，并大幅度降低其性能。

2、酸环境下纤维增强复合材料的腐蚀机理
在温度濒于80℃的酸性环境下，纤维增强复合材料会出现性能退化。

因此，不适合在高温潮湿的工程环境下对纤维增强复合材料进行使用。

纤维增强复合材料会对环境水分进行吸收，产生化学反应。

在初期的化学反应过程中，树脂材料会与氯离子产生醚键化学反应，增加试件材料质量。

3、在酸碱环境下纤维增强复合材料的力学性能
另外，在碱性较强的环境下，纤维增强聚合筋的耐久性及抗拉强度会出现大幅度下降。

纤维增强复合材料主要由纤维对荷载进行承担，纤维具有相对稳定的化学性质，且在酸碱环境下，不会与之发生化学反应。

在酸碱环境下，树脂会与之发生化学反应，产生膨胀，进而导致树脂与纤维二者之间粘结性能的破坏，导致材料力学性能的相对下降。

酸碱溶液会逐渐加剧腐蚀树脂材料，导致材料强度下降。

（三）与钢筋耐久性对比
1、腐蚀对钢筋强度的影响
钢筋在化学侵蚀等的影响下，会产生电化学反应，导致钢筋强度下降。

钢筋腐蚀会造成钢筋平均截面出现减少，并改变钢筋化学结构及性能。

另外，不均匀的腐蚀会导致钢筋应力腐蚀。

2、腐蚀对钢筋延性的影响
在腐蚀时间及条件相同的情况下，在初期腐蚀阶段，热轧HPB235级钢筋对腐蚀呈现出较高的敏感性，且会导致钢筋延性的较快降低。

相反，热轧HRB400级钢筋对腐蚀缺乏较强的敏感性，且钢筋延性以较慢速度降低。

第四章：在土木工程中的应用
4.1纤维增强聚合筋在岩土工程中的应用
纤维增强聚合材料具有显著的耐腐蚀性，可将纤维增强聚合筋作为拉杆，实现对岩土工程的有效加固。

碳纤维及芳纶纤维聚合筋具有较强的抗拉强度和耐腐蚀性，可利用碳纤维及芳纶纤维聚合筋对岩土工程进行有效锚固。

4.1.1碳纤维增强聚合物筋锚杆的应用方法
①在岩土工程中对碳纤维增强聚合筋锚杆进行合理布置，使之在工程结构中对拉力进行承受。

②遵循相关岩土锚固理论对锚杆直径及根数进行计算，对混凝土粘结性等因素进行综合考虑，对锚杆总长以及锚固长度进行确定。

1、纤维增强聚合筋在桥梁工程中的应用
纤维增强聚合筋具有较强的强度和抗拉能力，在桥梁工程中得到了广泛应用。

在桥梁工程中，通常将纤维增强聚合筋对桥梁截面的受拉区域进行布置，实现纤维增强复合筋抗拉能力的充分发挥。

（1）、纤维增强聚合筋在桥梁工程中的应用方法
①对处于竖向荷载作用下的桥梁结构弯矩进行计算。

②对截面尺寸、受压区
钢筋的具体直径、混凝土实际等级、纤维增强聚合筋的强度等进行科学选择，并利用相关公式，对纤维增强聚合筋截面面积进行计算。

③依据纤维增强聚合筋截面面积确定具体直径及聚合筋根数。

④遵循混凝土结构相关计算理论，对其他承载力进行科学设计。

第五章：在土木工程加固中纤维增强复合材料的应用
5.1碳纤维增强聚合布在混凝土结构中的应用
5.1.1、应用范围
碳纤维增强聚合布具有较强的耐久性和抗拉强度，在缺乏良好承载力，难以满足建筑承载力相关要求的建筑中，碳纤维增强聚合布得到了广泛应用。

同时，在建筑工程施工阶段，对碳纤维增强聚合布进行使用，能有效加强建筑工程结构的稳定性和安全性。

5.1.2、应用过程存在的问题及解决方法
在建筑工程施工阶段，对碳纤维增强聚合布进行应用，无需借助重型施工机械，且不易受施工空间的限制，但也存在一些问题：①对强度不同的建筑工程部件进行加强，所需的碳纤维增强聚合布具体粘贴量不同，粘贴量过大会阻碍碳纤维增强聚合布对抗拉强度优势的充分发挥。

②在对建筑工程混凝土构件畸形加固时，碳纤维增强聚合布与混凝土极易产生剥离。

对于问题①，要对建筑工程部件荷载进行确定，并结合建筑工程抗拉强度的具体要求，遵循混凝土构件承载力的相关计算方法，对所需碳纤维增强聚合布的准确数量进行确定。

对于问题②，要在施工前期，以混凝土的实际等级为依据，对粘结剂进行合理选择，实施对碳纤维增强聚合布的粘贴施工。

结束语：
综上所述，纤维增强复合材料具有显著的脆性和抗拉强度，其应力与应变呈现出线性关系。

纤维含量对复合材料的强度具有决定性的影响。

纤维增强聚合筋配筋率对于开裂弯矩不会造成较大影响。

在纤维增强聚合筋配筋率的一定范围内 , 配筋率越大 , 承载力随配筋率的增大而增大。

纤维增强复合材料具有显著的耐腐蚀性和耐酸碱性，对于提高建筑工程结构耐久性具有重要影响。

纤维增强复合材料在岩土工程锚固以及桥梁工程中得到了日渐广泛的使用，碳纤维增强聚合布在工程加固中的应用具有良好的加固效果，但要对粘结剂进行合理选择。

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