工程材料的進(jìn)步是推動(dòng)工程結(jié)構(gòu)發(fā)展的源動(dòng)力。人類(lèi)數(shù)千年來(lái)的橋梁建設(shè)歷史也是一部建橋材料史。新材料的發(fā)明與推廣往往會(huì)極大地促進(jìn)橋梁工程的發(fā)展。歷史上，混凝土與鋼材就是很好的例子。20世紀(jì)以來(lái)，這兩種“新”材料便在世界范圍內(nèi)逐步替代木、石、磚等古代建橋材料，使人類(lèi)橋梁建設(shè)取得了前所未有的巨大發(fā)展。

橋梁工程亟需材料突破

21世紀(jì)人類(lèi)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展對(duì)橋梁工程提出了新的更高要求。鋼與混凝土等傳統(tǒng)建材，存在強(qiáng)度較低、自重過(guò)大、耐久性不足等問(wèn)題，已越來(lái)越難以滿(mǎn)足橋梁加固與新建的需求，橋梁工程亟需在材料層面實(shí)現(xiàn)突破。

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Fiber Reinforced Polymer，F(xiàn)RP，以下簡(jiǎn)稱(chēng)纖維復(fù)材）是一種高強(qiáng)、輕質(zhì)、耐腐蝕、抗疲勞、低蠕變的高性能材料，目前已廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)、體育、能源等行業(yè)，土建領(lǐng)域的應(yīng)用方興未艾。在橋梁工程中，用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料替代鋼與混凝土等傳統(tǒng)建材，可以進(jìn)一步提升橋梁結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能與耐久性，降低工程總投資、減少碳排放，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

四種常用纖維復(fù)材

纖維復(fù)材，顧名思義是由增強(qiáng)纖維與基體材料復(fù)合而成。其中，纖維起承載作用，是纖維復(fù)材的受力主體；基體把分散的纖維粘結(jié)成整體，將外力傳遞給纖維，并對(duì)纖維起保護(hù)作用。橋梁工程用纖維復(fù)材主要有連續(xù)纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基體，其結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 纖維復(fù)材的結(jié)構(gòu)形式 劉越/供圖

橋梁工程用纖維復(fù)材中常用的纖維主要有四種，分別是玻璃纖維、碳纖維、玄武巖纖維和芳綸纖維，如圖2所示。

圖2 四種常用纖維 劉越/供圖

纖維復(fù)材性能優(yōu)異

上述四種纖維材料的密度遠(yuǎn)小于常用的鋼、鋁合金等金屬材料，而抗拉強(qiáng)度比金屬大一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，因此強(qiáng)度亦遠(yuǎn)大于金屬，輕質(zhì)高強(qiáng)的特性十分突出。除碳纖維外，其他三種纖維的彈性模量均小于鋼材，與鋁合金相當(dāng)，但由于密度較小，纖維的比模量均大于金屬材料。纖維的熱膨脹系數(shù)亦遠(yuǎn)小于金屬，其中碳纖維和芳綸纖維的熱膨脹系數(shù)接近于零甚至為負(fù)數(shù)，顯示出很強(qiáng)的溫度變形惰性。

纖維復(fù)材的力學(xué)性能主要由纖維決定。由于纖維的高強(qiáng)度，各種纖維復(fù)材的拉伸強(qiáng)度均高于鋼材特別是結(jié)構(gòu)鋼，其中高強(qiáng)碳纖維復(fù)材的拉伸強(qiáng)度可達(dá)3000MPa以上。除優(yōu)異的靜力性能外，纖維復(fù)材特別是碳纖維復(fù)材的抗疲勞性能遠(yuǎn)優(yōu)于鋼材。橋梁結(jié)構(gòu)的疲勞問(wèn)題較為突出，在橋梁中采用纖維復(fù)材進(jìn)行加固或替換傳統(tǒng)材料，有助于提升其抗疲勞性能。在惡劣服役環(huán)境中，纖維復(fù)材的耐久性要顯著優(yōu)于普通鋼材。用纖維復(fù)材筋/索替換鋼筋/鋼索，可有效提升橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性，從根本上解決鋼材的銹蝕問(wèn)題，降低運(yùn)營(yíng)階段的養(yǎng)護(hù)維修成本，延長(zhǎng)橋梁的使用壽命。

此外，纖維復(fù)材還具有很強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性，適合進(jìn)行材料-結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)。在制備的時(shí)候，可通過(guò)選用不同的纖維、樹(shù)脂基體、纖維體積比、纖維鋪陳方向來(lái)調(diào)控纖維復(fù)材的強(qiáng)度、彈性模量、耐熱性等性質(zhì)。同時(shí)還可以采用不同的成型工藝并與其他材料進(jìn)行混雜或復(fù)合制備出具有各種造型與性能的產(chǎn)品，滿(mǎn)足橋梁工程的需求。

纖維復(fù)材亦有不足

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料相較于傳統(tǒng)建材亦有不足之處。除高模碳纖維復(fù)材外，其他纖維復(fù)材的彈性模量一般為50～160GPa，與鋼材相比較低。由于所用纖維的不同，各種纖維復(fù)材的斷裂伸長(zhǎng)率差別較大，其中玻璃纖維復(fù)材的斷裂伸長(zhǎng)率最大，但也遠(yuǎn)小于鋼材，顯示出纖維復(fù)材延性不足。

此外，由于樹(shù)脂基體的玻璃化溫度相對(duì)較低，纖維復(fù)材的抗火與耐高溫性能通常比混凝土與鋼材差，但可使用添加劑提升其耐熱性。

纖維復(fù)材值得關(guān)注

目前，纖維復(fù)材得到了橋梁工程界的廣泛關(guān)注，亦是學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)，但其仍只是特定環(huán)境中鋼或混凝土材料的替代品，離大規(guī)模應(yīng)用特別是新建橋梁中的大規(guī)模應(yīng)用還有較大距離，亟需跨越一些限制行業(yè)發(fā)展的障礙，如從業(yè)人員對(duì)纖維復(fù)材認(rèn)知不足、纖維復(fù)材的標(biāo)準(zhǔn)化程度低、售價(jià)較高、還未形成成熟的設(shè)計(jì)施工方法等。

期待橋梁工程師和科研人員對(duì)纖維復(fù)材加深了解，共同促進(jìn)這種新型建橋材料在我國(guó)的大規(guī)模應(yīng)用，推動(dòng)21世紀(jì)中國(guó)橋梁的進(jìn)一步發(fā)展。

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