復合材料的結構形式
    除了纖維和基體的性能外，復合材料的結構形式及其制造工藝也決定著復合材料的性能和功能。目前已應用或正在研究的基礎設施用復合材料結構形式有很多，主要形式簡述如下。
    1、拉擠型材
    拉擠復合材料型材是將復合材料大量應用于民用建筑的早形式之一，如：FRP窗框等Z拉擠的棒材替代鋼筋被用于混凝土中，為了增加與混凝土的界面強度，在棒材表面加纏螺旋向、打磨粗糙或加工溝槽等等。這種復合材料筋可與鋼
筋混合使用，用于道橋和房屋的混凝土澆鑄中，而且復合材料筋的比例不漸增加。
同時也促進了新型復合材料筋棒的研究。
   2、復合材料橋板
    被稱為了H型復合材料橋板的結構形式如圖1所示。這種橋板可以用縱向鋼梁支撐，也可以用復合材料縱梁支撐。增強材料為E一玻璃纖維的多軸縫合織物、粗紗及氈。基體材料采用具有耐候性及耐惡劣環境好的乙烯基酯樹脂。這種
復合材料橋板可采用兩種工藝制造。一是真空輔助樹脂傳遞模塑工藝（VARTM），一是拉擠工藝。
    就VARTM工藝而言，屬于勞動密集型工藝，對大型制品難以保證產品的均勻。但是，可以采用高精度模具和成型纖維織物預型件的方法克服上述缺點，制造H型復合材料橋板。
    采用拉擠工藝制造H型復合材料橋板時，增強材料可以選擇單向粗紗，連續或短切氈，還可以制造三軸縫編預型件。拉擠工藝的缺點是起始模具投資高。但其優點是：①勞動成本低；②操作成本低；③材料浪費少；④生產速度快。
    3、碳纖維片材（CFS）
    3.1豆結構及特點
    碳纖維片材（Carbon Fiber Sheet－ CFS）是將單向碳纖維排列鋪放后，用緯向縫織或用少量樹脂粘接的方法制成單向片材，后者的結構如圖2所示。

    這種碳纖維片材用于鋼板或鋼筋混凝土結構的修補或加固，具有下列優點：
    ①片材非常柔軟，可進行復雜形狀的鋪貼；
    ②在施工中采用常溫固化樹脂基體，施工時間短；
    ③無需重型施工設備，降低施工成本，提高施工效率；
    ④需要搭接的長度短，典型搭接長度10cm則可滿足片與片之間的載荷傳遞。
    ⑤可通過以往的鋼筋混凝土計算方法進行補強設計。
    碳纖維復合材料的高比強度和比模量吸引著人們致力于研究降低成本的方法研究，以使其更多地應用于基礎結構中。水泥、鋼筋、鋼板、碳纖維片材的力學性能比較見表2?；谔祭w維片材優異的力學性能，許多都在進行不同種類
和形式的碳纖維片材的研究和應用。典型的碳纖維片材性能列于表3中。

 3．3．2用途
    在橋梁施工方面，可進行橋面和橋墩修補和補強；在房屋建造方面，可對混凝土板和梁等結構進行抗彎、抗剪和耐震補強；可對隧道、煙囪及其他混凝土結構進行修補或加固，以防剝落或發生裂紋而破壞。對于修補、加固和補強的效果可歸納如下：
    ①提高抗彎曲耐力
    用于橋梁等橫梁的受彎曲張力一側，提高抗彎曲耐力。
    ②提高疲勞壽命
    用于補強橋面板及橫梁等，以提高抗疲勞性，延長使用壽命。
    ③提高抗變形能力
    對橋墩、力柱等結構進行補強，提高其抗變形能力，可有效阻止地震造成的脆性破壞。
    ④抑制裂紋擴展
    在修補和加固時，貼在混凝土表面的裂紋處，具有抑制裂紋的作用。
    3．3．3采用碳纖維片材（CFS）修補、補強的方法
     l）粘貼法
            將片材按照設計方向和層次鋪在結構物表面，再刷涂樹脂使其浸透、固化。
            2）纏繞法
            ①帶纏繞法：用碳纖維片材（或大絲束碳纖維）人工纏繞在需補強或修補的 柱、墩或梁的表面，再刷涂樹脂、固化。
            ②外套法：用碳纖維預浸帶或片材纏成外套，再覆蓋在需補強的柱、梁或墩的表面。
            ③自動纏繞法：采用移動式纏繞機進行現場干法或濕法纏繞，對橋梁或建筑 物進行加固和修復。
            3．3．4采用碳纖維片材修補的施工程序
            1）預處理：先將混凝土表面的老化層去除，再將裂紋修補。
            2）涂底漆：涂環氧樹脂底漆，以確保片材的附著強度。
            3）打磨修平：底漆干后，進行不平整的修正。
            4）片材鋪貼：鋪一層，刷一次樹脂，并在片材表面沿纖維方向層盡可能地除去 氣泡，使樹脂浸透、固化。
            5）后涂裝：根據需要進行涂漆或涂保護灰泥。
              3．4其他結構形式
            3．4．IFRP約束混凝土柱
            采用FRP預制筒體作模板，在內部填充混凝土形成組合構件，即為FRP約束混凝土柱。在此FRP筒體不但能參與承載提高柱的強度，還能約束混凝土，提高柱在地震載荷下的延性。這是FRP在基礎設施中具有發展前途的補強、加固形 式。其優點如下：
            ①使FRP和混凝土兩種材料各自發揮了自身的材料性能優勢，相互彌補各自的缺點；
            ②FRP筒體可替代澆鑄模板，節約費用；
            ③筒體可先預制，再到現場澆鑄，加快施工速度；
            ④提高柱的耐腐蝕性，增加耐久性，降低后期的維護費用。
            3．4．ZFRP繩索
            將增強纖維浸漬樹脂后扭結成繩索狀進行固化，成為FRP繩索或筋?？勺餍崩瓨虻睦?，還可部分代替鋼筋或預應力筋應用于混凝土結構中。
            4、FRP在基礎設施中的應用實例
              隨著復合材料工業的發展及其成本的降低，加之基礎設施建筑水準和檔次提升，越來越多各種形式的FRP材料應用于基礎設施中。主要有橋梁、磁懸浮鐵 道、海洋棧橋和浮橋、隧道、地錨、房屋及其他建筑物的內外壁等。
            在英國、德國、美國等主要開發纖維復合材料在道橋修補和建造中的應 用。所采用的復合材料結構形式有拉擠型材、筋棒、碳纖維片材（CFS）等。在日本則更多地研究開發碳纖維片材的應用，已進人實用化階段。尤其是1995年神戶大
地震后，碳纖維片材（CFS）應用量快速增加（見圖3），這些碳纖維片材（CFS）被應用于新建筑物抗震結構的加固和補強，舊建筑物的補強和修復。
 

            在我國，采用拉擠筋棒替代鋼筋增強混凝土的工作仍處于研發階段。采用CFS片材修補或加固建筑物已進人試用階段，正在開發應用中。
    4．IFRP在橋梁上的應用
    FRP在橋梁上的應用研究起始于上世紀50年代中期，當時是采用FRP棒增強混凝土。到了70年代末和80年代初，在歐洲和亞洲有許多FRP制品被用于橋梁工程中。1986年，德國用復合材料建造了上座鐵路橋；同年，的重慶建造了全復合材料橋板的行人步道橋；1992年蘇格蘭建造了座全復合材料行人橋；1996年美國的弗吉尼亞州采用蜂窩夾層結構制造了個全復合材料公路橋面。
    在美國和加拿大的寒冷地區，采用復合材料橋面，除了比強度高、疲勞性能好等優勢外，還有一個優點是：耐防凍劑鹽害的腐蝕，大大地減少了橋面的維護成本。此外，復合材料的膨脹系數小，減少橋面內部的應力疲勞，延長橋的使用壽命。
    利用碳纖維片材（CFS）對橋墩的加固、修補和抗震補強的應用實例很普遍。在美國和日本應用較多。
    4．2 FRP在其他建筑工程中的應用
    ①在房屋補強和加固中的應用
    采用柔軟的碳纖維片材（CFS）對房屋內承力結構進行補強和加固，如：房梁抗彎和抗剪的加固；樓板抗彎和抗震的加固；立柱的抗剪和抗震加固；墻壁開洞的加固等。房屋外部的修補和加固也大多采用柔軟碳纖維片材和剛性板材。此外，日本還開發出了一種碳纖維面狀發熱體。這種面狀熱體厚度不到    lmm，其中碳纖維作為并列回路存在于內部。采用這種面狀發熱體可制成地熱型地板。
    ②在隧道工程中的應用
    采用柔軟的CFS現場貼鋪和涂刷樹脂的方法對隧道內進行補強加固。也可用于先制備的復合材料板材，利用粘接和錯接的方法加固隧道內壁。
    ③在大型儲倉修補和加固中的應用
    在美國有很多采用碳纖維拉擠棒修補和加固大型儲倉。在儲藏外壁加工出水平和垂直的溝槽，在用高粘度的環氧樹脂將碳纖維棒安裝在溝槽中，固化后則可提高儲倉的強度，并延長其使用壽命。
    此外，復合材料以其質量輕、耐腐蝕、比強度和比剛度高、具有非磁性、電波透過性等被廣泛用于道橋、房屋、浮體、通訊設施及軍事設施中。
    5．今后的發展趨勢
    在歐、美、日等發達和地區，雖然更大全復合材料橋仍在研究建造，但更多地是研究將復合材料廣泛應用于房屋等新建筑物的加固、補強及舊建筑物的修補；采用FRP修補和加固橋墩、Fny在橋梁及高速公路護欄上的應用正在擴大。
今后FRP在基礎設施中的應用研究將會更加令人關注。研究和開發應用的內容可歸納如下：
    ①降低基礎設施用增強纖維和樹脂基體的成本；
    ②研究現場修補用快速固化與性能優良的樹脂基體；
    ③研究FRP預制件的結構和制造工藝，同時研究預制件與現場澆鑄混凝土形成FRP約束混凝土構件的施工方法，并推廣應用；
    ④利用芳綸纖維等有機纖維的高沖擊韌性和碳纖維的導電性制造功能性建筑構件；
    ⑤利用壓電陶瓷，監測傳感光纖等制造成FRP功能件，再埋人安裝在橋梁、隧道及房屋等承力敏感部位，監測建筑物的承載能力，預測建筑物的損傷程度。
    總之，FRP在基礎設施中的應用要充分發揮其優異的力學性能、耐腐蝕性能及水泥和金屬材料所不具備的功能性，才能克服其高成本的缺點，擴大FRP的應用。同時，提高基礎設施的建筑水平。