纖維增強復合材料從上世紀四十年代問世以來,在航空、航天、船舶、汽車、化工、醫學和機械等領域已得到廣泛的應用。在七八十年代,FRP以其高強、輕質、耐腐蝕等優點,開始在土木與建筑工程結構中得到應用,并受到工程界的廣泛關注，主要應用是碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維以及其他一些高性能纖維增強的樹脂基復合材料。

　　我國于1958年就開始探索在混凝土構件中用玻璃纖維束代替鋼筋，在1982年在北京密云建成一座跨徑20.7m的玻璃鋼蜂窩箱梁公路橋,設計荷載等級為汽-15、掛-80,進行了現場荷載試驗,該橋為上座復合材料公路橋。這一時期，我國土木工程中復合材料的研究和應用居于前列。雖然此后玻璃鋼在工程結構中的應用越來越多，但大多數都是附屬性、臨時性的構件,生產工藝以手糊為主，材料為普通的玻璃纖維，因此沒有形成規?；?、產業化。同時,多數的結構工程師不了解FRP材料,也大大限制了它的應用和推廣。

　　近十多年來,尤其在美國北嶺地震和日本阪神大地震后,FRP材料(主要是片材)加固補強混凝土結構技術在工程中得到了很好的應用。隨著這項技術在各地的推廣和發展,FRP材料的輕質高強、耐腐蝕、施工性能好等優越性能被工程界逐漸認可,開始以各種形式應用于各類土木與建筑結構工程中。目前,FRP材料在工程結構中的應用和研究十分活躍,已逐漸形成一個新的學科研究熱點。與此同時，復合材料工業中材料和工藝的發展也突飛猛進，高性能纖維材料的品質不斷提高，價格相對降低，拉擠、纏繞、RTM等工業化工藝不斷成熟，這些都為復合材料在土木工程中的應用鋪平了道路。

　　隨著我國國民經濟水平的發展，我國的基礎設施的建設仍將大規模開展：2020年前將投資5萬億建設鐵路，2009年投資1萬億建設公路，2009年預計建設人行天橋3000多座。這些為復合材料在橋梁工程中的應用提供了廣闊的市場。雖然，很多發達在橋梁中已經開始應用各類FRP，但我國國內的應用發展緩慢，同時缺少針對橋梁工程開發的復合材料產品。廣闊的市場前景與產品開發和市場推廣的缺乏形成了巨大缺口。

　　高性能復合材料橋梁和橋梁構件

　　由于橋梁的安全性、適用性、耐久性、施工要求和維護要求方面的結構需求，橋梁結構與其它建筑結構相比具有如下特點：不可重復，不可完全試驗，荷載復雜，使用環境極端，使用期限長，制約因素多，體量較大。由于這些特殊要求使得復合材料能夠在橋梁工程中具有更好的應用前景。

　　從歷史上看，每一次新材料應用于工程結構中都會帶來革命性的變化，FRP橋梁被各國的研究者認為是FRP在結構中應用的又一新的發展方向，并進行了一系列的研究與應用工作。與初期的FRP橋梁應用不同，近年來的FRP橋梁是指采用拉擠、纏繞、RTM（樹脂傳遞模塑）等工業化成形工藝的高性能碳纖維、高性能玻璃纖維（E玻璃和高強玻璃）、玄武巖纖維等增強復合材料型材構成的具有穩定力學性能和使用性能橋梁或橋梁部件，具有工業化、標準化的特點，能滿足大用量的工程建設需要。這些橋梁可稱為“高性能復合材料橋梁”，與傳統橋梁相比，在以下幾方面具有突出的優勢。

　?。?）架設速度快。

　　俄羅斯莫斯科中心城區的某人行橋采用FRP結構，其上部結構架設僅耗時2個小時，而常規的結構一般都需要2天；美國NewYork州某車行橋的改造，采用FRP結構替換技術，僅用2天，而常規方法則預計需要10天左右。因此，采用FRP橋梁體系可大大加快建設速度，應用于跨線橋、城市中心區橋、交通偏遠區橋梁和在役橋梁翻新將具有很好的經濟效益和社會效益。同時，在提高災后應急能力以及快速反應能力方面也具有重要的應用前景。

　?。?）抗腐蝕能力強。構成FRP的纖維和基體材料都是耐腐蝕的非金屬材料，在結構中應用可避免腐蝕破壞所帶來的各種危害和損失。傳統結構的腐蝕、劣化問題非常嚴重，不僅影響了橋梁的正常使用和壽命，還造成大量的安全和事故隱患。FRP橋梁具有的抗腐蝕性能能夠保證其長期使用的可靠性，一方面可提高結構的安全性能，另一方面可降低了維護運營的投入。并且FRP具有色澤鮮艷持久的特點，不需要特殊維護，適合建造景觀橋。

　　（3）抗超載和抗疲勞。傳統的橋梁結構設計以延性和變形能力獲得一部分結構的安全儲備，而復合材料的力學性能表現為線彈性，主要依靠承載力提供安全儲備，設計合理的FRP橋梁比傳統材料橋梁的實際承載力要高。同時FRP在破壞前卸載不會發生塑性變形，因此FRP橋即使經歷超載也可恢復原狀，對繼續使用的影響很小。此外，FRP材料的抗疲勞性能遠遠優于傳統結構材料，非常適合在承受動載的橋梁結構中應用。由于FRP橋梁具有這樣的特點，可提高交通系統的適應能力，對于我國當前的實際應用及發展具有重要意義。

　?。?）抗震性能好。由于FRP的力學性能優越，可以減小構件的尺寸，減輕上部結構的自重，從而減小了在地震中受到的慣性力，因此對于抗震較為有利。同時，由于承載力儲備較大，也進一步提高了FRP橋梁的抗震能力。此外，由于其自重輕，在震后的快速修復與重建中具有顯著的優勢，尤其是在交通不便的情況下。因此，FRP橋梁在地震區的優勢更為顯著。

　?。?）可實現更大跨度。超大跨度的橋梁是人類進步和經濟發展的需求之一。由于鋼材和混凝土的自重較大、強度有限，隨著跨度的增大，自重的影響將不斷增大，傳統的結構形式和材料將難以適應更大跨度的需要。FRP因其高強、輕質、耐腐蝕的優點，被認為是實現大跨度結構的理想材料。雖然目前還僅處于研究階段，但超大跨度橋梁將是FRP橋梁的重要發展方向，而常規FRP橋梁的研發與應用則是超大跨FRP橋的基礎。

　　復合材料在橋梁結構中的應用形式

　　FRP加固補強橋梁結構

　　將FRP片材粘貼在混凝土構件表面，來提高和改善混凝土構件的受力性能。早在1980年，這項技術在我國的工程實踐中就曾嘗試過，但這項技術在我國的發展緩慢。上世紀80年代，瑞士聯邦實驗室的Meier等人對FRP板代替鋼板加固混凝土結構的技術進行了系統的研究，并在工程中進行了應用。1991年用CFRP板加固了瑞士的Ibach橋。FRP片材加固混凝土結構技術已經日趨成熟，逐漸成為一種應用廣泛的結構加固方法。

　　FRP片材包括纖維布和FRP板。纖維布由連續的長纖維編織而成，通常為單向纖維布，使用前不浸潤樹脂，施工時用樹脂浸潤粘貼于結構表面。

　　FRP板是則將纖維在工廠中浸潤樹脂、固化預成型，一般采用拉擠或層鋪制成，也是用樹脂將其粘貼于結構表面進行加固。

　　這項應用是目前發展為成熟的一項技術。經過10多年的發展已經形成了從纖維材料、樹脂材料以及工程應用的一系列產業。

　　FRP筋混凝土及預應力混凝土橋梁

　　FRP也可以制成筋材、索材和網格材，在混凝土和預應力混凝土結構中直接代替鋼筋和預應力鋼筋，通常為拉擠或拉纏工藝制成。由于它們具有輕質高強、抗腐蝕、非磁性、抗疲勞等優點，可用于強腐蝕環境、沿海、堿漬地區的工程，以及有無磁性要求的工程。近年來，FRP筋及預應力FRP筋混凝土結構成為發展超耐久性工程結構的主要趨勢。

　　在北美、北歐等西方，由于冬季的除冰鹽對橋梁結構中鋼筋腐蝕所帶來的嚴重危害已成為困擾基礎設施工程的主要問題，FRP配筋和FRP預應力筋混凝土結構的研究和應用發展較早且較快，并且有大量的產品。但我國目前還缺少較為完善的FRP筋產品，但在一些地鐵、隧道和港口的建設中已經開始大量應用，但絕大多數為進口產品或國外知識產權的產品。

　　FRP輕質橋梁

　　在嘗試用FRP建造大跨度橋梁的同時，FRP制成的中小跨度的輕質橋梁在實際應用中獲得了很好的效果。FRP輕質橋的結構形式可根據實際需要進行設計和加工，其中桁架結構和梁板結構居多。因為FRP重量輕，所以運輸吊裝方便，有時可以在起重設備不便利的情況下采用人工吊裝。通常FRP輕質橋梁在工廠加工制作好，只需運輸到現場吊裝即可完工，施工速度很快。

　　由于FRP可著色，可設計性強，可以制成具有豐富色彩和形式新穎的結構，形成具有獨特景觀特色的輕型橋梁。此外，FRP輕質橋梁在工業建筑、腐蝕性環境以及軍事舟橋中的應用也很多，結構形式主要以桁架為主。

　　目前全已經建成了近100座FRP輕質橋梁，但我國國內僅有幾座試驗性質的橋梁，還沒有形成相應的產業。

　　FRP橋面板

　　FRP橋面體系是FRP型材在橋梁中應用的主要形式之一，它與傳統的鋼筋混凝土橋板相比有以下優勢：在工廠中加工成型，重量輕，運輸安裝方便；能夠抵抗除冰鹽、海水、空氣中氯離子的侵蝕，維護費用低；恒載小，可減少支撐結構和下部結構的荷載；為彈性結構，設計通常為撓度變形控制，偶爾超載變形可恢復；疲勞性能好。

　　目前為止，全采用FRP結構和FRP組合結構的橋梁已超過100座；其中大約60%為老舊橋梁的翻新，材料絕大部分為GFRP。并且有幾十家FRP橋板供應商，但我國還沒有相應的產品。

　　FRP組合構件

　　FRP組合構件是將復合材料與傳統的建筑材料，如混凝土、鋼材等進行組合形成的新型構件形式。常見的有FRP-混凝土組合梁和FRP管混凝土。這些構件中FRP既能受力，又能作為模板，便于施工，還可以保護內部的混凝土和鋼筋，具有多重功能。

　　通過合理設計和組合的FRP組合構件具有非常優越的力學性能，目前許多發達都在開展相應研究，并在一些工程中進行了是試點應用，取得了很好的效果。我國的相關研究也在開展，但還沒有大規模的工程應用。

　　復合材料橋梁發展面臨的問題與挑戰

　　應該說，目前我國復合材料橋梁的發展面臨著機遇，但也存在大量的技術問題亟待解決。主要有下面一些：

　　（1）復合材料橋梁的結構形式和加工工藝還需要通過工程界與工業界的合作，進行研究開發。

　?。?）復合材料型材，尤其是大截面工業化生產的復合材料型材產品的還急缺。

　?。?）針對橋梁結構的復合材料連接及其質量控制仍需進一完善。

　?。?）輕質橋梁的振動控制需要通過從結構工程方面的研究予以解決。

　?。?）復合材料長期的徐變性能和在較高溫度下的長期工作性能還有待進一驗證。

　　此外還存在一些非技術問題：

　　（1）造價是影響復合材料橋梁應用的要問題。復合材料橋梁具有初期造價高、但綜合效益好的特點，需要通過正確的市場推廣，拓寬應前景。

　?。?）工程界對復合材料認識不夠和復合材料工業界對橋梁工程界了解不足是目前存在的一個顯著的問題。

　?。?）另外，缺乏相應的產品標準與應用規范是限制其使用的主要問題。

　　結　語

　　從結構工程的角度來看，FRP是一種能帶來結構形式革新的新材料，FRP是現有橋梁結構材料的補充。從復合材料工業發展的角度來看，橋梁是一個巨大潛在市場，具有廣闊的應用前景。但目前我國的FRP橋梁還沒得到很好的，這需要復合材料技術人員與結構工程技術人員的通力合作，共同開拓我國復合材料橋梁的明天。