工程材料的進步是推動工程結構發展的源動力。人類數千年來的橋梁建設歷史也是一部建橋材料史。新材料的發明與推廣往往會極大地促進橋梁工程的發展。歷史上，混凝土與鋼材就是很好的例子。20世紀以來，這兩種“新”材料便在世界范圍內逐步替代木、石、磚等古代建橋材料，使人類橋梁建設取得了前所未有的巨大發展。

橋梁工程亟需材料突破

21世紀人類經濟社會的發展對橋梁工程提出了新的更高要求。鋼與混凝土等傳統建材，存在強度較低、自重過大、耐久性不足等問題，已越來越難以滿足橋梁加固與新建的需求，橋梁工程亟需在材料層面實現突破。

纖維增強復合材料（Fiber Reinforced Polymer，FRP，以下簡稱纖維復材）是一種高強、輕質、耐腐蝕、抗疲勞、低蠕變的高性能材料，目前已廣泛應用于航空航天、汽車、體育、能源等行業，土建領域的應用方興未艾。在橋梁工程中，用纖維增強復合材料替代鋼與混凝土等傳統建材，可以進一步提升橋梁結構的力學性能與耐久性，降低工程總投資、減少碳排放，促進經濟社會的可持續發展。

四種常用纖維復材

纖維復材，顧名思義是由增強纖維與基體材料復合而成。其中，纖維起承載作用，是纖維復材的受力主體；基體把分散的纖維粘結成整體，將外力傳遞給纖維，并對纖維起保護作用。橋梁工程用纖維復材主要有連續纖維增強樹脂基體，其結構形式如圖1所示。

圖1 纖維復材的結構形式 劉越/供圖

橋梁工程用纖維復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

纖維復材性能優異

上述四種纖維材料的密度遠小于常用的鋼、鋁合金等金屬材料，而抗拉強度比金屬大一個數量級以上，因此強度亦遠大于金屬，輕質高強的特性十分突出。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，但由于密度較小，纖維的比模量均大于金屬材料。纖維的熱膨脹系數亦遠小于金屬，其中碳纖維和芳綸纖維的熱膨脹系數接近于零甚至為負數，顯示出很強的溫度變形惰性。

纖維復材的力學性能主要由纖維決定。由于纖維的高強度，各種纖維復材的拉伸強度均高于鋼材特別是結構鋼，其中高強碳纖維復材的拉伸強度可達3000MPa以上。除優異的靜力性能外，纖維復材特別是碳纖維復材的抗疲勞性能遠優于鋼材。橋梁結構的疲勞問題較為突出，在橋梁中采用纖維復材進行加固或替換傳統材料，有助于提升其抗疲勞性能。在惡劣服役環境中，纖維復材的耐久性要顯著優于普通鋼材。用纖維復材筋/索替換鋼筋/鋼索，可有效提升橋梁結構的耐久性，從根本上解決鋼材的銹蝕問題，降低運營階段的養護維修成本，延長橋梁的使用壽命。

此外，纖維復材還具有很強的可設計性，適合進行材料-結構一體化設計。在制備的時候，可通過選用不同的纖維、樹脂基體、纖維體積比、纖維鋪陳方向來調控纖維復材的強度、彈性模量、耐熱性等性質。同時還可以采用不同的成型工藝并與其他材料進行混雜或復合制備出具有各種造型與性能的產品，滿足橋梁工程的需求。

纖維復材亦有不足

纖維增強復合材料相較于傳統建材亦有不足之處。除高模碳纖維復材外，其他纖維復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，各種纖維復材的斷裂伸長率差別較大，其中玻璃纖維復材的斷裂伸長率最大，但也遠小于鋼材，顯示出纖維復材延性不足。

此外，由于樹脂基體的玻璃化溫度相對較低，纖維復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。

纖維復材值得關注

目前，纖維復材得到了橋梁工程界的廣泛關注，亦是學術界的研究熱點，但其仍只是特定環境中鋼或混凝土材料的替代品，離大規模應用特別是新建橋梁中的大規模應用還有較大距離，亟需跨越一些限制行業發展的障礙，如從業人員對纖維復材認知不足、纖維復材的標準化程度低、售價較高、還未形成成熟的設計施工方法等。

期待橋梁工程師和科研人員對纖維復材加深了解，共同促進這種新型建橋材料在我國的大規模應用，推動21世紀中國橋梁的進一步發展。

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