复合材料的结构形式
    除了纤维和基体的性能外，复合材料的结构形式及其制造工艺也决定着复合材料的性能和功能。目前已应用或正在研究的基础设施用复合材料结构形式有很多，主要形式简述如下。
    1、拉挤型材
    拉挤复合材料型材是将复合材料大量应用于民用建筑的早形式之一，如：FRP窗框等Z拉挤的棒材替代钢筋被用于混凝土中，为了增加与混凝土的界面强度，在棒材表面加缠螺旋向、打磨粗糙或加工沟槽等等。这种复合材料筋可与钢
筋混合使用，用于道桥和房屋的混凝土浇铸中，而且复合材料筋的比例不渐增加。
同时也促进了新型复合材料筋棒的研究。
   2、复合材料桥板
    被称为了H型复合材料桥板的结构形式如图1所示。这种桥板可以用纵向钢梁支撑，也可以用复合材料纵梁支撑。增强材料为E一玻璃纤维的多轴缝合织物、粗纱及毡。基体材料采用具有耐候性及耐恶劣环境好的乙烯基酯树脂。这种
复合材料桥板可采用两种工艺制造。一是真空辅助树脂传递模塑工艺（VARTM），一是拉挤工艺。
    就VARTM工艺而言，属于劳动密集型工艺，对大型制品难以保证产品的均匀。但是，可以采用高精度模具和成型纤维织物预型件的方法克服上述缺点，制造H型复合材料桥板。
    采用拉挤工艺制造H型复合材料桥板时，增强材料可以选择单向粗纱，连续或短切毡，还可以制造三轴缝编预型件。拉挤工艺的缺点是起始模具投资高。但其优点是：①劳动成本低；②操作成本低；③材料浪费少；④生产速度快。
    3、碳纤维片材（CFS）
    3.1豆结构及特点
    碳纤维片材（Carbon Fiber Sheet－ CFS）是将单向碳纤维排列铺放后，用纬向缝织或用少量树脂粘接的方法制成单向片材，后者的结构如图2所示。

    这种碳纤维片材用于钢板或钢筋混凝土结构的修补或加固，具有下列优点：
    ①片材非常柔软，可进行复杂形状的铺贴；
    ②在施工中采用常温固化树脂基体，施工时间短；
    ③无需重型施工设备，降低施工成本，提高施工效率；
    ④需要搭接的长度短，典型搭接长度10cm则可满足片与片之间的载荷传递。
    ⑤可通过以往的钢筋混凝土计算方法进行补强设计。
    碳纤维复合材料的高比强度和比模量吸引着人们致力于研究降低成本的方法研究，以使其更多地应用于基础结构中。水泥、钢筋、钢板、碳纤维片材的力学性能比较见表2。基于碳纤维片材优异的力学性能，许多都在进行不同种类
和形式的碳纤维片材的研究和应用。典型的碳纤维片材性能列于表3中。

 3．3．2用途
    在桥梁施工方面，可进行桥面和桥墩修补和补强；在房屋建造方面，可对混凝土板和梁等结构进行抗弯、抗剪和耐震补强；可对隧道、烟囱及其他混凝土结构进行修补或加固，以防剥落或发生裂纹而破坏。对于修补、加固和补强的效果可归纳如下：
    ①提高抗弯曲耐力
    用于桥梁等横梁的受弯曲张力一侧，提高抗弯曲耐力。
    ②提高疲劳寿命
    用于补强桥面板及横梁等，以提高抗疲劳性，延长使用寿命。
    ③提高抗变形能力
    对桥墩、力柱等结构进行补强，提高其抗变形能力，可有效阻止地震造成的脆性破坏。
    ④抑制裂纹扩展
    在修补和加固时，贴在混凝土表面的裂纹处，具有抑制裂纹的作用。
    3．3．3采用碳纤维片材（CFS）修补、补强的方法
     l）粘贴法
            将片材按照设计方向和层次铺在结构物表面，再刷涂树脂使其浸透、固化。
            2）缠绕法
            ①带缠绕法：用碳纤维片材（或大丝束碳纤维）人工缠绕在需补强或修补的 柱、墩或梁的表面，再刷涂树脂、固化。
            ②外套法：用碳纤维预浸带或片材缠成外套，再覆盖在需补强的柱、梁或墩的表面。
            ③自动缠绕法：采用移动式缠绕机进行现场干法或湿法缠绕，对桥梁或建筑 物进行加固和修复。
            3．3．4采用碳纤维片材修补的施工程序
            1）预处理：先将混凝土表面的老化层去除，再将裂纹修补。
            2）涂底漆：涂环氧树脂底漆，以确保片材的附着强度。
            3）打磨修平：底漆干后，进行不平整的修正。
            4）片材铺贴：铺一层，刷一次树脂，并在片材表面沿纤维方向层尽可能地除去 气泡，使树脂浸透、固化。
            5）后涂装：根据需要进行涂漆或涂保护灰泥。
              3．4其他结构形式
            3．4．IFRP约束混凝土柱
            采用FRP预制筒体作模板，在内部填充混凝土形成组合构件，即为FRP约束混凝土柱。在此FRP筒体不但能参与承载提高柱的强度，还能约束混凝土，提高柱在地震载荷下的延性。这是FRP在基础设施中具有发展前途的补强、加固形 式。其优点如下：
            ①使FRP和混凝土两种材料各自发挥了自身的材料性能优势，相互弥补各自的缺点；
            ②FRP筒体可替代浇铸模板，节约费用；
            ③筒体可先预制，再到现场浇铸，加快施工速度；
            ④提高柱的耐腐蚀性，增加耐久性，降低后期的维护费用。
            3．4．ZFRP绳索
            将增强纤维浸渍树脂后扭结成绳索状进行固化，成为FRP绳索或筋。可作斜拉桥的拉索，还可部分代替钢筋或预应力筋应用于混凝土结构中。
            4、FRP在基础设施中的应用实例
              随着复合材料工业的发展及其成本的降低，加之基础设施建筑水准和档次提升，越来越多各种形式的FRP材料应用于基础设施中。主要有桥梁、磁悬浮铁 道、海洋栈桥和浮桥、隧道、地锚、房屋及其他建筑物的内外壁等。
            在英国、德国、美国等主要开发纤维复合材料在道桥修补和建造中的应 用。所采用的复合材料结构形式有拉挤型材、筋棒、碳纤维片材（CFS）等。在日本则更多地研究开发碳纤维片材的应用，已进人实用化阶段。尤其是1995年神户大
地震后，碳纤维片材（CFS）应用量快速增加（见图3），这些碳纤维片材（CFS）被应用于新建筑物抗震结构的加固和补强，旧建筑物的补强和修复。
 

            在我国，采用拉挤筋棒替代钢筋增强混凝土的工作仍处于研发阶段。采用CFS片材修补或加固建筑物已进人试用阶段，正在开发应用中。
    4．IFRP在桥梁上的应用
    FRP在桥梁上的应用研究起始于上世纪50年代中期，当时是采用FRP棒增强混凝土。到了70年代末和80年代初，在欧洲和亚洲有许多FRP制品被用于桥梁工程中。1986年，德国用复合材料建造了上座铁路桥；同年，的重庆建造了全复合材料桥板的行人步道桥；1992年苏格兰建造了座全复合材料行人桥；1996年美国的弗吉尼亚州采用蜂窝夹层结构制造了个全复合材料公路桥面。
    在美国和加拿大的寒冷地区，采用复合材料桥面，除了比强度高、疲劳性能好等优势外，还有一个优点是：耐防冻剂盐害的腐蚀，大大地减少了桥面的维护成本。此外，复合材料的膨胀系数小，减少桥面内部的应力疲劳，延长桥的使用寿命。
    利用碳纤维片材（CFS）对桥墩的加固、修补和抗震补强的应用实例很普遍。在美国和日本应用较多。
    4．2 FRP在其他建筑工程中的应用
    ①在房屋补强和加固中的应用
    采用柔软的碳纤维片材（CFS）对房屋内承力结构进行补强和加固，如：房梁抗弯和抗剪的加固；楼板抗弯和抗震的加固；立柱的抗剪和抗震加固；墙壁开洞的加固等。房屋外部的修补和加固也大多采用柔软碳纤维片材和刚性板材。此外，日本还开发出了一种碳纤维面状发热体。这种面状热体厚度不到    lmm，其中碳纤维作为并列回路存在于内部。采用这种面状发热体可制成地热型地板。
    ②在隧道工程中的应用
    采用柔软的CFS现场贴铺和涂刷树脂的方法对隧道内进行补强加固。也可用于先制备的复合材料板材，利用粘接和错接的方法加固隧道内壁。
    ③在大型储仓修补和加固中的应用
    在美国有很多采用碳纤维拉挤棒修补和加固大型储仓。在储藏外壁加工出水平和垂直的沟槽，在用高粘度的环氧树脂将碳纤维棒安装在沟槽中，固化后则可提高储仓的强度，并延长其使用寿命。
    此外，复合材料以其质量轻、耐腐蚀、比强度和比刚度高、具有非磁性、电波透过性等被广泛用于道桥、房屋、浮体、通讯设施及军事设施中。
    5．今后的发展趋势
    在欧、美、日等发达和地区，虽然更大全复合材料桥仍在研究建造，但更多地是研究将复合材料广泛应用于房屋等新建筑物的加固、补强及旧建筑物的修补；采用FRP修补和加固桥墩、Fny在桥梁及高速公路护栏上的应用正在扩大。
今后FRP在基础设施中的应用研究将会更加令人关注。研究和开发应用的内容可归纳如下：
    ①降低基础设施用增强纤维和树脂基体的成本；
    ②研究现场修补用快速固化与性能优良的树脂基体；
    ③研究FRP预制件的结构和制造工艺，同时研究预制件与现场浇铸混凝土形成FRP约束混凝土构件的施工方法，并推广应用；
    ④利用芳纶纤维等有机纤维的高冲击韧性和碳纤维的导电性制造功能性建筑构件；
    ⑤利用压电陶瓷，监测传感光纤等制造成FRP功能件，再埋人安装在桥梁、隧道及房屋等承力敏感部位，监测建筑物的承载能力，预测建筑物的损伤程度。
    总之，FRP在基础设施中的应用要充分发挥其优异的力学性能、耐腐蚀性能及水泥和金属材料所不具备的功能性，才能克服其高成本的缺点，扩大FRP的应用。同时，提高基础设施的建筑水平。