FRP结构是指用FRP制成各种基本受力构件所形成的结构；FRP组合结构则是指将FRP与传统结构材料，主要是混凝土和钢材，通过受力形式上的组合，共同工作来承受荷载的结构形式。
　　FRP与混凝土通过合理的组合方式使FRP型材与混凝土共同受力，发挥各自的优势，达到提高受力性能、降低造价、增强耐久性、便于施工的目的。FRP与钢材组合，可发挥出钢材的高弹性模量和FRP耐腐蚀、耐疲劳性能好的优势，达到互补的效果。可在拉挤FRP型材时，直接将钢筋和钢丝嵌入型材中成型；也可在钢结构外部采用FRP型材封闭，一方面防止钢结构锈蚀，另一方面可与钢结构共同受力。还可用钢结构骨架与FRP织物蒙皮结合组成蒙皮结构。

1.1　FRP拉挤型材结构

　　FRP拉挤型材单向受力性能好，可以做成工形、槽形、箱形等型材，组成FRP框架或桁架结构。但FRP构件之间主要采用螺栓连接和粘接，有时配合榫接。图1.4-1(a)为1999年在瑞士Basel建造的一座FRP框架结构的建筑，图1.4-1(b)为一个强腐蚀性环境车间的FRP桁架屋盖。

　　另外，还可以直接将拉挤FRP空心板或带肋板作为楼板使用。研究表明，FRP空心板能够承受较大的荷载，并且自重仅为混凝土楼板的10％～20％，具有明显的优势。

1.2　FRP-混凝土组合结构

　　FRP-混凝土组合梁、板是一种合理的FRP与混凝土组合的结构形式，其设计概念与钢-混凝土组合梁、板相同：上部为混凝土主要受压，下部为FRP构件主要受拉，它们之间通过剪力连接件使两者协同工作，使FRP得到充分利用，并获得较大的刚度；同时，FRP构件可兼为模板，便于施工。FRP组合梁、板的研究在各国都有开展，FRP型材的形式和种类多样，剪力传递的方式也多样，包括：接触摩擦、粘接、螺栓、特制剪力件等。但这种结构形式目前在实际工程中的应用却并不多。我国的密云FRP桥经过改造后成为FRP-混凝土组合箱梁桥，见图1.4-2，该工程的实践表明，组合构件比单纯的FRP构件的刚度大，同时可避免一些局部破坏的发生。2002年，澳大利亚建成了一座跨度为10m的FRP-混凝土组合梁桥，静载和疲劳试验以及现场实测的结果都表明这种结构具有很好的承载能力。

　　将混凝土浇入预制的FRP管中形成的FRP管混凝土组合构件，FRP管对内部混凝土起约束作用，并兼作模板，可以极大地提高混凝土的强度和变形能力，同时混凝土也可防止FRP管的屈曲破坏。FRP管可采用拉挤、缠绕、RTM、手糊等多种方法制成。FRP管混凝土受力性能好，施工方便，并具有很好的耐腐蚀性，优势非常明显，因此在结构工程中得到较广泛的应用。各国学者对于FRP管混凝土的研究进行得比较深入，对于FRP管约束混凝土的基本受力性能(包括压、弯、剪、抗震及其组合)、施工过程中FRP管的受力性能、长期工作状态下FRP管混凝土的受力性能以及FRP管中纤维种类和缠绕角度都有研究。还有一些学者对FRP管混凝土的构造进行了改进，提高构件性能，如：在FRP管内设置FRP肋，FRP管中心放置泡沫塑料圆柱形成环形截面等。

1.3　FRP空间结构

　　由于FRP材料的轻质高强和耐腐蚀的优点，非常适合用于大跨空问结构。用FRP制成杆件，可应用于网架或网壳等结构中。从20世纪70年代到80年代初，英国建造了几处网架结构，杆件采用钢或混凝土，用GFRP板填充网格作为受力或半受力构件，如伦敦的Covent花卉市场；其间，尝试性地用GFRP杆件代替部分钢构件。1974年，在伦敦建造了一座全FRP空间网格结构，由35块四面体拼装而成，但由于GFRP弹性模量低，并且节点难处理，FRP在更大跨度的网格结构中很难发挥出优势，因此发展缓慢。
　　近年，日本开发成功了带有铝合金接头CFRP卷管，应用于空间网架结构中。CFRP网架的杆件由CFRP片材以不同的角度层叠粘贴而成，杆端有铝合金的锥头与球节点连接。CFRP网架结构重量轻，仅为钢网架的1／5～1／4，施工强度小、周期短，耐腐蚀性好，可避免凝露，维护费用低，线胀系数小，大跨度温度效应小。因此它非常适合在超大跨度的空问结构和环境比较恶劣的大跨结构中应用，如：体育馆、游泳馆、大型温室、展览馆等等。CFRP网架的价格是钢网架的2倍，而维护费用是钢网架的1／5。根据经济性分析，CFRP网架和钢网架在第8年持平，此后CFRP网架的费用就少于钢网架。日本三岛市民游泳馆先采用了CFRP网架结构，获得了很好的效果。图1.4-3为我国台湾生产的CFRP网架杆件。

　　FRP还可制成波纹板、带肋板、空心板或夹心板，组成各种形状的拱、壳、折板以及穹顶等空间结构，可用于雷达天线罩、娱乐设施、工业厂房等结构中，具有色泽鲜亮、耐腐蚀、成形容易、施工方便、重量轻、保温性好等优势，如果表面覆盖CFRP，还可使结构耐久性和力学性能得到极大的改善。图1.4-4所示的FRP夹层屋面体系就是一种典型形式。1968年英国Wollaston建造了一个仓库采用了GFRP折板结构；1972年我国建造的44m直径的球形雷达天线罩为GFRP夹心板拼装穹顶，这些结构至今仍在正常使用。上海东方明珠电视塔的层大堂采用了60m跨的FRP双曲屋盖，获得了很好的建筑效果和使用效果。

　　本书作者提出的FRP编织网结构体系也是一种新型的FRP大跨空间结构体系。它采用FRP薄板条，按类似编竹席的交错编织方法形成编织网面；网面边缘锚固于环梁上，并采用支撑和网面外拉索的方法，使整个FRP编织网张紧使其具备足够的几何刚度，形成超大跨度的屋面体系。FRP在结构中主要受拉力作用，充分利用了FRP材料的抗拉强度；并采用了编织方式增强结构的整体性；且利用编织交点的相互摩擦作用增大结构的阻尼，是一种高效的结构体系。此外，FRP板条的编织排布可以获得特殊的建筑效果，且维护费用低。图1.4-5为一座采用FRP编织结构体系的大型体育场的模型图。

　　FRP-铝合金组合结构是另一个值得注意发展的新型结构形式，它兼有两种材料轻质的特点，同时FRP又极大地增强了铝合金构件的刚度和承载力。这种组合结构已在航空航天工程中得到广泛应用，我国也已开始在土木与建筑工程结构方面的研究。

1.4　桥梁工程中的FRP结构与FRP组合结构

　　因为FRP的比强度和比模量高，所以桥梁工程师们认为FRP是获得超大跨度桥梁的结构材料。从20世纪70年代开始，就在桥梁工程中尝试应用FRP材料，并相继建成了一批FRP桥梁(见表1.4-1)，主要以人行桥为主，目的是验证FRP材料用于桥梁结构的可能性和有效性。

　　20世纪80年代，有学者提出采用高强轻质的复合材料建造直布罗陀FRP跨海大桥，开始尝试性地应用FRP建造斜拉和悬吊结构体系。1986年，我国重庆建AT座斜拉FRP箱梁人行天桥――交院桥。该桥为单塔单索面非对称斜拉体系，全长50m，主跨梁长27.4m，宽4.4m，箱粱自重8.9t(为钢梁的30％，混凝土梁的13％)，GFRP蜂窝夹心板组合箱梁，斜缆为高强钢丝束，其他部分为混凝土结构。此后，在四川、重庆等地又建成了近十座FRP悬吊体系人行桥。
　　1990年，日本制作了一座全FRP的双塔双索面斜拉体系的试验桥，用来验证全FRP斜拉桥的可行性和耐久性，通过荷载试验和长期变形观测验证了全FRP结构桥梁的可行性。1992年，英国苏格兰的Aberfeldy建成了一座全FRP结构的斜拉人行天桥，全长113m，主跨为63m，宽2.2m，双塔双索面斜拉体系，A形桥塔，如图1.4-6所示。桥塔、梁、桥面板和扶手都采用了箱形截面的GFRP拉挤型材，斜拉索为AFRP索，外裹聚乙烯保护，部分连接为金属连接。总造价为20万美元，为传统木桥、混凝土桥、钢斜拉桥或钢桁架桥费用的一半，而且至少20年免维修，这座桥的成功大大推动了FRP大跨桥梁的研究。1996年，在瑞士建成的Stork斜拉桥中采用了2根拉挤的CFRP筋集束成的索(共24根索)，其余为高强钢绞线，这是座采用FRP桥索的公路桥梁。这些尝试和工程应用为FRP大跨度桥梁的研究和应用起到了很好的示范作用，但迄今还没有一座真正的大跨度FRP公路桥梁。2002年，日本的Maeda等人提出了用FRP建造5000m跨度的悬索桥的方案嘲，桥塔、桥索和桥梁都采用了FRP，并进行了静力和动力的分析。这个方案的提出为FRP大跨桥梁的应用展现了光明的前景。

　　在尝试用FRP建造大跨度桥梁的同时，FRP制成的中小跨度的轻质桥梁因其施工非常快捷、造型美观、色彩鲜艳、耐腐蚀等优势，在实际应用中获得了很好的效果。FRP轻质桥的结构形式可根据实
际需要进行设计和加工，其中桁架结构和梁板结构居多。1994年，在英国就用GFRP拉挤型材组合成了一座可以通过40t卡车的可开启桥――Bond Mill桥，桥长8.22m，4.27m宽，由6根FRP箱形粱组成，当通过船时，以一岸为轴，另一边翘起，如图1.4-7所示。1997年，瑞士Pontresina的风景区内建成了一座跨河的全GFRP的人行桥，为双跨连续桁架，跨度12.5m，宽1.5m，采用GFRP拉挤型材粘接而成。它非常轻，很容易安装拆卸，在旅游的旺季安装使用，淡季收起来，非常方便。由于FRP可着色，可设计性强，可以制成具有丰富色彩和形式新颖的结构，形成具有独特景观特色的轻型桥梁。例如图1.4-8所示的桥梁，为2001年在英国建成的一座轻型FRP人行桥，跨度为47m，采用GFRP制成箱梁，用不锈钢吊索张拉成的悬索桥，具有独特景观效果。2001年在西班牙还建成了的一座全FRP拱桥，跨度为38m，全部采用GFRP型材，结构总重量为19t，也形成了独特的景观效果。此外，FRP轻质桥梁在工业建筑、腐蚀性环境以及军事舟桥中的应用也很多，结构形式主要以桁架为主：
　　用FRP型材构成封闭的外壳，将桥面以下原本暴露的结构围护起来，同时作为维护检查的通道，还可以起到以下三个方面的效果：(1)改变桥梁断面的形状，减少风荷载，改善桥梁的气动性能；(2)FRP外壳耐腐蚀且封护系统的密封性好，阻止了外界环境对大桥主体结构的腐蚀；(3)FRP外壳把结构包护在内部，桥体下部拱腹平滑流畅，并且有多种颜色可选，使整座桥外观简洁、美观。FRP桥梁封护系统早在1987年，由英国MaLlnsell Structural Plastics公司在Tees Viadtlct的一座桥梁上尝试应用，获得了很好的效果。而后在英国许多桥梁中都开始使用这种封护系统，并编制了相应的规范。2002年我国港湾工程第三航道局承建的泰国湄南河上的Rama VIII斜拉桥就采用了这种桥梁封护系统，见图1.4-9。

　　FRP桥面体系是近十年内发展起来的一种新型桥面结构形式，一般为全FRP结构或FRP-混凝土组合梁板。FRP桥面板与传统的钢筋混凝土桥板相比有以下优势：(1)工厂中加工成型，重量轻，运输安装迅捷；(2)能抵抗除冰盐、海水以及空气中氯离子的侵蚀，维护费用低；(3)恒载小，可减少支撑结构和下部结构的荷载；(4)为弹性结构，设计通常为挠度变形控制，偶尔超载变形可恢复；(5)疲劳性能好。1996年，美国Kansas州的无名沟壑上架起了座采用FRP桥面板的公路桥，如图1.4-10所示，桥净跨6.48m，宽8.46m，设计荷载等级HS-20级，现场施工只用了8小时。同年，美国加州圣地亚哥大学的研究者也将FRP桥板安放在公路上进行了现场试验。此后，FRP桥面体系发展迅速，目前上已有近百座中小型桥梁采用，其中绝大部分在美国，Ohio州甚至制定了6年内在100座桥梁中应用FRP桥面板的计划，而我国目前还是空白。这些桥梁中大约60％为老旧桥梁的翻新，绝大部分为GFRP材料。

　　为了推动FRP在我国结构工程中的合理应用，清华大学从2004年研发了一种新型外部缠绕FRP空心桥面板，见图1.4-11，并对其性能进行了深入研究。该桥面板适用于梁式桥的桥面结构或跨度在4m以下的跨越，与其他FRP空心板相比，HD板材料的利用率更高，受力性能更好。

1.5　FRP与工程结构的安全自监测

　　由于CFRP不仅有较高的强度和弹性模量，而且有很好的导电性能。当纤维受力时，CFRP纤维方向上的电阻和横向的电阻随着荷载大小会发生可逆变化，即压敏特性；而一旦发生破坏，电阻则会发生不可逆的变化。利用这一特征，可以直接通过CFRP结构各部位的电阻值变化来监测结构的工作状态，成为具有自监测功能的智能结构材料。也可以将CFRP筋作为传感元件埋入混凝土，或在CFRP布加固混凝土结构时利用CFRP布作为传感元件，对混凝土结构进行监测。值得注意的是它们不单纯是传感器，还能为结构提供承载力。图1.4-12为清华大学进行CFRP布加固钢筋混凝土梁受弯加固试验时获得的荷载-挠度关系与CFRP电阻-挠度关系。可以看出，荷载不大时，CFRP电阻值随变形增加呈减小趋势，而当钢筋屈服、梁的挠度显著增大时，CFRP布的电阻值的增加，且蛮化明显。

　　还有研究者进行了试验研究，表明CFRP的电阻变化率与拉应变基本呈线性关系，其灵敏系数约为30.5～134.1，约为普通电阻应变片的13.8～60.7倍，CFRP的应变可以通过测量其电阻变化值来获得。还有一种利用碳纤维的导电性进行自监测的形式是将短碳纤维与混凝土混合制成碳纤维混凝土，这样就能形成一种压力自感知的智能结构材料。
　　如果将光纤光栅作为一股纤维束放入合束盘正中，与FRP一起拉挤成型，就能将光纤传感器埋入结构内部进行健康监测。这个概念早由Kalamkarov提出，并对其进行了传感特性、疲劳特性、抗腐蚀性等研究。我国的研究者也设计制作了2种FRP筋材，进行了重复荷载的试验研究，通过微观观察看到FRP筋与光栅界面结合良好，可以保证它们变形协调。这样的FRP筋具有更加稳定的自监测性能，更适合在结构中多参数的分布式测量。