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1. 概述  复合材料是以树脂、橡胶、陶瓷、水泥和金属等基体为连续相，以刚性粒块和纤维等增强体为分散相，通过适当的制备方法将增强体均匀性地分散于基体材料中，形成一个综合性能优于任一单一成分的复合体系，这一体系材料称之为复合材料。应用复合材料理念的历史源远流长，人类最先直接采用天然的有机复合材料-木材和竹材，就是由有纤维素纤维（抗拉性很强）和基质（抗压性强）组成。在粘土中加入稻草或秸秆晒制或烧制砖块应该是人类有意识的设计和使用复合材料的开始，在此基础上发展得到了今天随处可见的钢筋混凝土结构。20世纪40年代，玻璃纤维增强塑料（俗称玻璃钢）的出现，才正式有了复合材料（Composite material）这一名称，复合材料也得到飞速发展，如图1所示。后来陆续出现了高强度、高模量纤维与合成树脂、碳、石墨、陶瓷、橡胶等非金属基体或铝、镁、钛等金属基体复合，构成各具特色的复合材料，在航空航天、舰船、建筑等领域得到了广泛应用。航空航天领域已经形成了较完整的复合材料工业体系，波音787机体重量的50%为碳纤维制造，如图2所示，空客飞机的复合材料使用量也在逐年快速增加。由于采用了材料-结构一体化设计理念，如图3所示，应用复合材料的飞机在材料、制造和运营过程中具有超过传统飞机的商业竞争力和广阔的应用前景。 图1 复合材料发展历程 纤维增强复合材料的推广与普及为桥梁工程提供了新的发展方向和更大的创新空间，现阶段桥梁工程常用的复合材料主要是树脂基的纤维增强聚合物（Fibre-reinforced plastic，FRP），包括玻璃纤维(GFRP)、碳纤维(CFRP)、芳纶纤维(AFRP)及玄武岩纤维(BFRP)等增强聚合物，FRP材料适应了现代桥梁结构向大跨、轻质、耐久的需求，成为砌体、混凝土和钢材等传统建筑材料之外的重要工程材料。根据其组成特点，FRP强度、弹性模量、耐久性和特殊功能等关键材料性能方面可根据需要进行设计，这是传统的混凝土和钢材难以比拟的。因此复合材料桥梁给桥梁结构新形式和新设计理念提供了发展机会，也给现有工程管理体制提出了巨大挑战。本文将从FRP材料性能、构件和桥梁结构三个层次对近年来FRP在桥梁工程中的研究和应用进行回顾，所引用文献主要为核心及以上期刊如Composite Structures、Engineering Structures、Journal of composites for construction、土木工程学报、工程力学、工业建筑、复合材料学报等。本研究进展的错误和遗漏在所难免，敬请同行批评指正。 图2 波音787的复合材料应用情况[1] 图3 航空工业复合材料的材料-结构一体化设计理念[1]  2. 纤维增强（FRP）复合材料性能 2.1 FRP材料静力性能 FRP是将纤维和树脂基体通过一定制备工艺固化后形成的具有特定形状和性能的结构材料，如图4所示，其中纤维一般包括碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维等，树脂包括环氧树脂、乙烯基树脂、不饱和聚酯树脂等。FRP是力学性质不同的纤维和树脂按照设定的比例和条件复合而成的新材料，纤维与树脂之间有明显的界面存在，其力学性能一般基于组分线性迭加复合原则，如图5所示。纤维材料的抗拉强度和拉伸模量，很大程度上决定了FRP的力学性能，常用纤维一般根据这两项基本指标进行区分，弹性模量越高，成本越高，各类纤维性能价格（2018年统计）比较见表1。高性能纤维材料的生产基本上被日本和欧洲的少数几家公司控制，如图6所示为日本东丽公司的系列CFRP产品。 图4 典型纤维增强复合材料构造 图5 FRP材料性能计算的线性复合原则 表1 各类纤维性能与价格对比[2] 图6 东丽公司CFRP产品的力学性能 与传统建筑材料力学性能相比，FRP力学性能主要表现为以下三方面特点： （1）线弹性。由于纤维可近似看作是线弹性材料，所以FRP的应力应变关系基本上也是线弹性特征，不存在屈服平台，如图7所示。 （2）各向异性。FRP力学性能呈现明显的各向异性，抗拉强度和弹性模量与纤维方向和含量有很大关系，如图8和9所示。由于很多FRP是单向纤维，所以垂直于纤维方向的性能相对较差，如抗剪强度，成为制约其发展的一个因素。
图7 FRP应力应变曲线
图8 FRP性能与纤维含量的关系
图9 FRP性能与纤维方向的关系 （3）可设计性。FRP制品性能由组成材料、配合比设计、制备工艺和应用需要等确定。力学性能可根据纤维的不同来选择，结构形式可根据工程需要进行设计。在基体和增强体结合形成材料的同时，也获得构件或结构，是可进行材料-结构一体化设计的材料。 2.2 FRP材料疲劳性能 由于FRP的材料特性，其疲劳破坏过程与钢材有很大区别，如图10所示，疲劳破坏的临界状态首先表征为开裂，实际上仍能承载，纤维有显著的止裂效应。因此，FRP抗疲劳性能优异，按最大疲劳应力，钢疲劳强度一般是30%-50%的抗拉强度，而CFRP疲劳强度可达到70% -80%的抗拉强度，如图11所示[3]。
图10 FRP疲劳破坏过程
图11 FRP材料的S-N曲线图 2.3 FRP材料耐久性能 作为一种新型工程材料，FRP在服役条件下，如腐蚀、温度、辐射等作用下的力学性能演化是关注的重点，Tian Qiao，冯鹏等[4]对1900多组FRP在各种环境下加速老化实验的结果进行分析，发现：FRP对常温下（100℃以下）的腐蚀环境不敏感，耐久性能很好，但温度超过100℃后力学性能快速下降[5]，如图12所示。
（a）腐蚀环境
（b）温度效应 图12 FRP的耐久性能  3. FRP构件研究与应用 根据不同的使用要求，典型的FRP制品形式可分为片材（布、薄板等）、筋材（光面、肋纹、缠绕等）、索材（平行索、绞索）、型材（具有一定截面形状的制品，如管材、工字型材等）、网格材（包括硬质的网格和柔性的格栅）等[6]。轻质高强的FRP材料具有良好的耐久性和抗疲劳性能，已经在桥梁构件中得到广泛应用，主要形式在以下两个方面：（1）用于提高刚度和承载能力的加固构件；（2）与钢或混凝土结合，形成性能更优的组合构件。 3.1 FRP加固构件 FRP最早被广泛应用于混凝土结构加固领域，可封闭裂缝，有效提升极限承载能力。桥梁加固用FRP主要是片材和筋材。周朝阳等[7]对CFRP布，邢丽丽等[8]对AFRP加固混凝土梁进行试验研究。薛伟辰[9]对AFRP筋与不同加固基体的黏结强度进行了系统的拉拔试验研究。吴智深[10]开发了BFRP网格/筋加固技术，已在南京长江大桥的加固修复中得到成功应用。然而，大量桥梁病害研究表明：既有旧桥普遍存在的问题是刚度不足，导致开裂或变形过大，直接粘贴FRP加固由于应力滞后效应，FRP材料的应力水平一般不超过其抗拉强度的20%，加固效应很低。因此对FRP材料施加预应力是提高加固效率和改善加固效果的有效途径之一，如彭晖等[11]提出了嵌入式锚固的预应力CFRP板加固系统。由于CFRP抗拉强度和弹模都比较高，所以预应力CFRP加固技术得到快速发展，近年来国内已经有工程应用实例，如图13所示。 在FRP加固钢结构方面，叶华文[12,13]基于自主研发的预应力CFRP板锚固及张拉系统，采用多预应力水平CFRP板加固受损钢梁，通过疲劳试验和理论分析，评估无粘结CFRP板加固受损钢梁疲劳性能，提出简便实用的疲劳寿命计算理论和分析方法。陈涛、余倩倩等[14]对CFRP加固受损钢管和钢板的裂纹扩展及疲劳寿命进行试验研究与分析。这些研究[13-15]结果都表明了预应力FRP能显著提高损伤钢结构的剩余寿命。近年来，在预应力FRP技术基础上，国内外一些学者引入传感器，如光纤，形成智能复合材料。周智、欧进萍等[16]采用自主研发的满足拉挤成型工艺的OFBG-CFRP智能碳纤维复合板对混凝土梁进行预应力加固，并利用实时监测CFRP板应变。邓朗妮等[17]研制智能碳纤维（CFRP-OFBG）板，对钢筋混凝土梁进行嵌入式加固，试验结果证明了CFRP-OFBG板在智能监测方面有良好的适用性，为今后结构加固与监测一体化提供了重要参考。
图13 预应力CFRP板加固技术 3.2 FRP组合构件 FRP组合构件在新建桥梁中得到越来越广泛的应用，主要表现为三种形式： （1）FRP与混凝土或钢结合，形成多材料的复合受力单元。最常见的是FRP混凝土组合梁构件，上部混凝土承受压力、下部FRP拉挤型材承受拉力[18]。滕锦光等[19]开展了FRP-钢-混凝土组合柱的研究。祝明桥等[20]提出一种钢-FRP组合平面桁架。这些FRP组合梁柱在试验中性能优异，但因受制于材料成本、施工工艺和设计规范，在实桥中的应用很少。 （2）FRP作为桥梁结构的主要受力构件之一，如FRP拉索。与传统钢丝索相比，FRP索耐腐蚀，其疲劳强度也高于钢索，因此在大跨度的斜拉桥或悬索桥中使用，可降低索自重，有利于结构受力。1996年Urs Meier在瑞士温特图尔（Winterthur）独塔斜拉桥 Storchenbrucke桥（63 61m，公路桥），采用了2根35m CFRP拉索，近三十年来对CFRP索的应力监测表明了其状态良好，图14为笔者2018年参观该桥。我国江苏大学也修建了CFRP索斜拉桥[21]。强士中、叶华文、诸葛萍、李翠娟等[22]基于国家863计划项目进行主跨3500m级碳纤维增强塑料（CFRP）主缆悬索桥原型设计研究，发现CFRP主缆的动力特性是控制因素。由于FRP抗剪强度远低于抗拉强度，阻碍FRP拉索大规模应用的关键问题是锚固系统，诸葛萍、侯苏伟等[23]、汪昕[24]提出提出了性能较好的锚具设计，实桥应用仍需继续研究。
图14 Winterthur公路桥 CFRP索 （3）FRP型材作为桥面结构或桥墩船撞防护。熊治华、刘玉擎等[25]对GFRP 桥面板的制作与受力性能进行研究，提出了大规模工程应用的建议。刘伟庆等[2]提出了复合材料桥梁防船撞系统，并应用于多项实际工程中。 由于FRP制造工艺和材料性能的特点，难以避免会存在缺陷或损伤，这些缺陷或损伤对FRP结构静强度、疲劳性能和稳定性产生重要影响。因此FRP构件缺陷和损伤无损检测方法、检测标准以及测试设备是FRP构件正常服役的保证，航空航天行业已经出台了一些相应规范，在桥梁结构上仍然缺乏关注。 目前国内外针对FRP组合构件开展了一系列研究工作，在制作工艺、基本力学性能、耐久性、工程应用等多方面积累了大量的经验和基础数据，推动了其发展。在现有成果基础上，FRP构件的推广应用还需解决以下两方面问题：（Ⅰ）FRP构件与传统建筑材料构件的连接构造的可靠性与耐久性；（Ⅱ）FRP构件标准化设计与制造、性能测试标准和技术。 4. 全FRP桥梁结构 近三十年来，FRP材料用于桥梁主要受力构件的工程实例越来越多。1986年重庆交通学院（现重庆交通大学）在校门口修建了一座主跨27m的全部用GFRP制作的独塔单索面斜拉人行桥，造型优美，是我国第一座全FRP桥梁，可惜后来因故拆除。图15是纽约市2019年完工的第一座FRP人行天桥，全长约70米，桁架和桥面均采用FRP材料。缅因大学先进结构与复合材料中心2019年研发的拱桥主拱采用FRP管，跨度可达24m，如图16所示，研发的AIT CT梁系统由FRP 筒组成，比钢材轻50% ，比混凝土梁轻75%，可明显降低施工成本。图17为几十座全FRP桥梁结构的统计情况，可见：目前FRP桥梁主要是荷载较小的人行桥，材料主要是GFRP，在公路桥上的应用很少。由于相同跨度下FRP桥比钢桥或混凝土桥自重轻，其动力行为很可能是设计控制状态。Xiaojun Wei等[26]对大量的FRP，钢及混凝土人行桥的动力特性（自振频率和阻尼比）进行分析和测试，发现相同情况下FRP桥梁的阻尼比传统材料桥梁高2.5倍，自重轻8.6倍，对动载的激励更敏感。
图15 纽约FRP人行天桥 对于传统桥梁结构，已经具有分工明确的材料、设计、制造和检测系统，这样的制度设计基于有限的、确定的材料种类，如少数不同强度等级的混凝土和钢材。对于性能可设计的FRP材料，只有将材料与结构进行一体化设计，统一考虑材料、设计、制造和检测，才能发挥FRP的优异性能，体现桥梁结构全寿命周期内的自组织、自修复、自检和材料循环利用的多功能优势，如图18所示。基于材料-结构一体化设计理念的FRP桥梁会对现有桥梁领域的规范体系、管理系统、施工方法等产生深远的，革命性的影响。
图16 FRP主拱的拱桥
图17 FRP桥梁统计
图18 FRP桥梁全寿命周期设计目标 5. 热点与展望 团队简介 研究团队长期从事于FRP及其在桥梁工程应用研究，从FRP材料性能、CFRP加固技术、FRP索承桥梁等多个方面进行了创新性研究，提出FRP加固梁疲劳寿命计算理论，新型FRP锚固装置和FRP-钢组合截面索，取得一系列卓越的学术成果。团队主持国家自然科学基金项目、国家863计划项目、国家自然科学基金面上项目、四川省面上基金等，先后在《Composite Structures》、《Engineering Structures》、《Journal of composites for construction》、《土木工程学报》、《西南交大学报》等国内外期刊发表学术论文80余篇，出版专著一部《重返桥梁垮塌现场》。 承担的相关科研项目： 1. 国家自然科学基金项目（青年项目），预应力碳纤维（CFRP）板加固钢梁疲劳机理与寿命评估方法研究 2. 国家高技术研究发展计划（863）项目，主跨3500m级碳纤维增强塑料（CFRP）主缆悬索桥原型设计 3. 国家自然科学基金（青年项目），基于防腐和受力性能的钢-碳纤维（CFRP)组合缆索截面形式研究 4. 国家自然科学基金（面上项目），基于服役环境腐蚀的悬索桥主缆抗力退化模型和计算方法研究 5. 国家自然科学基金（青年项目），波形钢腹板曲线箱梁的空间力学行为及一维梁段分析方法研究 部分代表性论文： [1] Huawen Ye ,Chuanjie Wu,Tianqi Wang. A comparative analysis of driving force models for fatigue crack propagation of CFRP-reinforced steel structure [J]. International Journal of Fatigue, 2020, 130: 105266. [2] 叶华文，李新舜，帅淳，曲浩博，徐勋，卫星.无粘结预应力CFRP板加固受损钢梁疲劳试验研究[J].西南交通大学学报，2019，54(1)：129-136. [3] Huawen Ye ,Tianqi Wang ,Chun Shuai ,Changmeng Liu ,Xun Xu. A novel driving force parameter △K1-αeff Kαmax for fatigue crack propagation in prestressed-CFRP-repaired steel structure[J]. Composite structures, 214(2019):183-190. [4] Huawen Ye ,Chuanjie Wu,Dejun Liu,Tianqi Wang,Qing Zhang. Friction and wear behavior of CFRP plate in contact with roughened mould steel under high normal pressure[J]. Construction and Building Materials, 220(2019):308-319. [5] Huawen Ye ,Qing Zhang,Changmeng Liu,Chuanjie Wu,Zhichao Duan. Failure mechanisms governing anchoring force of friction-based wedge anchorage for prestressed CFRP plate[J]. Composite Structures, 225(2019)111142. [6] 叶华文，王力武，张庆，徐勋，卫星.波形钢腹板组合梁弯曲变形的三角级数解[J].西南交通大学学报，2019，54(4)：1-9. [7] Huawen Ye, Li Cuijuan, Pei Shiling, Ummenhofer T, Qu Haobo. Fatigue Performance Analysis of Damaged Steel Beams Strengthened with Prestressed Unbonded CFRP Plates[J]. Journal of Bridge Engineering, 2018, 23(7): 04018040. [8] Huawen Ye,Changmeng Liu, Suwei Hou，Xinshun Li. Design and experimental analysis of a novel wedge anchor for prestressed CFRP plates using pre-tensioned bolts[J]. Composite structures, 206(2018):313-325. [9] Huawen Ye, Shuai Chun, Zhang Xun ,Xu Xun ,Ummenhofer Thomas. Determination of S-N fatigue curves for damaged steel plates strengthened with prestressed CFRP plates under tension loading. Eng Struct 2018;175:669-677. [10] Ye Huawen, Christian K nig, T.Ummenhofer, Qiang Shizhong, Robin Plum. Fatigue performance of tension steel plates strengthened with prestressed CFRP laminates[J]. Journal of Composites for Construction, 2010,14(5):609-615. [11] Cuijuan Li, Huawen Ye, Maolin Tang, and Xiaomin Yuan.Analytical Solution for Horizontal Tension of Main Cable in Erection of Stiffening Girder,KSCE Journal of Civil Engineering (2018) 22(10):3940-3947 [12] Xu Xun,YeHuawen.A Unified Theory of Distortion Analysis of Thin-Walled Hollow Sections[J].International Journal of Steel Structures,2019,19(3):769-786 [13] 李翠娟,李永乐,叶华文,强士中.交叉吊索对施工中悬索桥的静风稳定性影响[J].西南交通大学学报,2017,52(04):655-662. [14] 李翠娟,李永乐,强士中.分离式双箱主梁断面气动优化措施研究[J].土木工程学报,2015,48（11）：54-60. 团队人员介绍：
叶华文，男，博士，副教授，硕士生导师。西南交通大学和德国布伦瑞克工业大学联合培养博士（2007-2009年）。注册结构师、注册桥梁检测师、四川省科技厅项目评审专家、成都铁路局顾问专家。主要研究方向：大跨钢桥疲劳及桥梁加固、高性能纤维材料工程应用等方面。主持国家自然科学基金青年基金1项、四川省面上基金1项、中央高校基本科研业务费专项资金项目1项、西南交通大学科学发展基金2项等纵向项目，发表文章50余篇。主研包括国家重点研发计划、四川省重大研发项目、“863”计划、铁道部重大课题等纵向项目20余项。主持及参与了30余项横向项目，包括港珠澳大桥、重庆菜园坝长江大桥、朝天门长江大桥、两江大桥、东沙大桥、湛江海湾大桥、海口如意岛跨海大桥等。Journal of Bridge Engineering、Engineering Structures、Composite structures、中国公路学报、西南交通大学学报、长安大学学报、中外公路、长沙理工大学学报等期刊的审稿人。联系邮箱：hbha2000@163.com
徐勋，男，工学博士，讲师。近年来主研完成各类科研项目10余项，其中国家级项目1项，省部级项目4项。在国内外学术刊物和学术会议上发表学术论文近20篇，其中国内顶级期刊10余篇，EI收录8篇，ISTP收录1篇。主参编写教材1本。作为主研完成大曲率钢箱梁，安庆长江大桥，郑州黄河公铁两用大桥、重庆两江桥、马新大桥等多座国内大跨桥梁的关键构造研究，对箱梁桥结构行为和大跨度桥梁结构行为有较好的研究基础。
李翠娟，女，博士，副教授，硕士生导师。四川省海外高层次留学人才，多年来专注于碳纤维（CFRP）等新材料在桥梁中的应用、大跨度桥梁抗风以及悬索桥主缆防腐等方面的研究工作。主要承担《结构力学》和《结构分析计算机程序与应用》课程教学工作。近年来主持和参研的国家级、省部级科研项目20余项。在国内外权威期刊和会议上发表论文40余篇，主编教材1本，参编学术专著2部，获批发明专利1项，实用新型专利2项。主要研究方向：(1) 碳纤维材料（CFRP）在桥梁中的应用；(2) 桥梁结构风致振动响应及防治措施;(3) 悬索桥主缆腐蚀机理及防腐措施。联系邮箱：Lcj@swjtu.edu.cn
强士中，男，博士，教授，博士生导师。西南交通大学土木学院原院长，曾任中国钢结构协会理事，中国铁道桥梁协会理事等职务，1985年被广东省交通厅聘为顾问洛溪大桥顾问，后曾担任虎门珠江大桥、芜湖长江大桥、南京长江二桥、宜昌长江大桥、南京长江三桥等国家重点工程的顾问，曾获得五一劳动奖章。在国内外发表论文120余篇， 出版译著两部，主编教材两部。 参考文献 |
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