建筑结构丨来看看扎哈和乔布斯都钟情的跨界之“材”——FRP

1 走近FRP

纤维增强复合材料（Fiber Reinforced Polymer/Plastic，以下简称FRP）是由纤维材料与基体材料（树脂）按一定的比例混合后形成的高性能型材料。

从航天走向建筑

自20世纪40年代问世以来，基于其良好的性能，FRP最初应用于航空航天，海洋和汽车等行业。20世纪50~60年代，FRP的应用逐渐转向于民用建筑领域。我国于1958年就开始探索以玻璃纤维束代替混凝土构件中的钢筋。

随着材料成本的降低，FRP以其轻质高强、耐腐蚀、施工性能好等优点，适应现代工程向大跨、高耸、重载、轻质发展的需求，被工程界逐渐认可，并开始以建筑表皮、主体结构、修补材料等各种形式应用于实际工程中。

建材FRP的利与弊 利处

（1）轻质高强

FRP相对密度在1.5~2.0之间，只有碳钢的1/4~1/5，因此可大大减轻结构自重，加之其较高的比强度，从而降低地震带来的危害，基本完美满足对新材料轻质高强的定义。

在建筑工程中，采用FRP材料的大跨空间结构体系的理论极限跨度要比传统材料结构大2-3倍，因此，FRP结构和FRP组合结构是获得超大跨度的重要途径。

（2）良好的耐腐蚀性

FRP对大气、水和一般浓度的酸、碱、盐以及多种油类和溶剂都有较好的抵抗能力。

一些发达国家已经开始在寒冷地区和近海地区的桥梁、建筑中较大规模地采用FRP，以抵抗除冰盐和空气中盐分的腐蚀，极大地降低了结构的维护费用，延长了结构的使用寿命。我国每年因钢材锈蚀而造成的损失巨大且在逐年增加，可以效仿发达国家，尝试使用FRP。

（3）良好的可塑性

FRP属于人工材料， 可以通过使用不同的纤维材料、纤维含量和铺陈方向设计出满足各种强度指标、弹性模量以及特殊性能要求的FRP产品。其形状、色彩、透光率等都可灵活控制，适用于各类造型奇特或有特殊要求的建筑表皮和雕像造型。

（4）良好的弹性性能

FRP应力应变曲线接近线弹性，在发生较大变形后还能恢复原状，塑性变形小，有利于结构偶然超载后的变形恢复，也能较强抵抗例如地震、台风等自然灾害的侵害。

弊端

（1）耐火性较差

与混凝土相比较，一般的FRP材料的防火性能较差，但可以通过掺入阻燃剂和表面防火处理提高其防火性能。

（2）耐久性未知

FRP材料诞生不过60多年，应用于土木工程中也仅40余年，尚未累积足够的工程实践经验，没有真实案例证实其耐久性。虽然目前许多FRP供应商都通过快速老化试验来证明其产品的寿命在35年以上，甚至达到70年，但影响耐久性的因素非常复杂，对FRP结构的耐久性还需要进行更为深入和广泛的研究。

2 神通广大的FRP

建筑表皮

旧金山当代艺术馆加建部分，立面灵感来源于常年环绕旧金山湾的水和雾，由多达700个形状独特的FRP面板组成，共计22000㎡。波纹立面嵌入产自蒙特雷县的硅酸盐水晶，以捕捉和反射不断变化的阳光产生自然起伏的效果。FRP的另一大好处是整体较轻，无需在主体结构上额外附加钢框架即可附着。

扎哈的香奈儿流动艺术博物馆面积约700㎡，主结构构件为钢结构，外皮为宽度不超过2.55m的GFRP曲面板，在较短时间内就能进行拆卸和拼装，使其成功地完成了从香港途径东京、纽约、莫斯科、伦敦直至巴黎的全球巡展。

主体结构

史蒂夫·乔布斯剧院，有着全球最大的碳纤维屋盖。直径长达34米，厚度又极薄的屋盖，架在10米高的玻璃幕墙上，给人一种"凌空漂浮感"。

这既要求屋顶轻质不至于压垮玻璃幕墙，又要有足够的强度支撑自重。攻克这一难题的正是FRP的一种，碳纤维复合增强材料CFRP ，整个屋盖自重仅80吨，完全可以整体吊装。而如果换成钢板，大约会重达320~480吨。

桥梁也是FRP结构的一大用武之地。较强的耐腐蚀性使FRP的维护非常低，FRP甲板的使用寿命也更长，因此FRP的生命周期成本甚至比普通材料更低。此外，同等体量的玻璃钢桥面板只相当于钢筋混凝土桥面重量的10-20％，可显着减少静载荷。并且可以使用更简单的设备安装甲板，不需要昂贵的起重机，反铲挖土机或挖掘机已经足够，大大降低了安装成本。

局部加固

将FRP片材粘贴在构件表面受拉，可以增强构件的受力性能。相较于外贴钢板来加固混凝土结构，FRP有着更优越的物理力学性能（高强、质轻、耐蚀）及便于施工操作的特点。

利用FRP的补强技术在欧美、日本等发达国家已近成熟，并形成了相应的设计和施工准则。我国大陆1998年后才对FRP加固技术开展了一系列的研究，在一些重大工程，如人民大会堂、民族文化宫的加固改造中得到了应用。2000年完成了我国首部FRP片材加固设计与施工技术规程。近年我国还开展了FRP片材加固砌体结构和钢结构的研究和应用。

3 未来的FRP

当前阻碍FRP大量运用在实际工程中的主要因素之一是材料价格。仅从价格上看，FRP与钢筋混凝土相比没有竞争力，但由于自重轻，并考虑到FRP材料耐腐蚀所带来的低廉的维护费用，采用FRP材料的综合经济效益是值得重视的。此外，由于FRP目前在工程结构中还处于初期应用阶段，初期费用是偏高的，随着应用量增大，FRP产品生产规模扩大，其成本势必大大降低。

另外，面对建筑工业化的必然趋势，FRP产品适合于在工厂生产、运送到工地、现场安装的工业化施工过程，有利于保证工程质量、提高劳动效率和建筑工业化。

来源：网易云建筑

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