FRP在工程結構加固的應用

郭文楊 劉敬濤

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0 引言

FRP是纖維增強復合材料的統稱。所謂復合材料是由增強體和基體構成，根據復合材料中增強體的幾何形態，可以分為纖維增強復合材料、顆粒增強復合材料、薄片增強復合材料和疊層增強復合材料四種。FRP中的基體種類有：樹脂基體、金屬基體、陶瓷基體和碳素基體等；纖維種類有：玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、玄武巖纖維、聚烯烴纖維以及金屬纖維等。組分不同，FRP的性能會有很大的差別。目前土木工程中常用的FRP材料主要是樹脂基體的玻璃纖維(GFRP)、碳纖維(CFRP)、玄武巖纖維（BFRP）和芳綸纖維(AFRP)。它們的力學性能參數變化范圍很大，因此在工程中有很大的靈活性，具有可設計性。

1 FRP材料在工程結構中應用的優勢

結構工程中常用FRP的主要性能參數與鋼筋的對比[1]。可知FRP的比強度(拉伸強度/密度)為鋼材的20～50倍，輕質高強性能突出；CFRP的比模量(彈性模量/密度)為鋼材的5～10倍，AFRP的比模量為鋼材的2～3倍，GFRP的比模量與鋼材相當。因此，FRP材料可大大減輕結構自重。此外，FRP還具有一些其它優點:（1）FRP具有良好的抗腐蝕性能，可以在酸、堿、鹽和潮濕環境下抵抗化學腐蝕，因此，FRP材料非常適合在一些特殊工程中代替或部分代替傳統建筑結構材料；（2）FRP的彈性性能好，應力—應變曲線接近線性，在發生較大變形后還能恢復原狀，塑性變形很小，這對于承受較大動載和沖擊荷載的結構比較有利；（3）FRP具有較好的設計性，可以通過采用不同纖維種類、控制纖維含量和鋪襯方向以及成型工藝等方法設計出各種強度和彈性模量的FRP產品，以滿足工程的特殊使用要求；（4）FRP產品具有絕緣、隔熱、抗電磁波、不導磁、熱膨脹系數小等特點。因此FRP復合材料具有傳統材料(如鋼材)無法比擬的優勢。

2 FRP加固技術發展簡介

FRP用于結構加固始于20世紀80年代日、歐、美等發達國家，1982年，Meier[2]首先在瑞士聯邦材料實驗室進行了CFRP加固混凝土的試驗研究。隨后，許多高等院校、科研機構和材料生產廠家在結構加固方面進行了大量的研究。1991年，美國混凝土協會(ACI)成立專業委員會(ACI440)，負責開展纖維增強復合材料加固結構的研究，并于1993年在加拿大溫哥華召開了第一屆FRP增強混凝土結構的國際會議。此后，該會議每兩年舉辦一次。日本在FRP的研究、開發和應用中一直占領先地位，并編制了各種設計手冊、施工指南和規范等。研究表明，FRP加固技術效果明顯、施工效率很高。

我國有關FRP加固修復建筑結構技術的研究起步較晚。自1997年以來，以東南大學、國家工業建筑診斷與改造工程技術研究中心及清華大學為代表的高等院校和科研機構在FRP加固技術和設計計算理論等方面進行了大量的研究，已取得一批創新性的研究成果。此外，天津大學、四川省建筑科學研究院、中南大學、武漢大學、西南交通大學、浙江大學等多家單位也相繼對其開展了研究，取得了大量的科研成果，極大推進了FRP材料在我國工程結構中的應用。目前，國家工業建筑診斷與改造工程技術研究中心、東南大學等單位已完成多項實際工程的加固。

為了擴大技術交流、提高技術水平，中國土木工程學會混凝土及預應力混凝土分會于2000年6月成立了“纖維增強塑料(FRP)及工程應用專業委員會”，同時在北京召開了第一屆“中國纖維增強塑料(FRP)混凝土結構學術交流會”，并在以后每兩年舉辦一次，成為我國在該技術領域的主導專題會議。在FRP加固規范的制定方面，我國已編制并頒布了中國工程建設標準化協會標準 《碳纖維片材加固混凝土結構技術規程》、國家標準及建設部標準《結構加固修復用碳纖維片材產品標準》和《結構加固修復用粘貼樹脂產品標準》，其它規范正在編制中。這些標準對指導FRP在我國土木工程中應用起到規范作用。目前，FRP加固技術的研究及應用正在以高速度發展，已經成為全國工程界高度重視的一項課題。

3 FRP在結構加固中主要應用于以下幾個方面

1）抗彎抗剪加固

抗彎抗剪加固又分為：（1）外包/外粘FRP加固混凝土結構；（2）嵌入式FRP加固技術；（3）預應力FRP加固。目前，大部份的研究與應用都集中在外包/外粘FRP加固混凝土結構，這種形式主要有FRP加固梁、板等。嵌入式FRP加固技術是近年發展起來的加固技術，該技術通過在混凝土表面開槽，將FRP筋或FRP板條和樹脂置于其中來達到加固目的，是對外包/外粘FRP加固技術的一個重要發展。預應力FRP加固混凝土是另一項值得深入研究的技術，通過對FRP施加預應力，可以更加充分地發揮FRP高強的優勢，同時改善結構在使用極限狀態的性能。

2）混凝土結構的抗震加固

采用FRP外包混凝土柱是一種經濟、有效的抗震加固方法。世界各地已進行了大量的FRP加固混凝土柱力學性能的研究與應用，國內外已有許多應用FRP加固房屋結構柱與橋柱的成功案例。為方便施工，還開發出了FRP自動纏繞系統[3-5]。

3）鋼結構、砌體結構、木結構等加固

外粘FRP布或板是加固鋼結構的一種理想方法，利用外粘FRP提高鋼結構的抗疲勞性能，可避免在加固過程產生殘余應力。此外，在砌體結構與木結構中，FRP也有成功應用。

4）復雜環境下下部結構的加固

最近幾年，由于環境影響，地下基礎顯示出結構性能劣化與抗力衰減。該情況的產生原因復雜、大量，FRP則顯現出是解決復雜環境下部結構問題的可行材料。而且FRP成功用于加固水下基礎[6]。

5）特種結構加固

除上述應用領域外，FRP在橋梁、隧道、塔桅結構、儲液罐、管道和煙囪結構也有加固應用的報道[7]。

4 結束語

FRP的研發以及在土木工程中的應用，己成為復合材料界與土木工程界共同研究開發的一個熱點。該技術的成功研發能極大地推動現代土木工程技術的進步，為現代復合材料產業開辟出巨大的應用市場，具有非常廣闊的發展應用前景。FRP加固混凝土結構在中國起步雖然較晚，但起點高，發展十分迅猛，為推進加固技術在中國的研究和發展應加強FRP在結構加固方面的研究。

［1］葉列平，馮鵬.FRP在工程結構中的應用與發展[J].土木工程學報，2006，39（3）：24-36.

［2］吳剛，呂志濤.外貼CFRP加固混凝土結構的抗彎設計方法[J].建筑結構，2000，30（7）：7-10.

［5］譚壯，葉列平.纖維復合材料布加固混凝土梁受剪性能的試驗研究[J].土木工程學報，2003，36（11）：12-18.

［4］任慧韜.纖維增強復合材料加固混凝土結構基本力學性能和長期受力性能研究[D].大連:大連理工大學土木工程學院，2003.