淺談FRP材料在土木工程加固領域中的應用

摘 要 纖維增強復合材料（FRP）是近年來在土木工程加固領域中開始應用的新型材料，利用FRP的結構加固技術在土木工程領域得到廣泛應用。本文詳細介紹了土木工程加固領域中常用的FRP材料的類型、物理特性，分析了相關加固技術優點與不足，并介紹FRP結構及FRP加固技術在國內外的應用和發展概況。

關鍵詞 纖維增強復合材料 土木工程 加固

中圖分類號：TU599 文獻標識碼：A

0 前言

近些年來，隨著我國社會經濟水平的迅猛發展，人們對建筑物的使用要求越來越高，用途越來越復雜。當建筑的使用功能要求發生改變或是出現結構設計上的疏忽時，對建筑物采取加固措施是非常有必要的。建筑物的加固可以以極小的成本維護或增加保證建筑物的使用功能。從上世紀六十年代起，人們開始使用外貼鋼板來加固混凝土結構。該方法雖然成本低、易操作，但是這種方法存在許多不足之處：（1）鋼材自重較大，增加了建筑物的使用荷載；（2）影響建筑物的美觀，有時候也會給使用造成很大影響；（3）鋼材抗腐蝕性能差，長期的環境作用易生銹，從而削弱其加固效果，這一點在工業建筑中尤為突出；（4）施工工藝復雜，施工周期較長，施工期間需要建筑物停止使用，給正常的生產和生活造成一定影響。

自九十年代以來，纖維增強塑料（fiber reinforced plastic，簡稱FRP）片材以其優越的物理力學性能（高強、質輕、耐蝕）及便于施工操作的特點，逐漸取代鋼板來加固混凝土結構。這種新的加固技術正好克服了上述傳統方法的缺點。

1 種類及特性

在建筑領域中常用的FRP材料主要包括碳纖維（carbon fiber，簡稱CFRP）、玻璃纖維（glass fiber，簡稱GFRP）以及芳綸纖維（aramid fiber，簡稱AFRP）等。這幾類纖維材料的物理力學性能十分優越，如拉伸強度與比重的比值，即我們所說的“比強度”是鋼材的幾十倍，輕質高強的特點十分突出。它們的拉伸模量與比重的比值，即我們所說的“比模量”也明前高于鋼材。CFRP的比模量是鋼材的10倍，AFRP的比模量是鋼材的2～3倍。除上述提到的種類外，還有一種叫做混雜復合纖維（hybrid fiber簡稱HFRP），它是由兩種或兩種以上不同纖維、不同基體、不同形狀的纖維材料混合加工而成的。混雜纖維兼具各組成成分的優點。

總之，與鋼材等傳統的加固材料相比，FRP材料具有明顯的優勢，具體體現在以下幾個方面：（1）比強度較高，即具有輕質高強特性。與傳統的鋼材加固相比，采用FRP材料能有效減輕結構自重；（2）耐酸、耐堿、耐潮濕、抗疲勞性能好；（3）可設計性強，通過使用不同類型的纖維材料、含量和鋪設方向設計出不同強度指標、彈性模量以及其它特殊性能要求的 FRP產品，滿足不同角度的需求；（4）具有良好的線彈性性能，應力應變曲線接近線彈性；（5）具有易于加工、運輸及儲藏等優點，FRP的成型產品還特別適合工業化施工，這極大提高了加固工程的質量、促進了勞動效率和建筑工業化。

雖然如此，FRP材料也有其不足之處。如材料各向異性導致其受力性能不均勻，彈性模量較低及抗火性能差也限制了其應用。

2 FRP材料在土木工程中領域的應用

2.1 作為結構材料

1942年，美國海軍首次采用GFRP材料制作雷達天線罩，這是FRP首次作為結構材料使用。二十世紀五六十年代，FRP的應用逐漸轉向于民用建筑領域。1961年，英國工程師采用GFRP制作某新建教堂的尖頂；1968年，英國工程師在某港口城市建筑某個建筑物的彎頂時，由于當地空氣中氯鹽含量較高，對建筑物有很大的腐蝕作用，采用了GFRP板和鋁質骨架；1971年，英國利物浦建成了一座跨徑10米，寬1.5米的GFRP連續梁橋。

我國對FRP的研究始于上世紀五十年代末期。1958年，有學者研究在混凝土構件中使用玻璃纖維束替代鋼筋。到二十世紀七八十年代，FRP在建筑結構中的應用越來越多。1972年，云南省某地建造的一個球形雷達天線罩，（下轉第202頁）（上接第184頁）該天線罩全部采用GFRP材料制作而成。1982年，北京建成一座GFRP蜂窩箱梁公路橋，該橋跨徑20.7米，為世界第一座使用FRP材料建筑的公路橋。在此之后，FRP在土木工程結構中的應用實例越來越多。但是，絕大多數的應用實例都是將FRP應用在附屬性、臨時性的構件，屬于嘗試性的。

近年來，隨著FRP材料生產技術的不斷更新與發展，其在建筑結構領域中的應用也越來越廣。截止到目前，諸如 FRP建筑結構、FRP橋梁結構等FRP材料在土木工程領域中的應用實例在全國各地隨處可見。

2.2 作為加固材料

結構的主要受力構件使用FRP材料，在減輕結構自重方面的優勢十分突出。但是，以現有生產工藝大面積制造大尺寸FRP構件的成本較高，想在短時間內以FRP材料大面積替換傳統建筑材料的可能性不大。近十幾年來，全世界范圍內的發生幾次大地震后，建筑結構修復補強的需要越來越多，而傳統的加固方式存在著難以克服的問題。這就給利用FRP材料加固補強建筑結構的相關技術提供了很好的工程背景。目前，針對FRP材料在結構加固領域中的研究和應用已經成為了目前學術界的一個研究熱點。上世紀八十年代初，日本率先開始研究使用FRP材料加固補強老舊建筑物，特別是對老舊建筑抗震性能的加固與補強進行了細致的研究。上世紀九十年代，歐美發達國家相繼開展了FRP加固技術的研究。美國率先將FRP應用于橋面板加固補強中。在歐洲，瑞士和德國最早開展FRP材料加固鋼筋混凝土柱的抗震性能研究。英國、意大利、荷蘭等國家也針對FRP加固技術進行了廣泛的合作研究計劃。截止至目前，利用FRP的補強技術在歐美、日本等發達國家已近成熟，并形成了自己的設計和施工準則。

我國的碳纖維加固修補混凝土結構技術起步于上世紀九十年代。但自1997年以來，國內各高等院校、科研院所也積極開展了相關的科研工作，取得的研究成果十分豐碩。中國建筑科學研究院等對FRP加固混凝土結構的相關理論、技術進行了系統的研究。清華大學等對CFRP加固各類結構的承載力及影響因素進行了細致深入的研究。東南大學、華中科技大學等對混凝土框架節點粘鋼加固及抗剪承載力進行了研究，提出了承載力的計算公式。沈陽建筑大學等對FRP加強鋼管混凝土柱結構的力學性能進行了深入研究。

3 結語

隨著技術的向前發展，利用FRP加固的新方法已經從工業與民用建筑的加固修復發展到加固橋梁、隧道、水利工程以及其他特種結構的加固修復。FRP 材料在土木工程加固領域中有著非常廣闊的應用前景，但關于FRP加固建筑結構的基本理論和設計方法的仍存在許多不足，在這方面的科研工作需要較強。但是，FRP 材料作為一種新興的材料，其在建筑結構加固領域中的應用優勢是不可忽視的，它在土木工程加固領域中的應用定會越來越廣泛。