FRP加固剪力墻抗沖擊性能的研究進展

時成龍，張紀剛,2,*，張宜聰，張夢琳

(1.青島理工大學 土木工程學院，青島 266033；2.山東省高等學校藍色經濟區工程建設與安全協同創新中心，青島 266033)

纖維增強復合材料(Fiber Reinforced Plastics，簡稱 FRP)對鋼筋混凝土結構進行結構動力性能(抗震、抗沖擊、抗爆)提升已經成為工程界和學術界共同關心的課題.纖維增強復合材料因其輕質高強、耐腐蝕、施工便捷、耐久性及抗疲勞性能好、可設計性強等特點在土木工程領域得到廣泛應用和研究，成為繼混凝土、鋼材后的第三大建筑材料[1-3].FRP材料的一個最常見應用是用作外包混凝土結構進行混凝土結構加固.大量的試驗研究表明FRP加固混凝土結構的延性通常取決于FRP材料本身的斷裂應變[1-2]，因此利用大應變FRP材料斷裂應變大的特點，可以增加鋼筋混凝土結構的延性，防止混凝土結構倒塌.

隨著纖維復合材料的發展，將纖維復合材料應用到剪力墻/板加固中的方法應運而生，當混凝土結構受到外部的沖擊、爆炸等動力荷載時，其破壞形態主要是彎曲破壞，因此在沖擊作用下，控制構件的撓度變形就變得尤為重要.纖維復合材料利用自身的輕質高強、抗拉強度高的特點外貼混凝土結構中，從而減小結構的撓度變形，對結構起到加固的作用，提高使用壽命，減少財產的損失.

1 FRP-混凝土界面黏結性能

目前FRP(主要是指CFRP/GFRP/AFRP/BFRP)加固混凝土結構時，通常使用環氧樹脂將FRP粘貼在混凝土表面，提高結構的承載力，這就要求樹脂基復合材料具備強度高的性能[4].除此之外，土木工程中還將FRP筋、FRP管等復材應用到混凝土結構中，相比較傳統的建筑材料，纖維增強復合材料具有強度高、密度為鋼材的1/4等優點，其中碳纖維增強復合材料(CFRP)和玻璃纖維增強復合材料(GFRP)應用較多，應力-應變關系如圖1所示.

影響FRP-混凝土界面黏結性能的主要是剪應力，目前研究剪應力的主要試驗方法：單剪實驗、雙剪實驗、梁式實驗和修正梁實驗.而在實際加固中FRP-混凝土界面往往都是不平整的，這就導致混凝土界面除了受到剪應力作用還受到正應力作用，因此YU等[5]通過對FRP-混凝土界面在兩種應力共同作用下的數值分析，從而驗證了兩種應力的存在才是導致混凝土界面剝離的主要因素，在復合材料中，纖維與纖維增強復合材料也存在著一定的差距，如圖2所示.

圖2 FRP、纖維應力-應變關系[5]

到目前為止，針對影響FRP-混凝土界面黏結性能的因素，國內外學者通過研究FRP寬度、厚度、層數、粘貼長度等試驗[6-9]，對混凝土界面黏結受力進行詳細分析；與此同時研究人員還發現混凝土表面的處理程度對界面的黏結性能有較大影響[10-14]，分別對混凝土表面進行鑿毛、打磨、噴砂、打毛等處理方式，結果發現鑿毛和噴砂對FRP外貼混凝土結構提高承載力具有明顯的效果.

研究人員在總結前人成果的基礎上，將FRP-混凝土界面黏結方式進行改進，提出黏結強度模型[15]、黏結滑移模型[16]；SAIIDI、施嘉偉、BRUNO等[17-19]通過研究FRP-混凝土界面動態黏結性能，發現應變率對黏結強度、界面斷裂、應力應變有較大的影響.但是目前對于FRP-混凝土界面黏結性能的研究主要集中在靜態荷載條件，而在動態荷載下的研究還比較少，受力機理還不夠明確.

2 理論分析與數值模擬

目前針對FRP外貼剪力墻抗沖擊的研究以試驗研究為主，再加上ANSYS/LS-DYNA，ABAQUS等大型有限元分析軟件進行數值模擬，研究學者首先根據分離式霍普金森壓桿(Split Hopkinson Pressure Bar(簡稱SHPB))進行材料性能試驗，提出了在超高速響應下的正交異性材料模型[20]；沖擊以擺錘和落錘沖擊為主要的沖擊裝置，開展了高速和中低速荷載作用下的試驗研究與理論模型研究.李兵等[21]針對剪力墻恢復力曲線模型的選取提出了三線型模型和二線型模型，并且根據剪跨比的大小，來選取曲線模型；史先達[22]從不同的沖擊能量角度考慮，提出了墻板塑性鉸線法的靜力設計方法，并給出了α的建議值.理論分析與試驗的研究是數值模擬的基礎，將試驗結果與理論分析結果進行對比應用到數值模擬中，剪力墻受到沖擊、爆炸等動荷載下，材料、構件的變形特征需要研究人員通過模擬反映出來.

在理論分析的基礎上，加上數值模擬的輔助，研究人員將混凝土結構在高應變率效應的非線性動力反應進行精準模擬，將非線性材料子程序(VUMAT)嵌入ABAQUS有限元分析軟件中[23]，能夠準確實時反映混凝土結構的動態效應.王德斌等[24]在現有模型的基礎上，針對材料的應變率效應采用SCOTT改進后的混凝土模型和鋼筋模型，發現可以有效地模擬不同加載速率下RC柱的力學性能.提高數值模擬精度的關鍵就是混凝土本構模型和鋼筋本構模型的選取，目前研究人員對混凝土采用的模型主要是彈塑性損傷模型(*MAT_CSCM_CONCRETE)，鋼筋采用的模型主要是雙折線模型(*MAT_PLASTIC_KINEMATIC).研究人員可以繼續對本構模型進行二次開發，尋求更加接近真實情況本構模型.

3 FRP抗沖擊性能試驗研究與應用

3.1 中高速沖擊的試驗研究

FRP材料自身的應力應變關系和應變率的相關性是研究FRP加固鋼筋混凝土結構抗沖擊性能的基礎.OU等[25]利用Instron落錘沖擊系統對CFRP在應變率為1/600，40，80，120和160 s-1時的動態拉伸力學性能進行了試驗研究，試驗結果表明FRP材料是應變率敏感材料.在一定的應變率范圍內，拉伸強度、峰值應變和韌性會隨應變率的增大而增大.AIZUBAIDY等[26]使用 Instron 落錘沖擊試驗機研究了在不同應變率下CFRP的動態拉伸力學性能，結果表明CFRP的動態拉伸性能與應變率有關，其拉伸強度和斷裂應變隨應變率的增加而增加.WANG等[27]分析了高速侵徹(210，90，70 m/s)下的CFRP加筋板能量吸收機理(圖3)，在高速沖擊時能量主要以纖維拉斷破壞的形式耗散.目前抗侵徹性能的研究主要是從能量角度和FRP層數進行研究，對于彈體頭部形狀對沖擊的影響研究比較少[28].YU等[29]在CFRP板外側粘貼金屬層，在高速沖擊下金屬層并沒有改變CFRP層的破壞形式，只是降低了沖擊破壞的程度，但是抗沖擊性能明顯提高.一般來說，高速沖擊混凝土結構一次并不會導致結構破壞，往往需要多次撞擊才能使結構失去承載力，因此為了觀察詳細的高速沖擊過程，試驗中主要是通過高速攝像機、加速計或光學傳感器來詳細記錄沖擊過程.

圖3 CFRP加筋板[27]

3.2 鋼筋混凝土板的抗沖擊性能研究

FRP加固鋼筋混凝土剪力墻在沖擊荷載作用下的響應和破壞機理，其類似于爆炸荷載作用下的響應和破壞機理，因此，在沖擊荷載作用下板可能會產生負彎矩[30].將高強度FRP材料粘貼到混凝土受拉區表面，提高梁、板和墻的抗彎性能，除此之外，增加FRP約束層數能夠顯著改善其抗彎性能.MCVAY根據鋼筋混凝土板的沖擊試驗結果，將板的斷裂分為三個階段：臨界層裂、中等層裂、嚴重層裂[31].CRAWFORD等[32]研究發現芳綸纖維增強復合材料(AFRP)的抗沖擊能力要優于CFRP和GFRP，應用于沖擊加固工程中性能更好；BHATTI等[33]對9塊鋼筋混凝土板在AFRP和CFRP加固下的抗沖擊性能進行研究，發現在一次和多次沖擊下，隨著速度的增加板的撓度變形增大，反力也隨著撓度的增加而增加.不同類型FRP加固結構的抗沖擊性能需要從承載能力和能量吸收兩方面進行研究，相同數量的FRP材料，板的橫向加固比縱向加固具有更高的承載力.馬小敏[34]進行了芳綸纖維復合板在平頭彈高速沖擊荷載作用下的研究，發現增加纖維層數能夠明顯減小撓度變形，從而提高結構對能量的吸收效率.

在沖擊荷載作用下，夾層復合材料具有良好的抗彎和剪切性能，特別是纖維增強復合材料板，在航空航天、機械工程、車輛等方面廣泛應用[35-36].BFRP筋因其強度高、剛度小的特點，常用于鋼筋混凝土板配筋中，在相同條件下，BFRP筋板的抗爆炸沖擊損傷程度最小，具有更強的抗沖擊性能[37].實際上，研究人員利用BFRP剛度小的優點，通常將混凝土構件設計為延性破壞，從而提高承載能力[38].研究表明，在沖擊荷載條件下，結構的強度和剛度明顯降低，夾層結構可以充分發揮良好的能量吸收能力[39-41],但是復合材料對沖擊荷載較為敏感[42-44]，為了解決這一問題，研究人員使用夾層CFRP板[45-46]，將蜂窩填充CFRP板與普通板進行對比發現，不僅可以減輕板的質量，還表現出優異的吸能能力和抗沖擊性能.除此之外，將玻璃纖維增強復合材料應用到金屬板中的抗沖擊性能進行了研究[47],在低速沖擊下分析了GFRP板在擺錘沖擊下的破壞機理[48].SADRAIE等[49]對6塊鋼筋混凝土板外貼GFRP布在落錘沖擊下的試驗研究(圖4)，改變GFRP布的粘貼布置方式、配筋率以及板厚等參數，結果表明，隨著板厚的增加，板的剛度也增大，但是鋼筋吸收能量的效率降低.

圖4 落錘沖擊試驗裝置[49]

3.3 剪力墻局部粘貼FRP抗沖擊性能的研究

目前對于FRP加固鋼筋混凝土結構在抗沖擊性能領域的研究還非常有限.在工程加固防護領域中，纖維增強復合材料的應用往往都是大面積外貼鋼筋混凝土結構，對于不需要加固的部分就會造成材料浪費，減小復合材料外貼鋼筋混凝土構件的面積，可以有效地減少沖擊荷載造成的復合材料碎片破壞的威脅，因此在沖擊荷載下進行針對性的加固就顯得尤為重要.周喜輝等[50]選取五種不同的CFRP補片(圓形/正四邊形/菱形/正六邊形/正八邊形)對板進行抗沖擊性能試驗研究，結果表明，圓形補片抗沖擊性能最優，分層損傷最小.LI等[51]對CFRP帶分布式、集中式布置在墻體外側，在瓦斯爆炸作用下的抗沖擊性能進行研究，發現集中式布置可以更好地減小墻體的撓度，承載力更高，從而防止墻體的倒塌，避免過多的布置CFRP帶.研究人員發現采用CFRP布局部加固[52](圖5)，并沒有降低墻體的耗能能力，反而可以改善墻體的強度和變形能力；對于鋼筋混凝土板的沖擊研究[53]，發現在板底粘貼雙向玻璃纖維布條可以明顯減小板的位移，增加縱向GFRP布條數量，破壞模式變為沖孔彎曲破壞.大量試驗研究表明，在沖擊荷載作用下，必然會導致結構出現分層和基體裂紋[54],甚至會出現纖維層的斷裂與結構的穿孔[55-56].因此將聚脲與纖維增強復合材料相結合，使得新型組合材料具有良好的剛度和延性，提高混凝土結構的能量吸收能力.將GFRP和聚脲一起噴涂到墻體加固方法比單純的聚脲噴涂抗沖擊效果更明顯，盡管增加聚脲噴涂的厚度會提高混凝土構件的抗沖擊能力，但是價格昂貴，不符合經濟的理念，因此，將纖維增強復合材料與聚脲混合噴涂，將會充分發揮兩種材料的優點，提高鋼筋混凝土剪力墻抗沖擊性能.

圖5 剪力墻局部粘貼CFRP[52]

綜上，研究人員對纖維增強復合材料加固混凝土結構在中高速沖擊、低速沖擊下的抗沖擊性能進行試驗研究，總結了現在常用于加固的纖維材料以及混合型新材料、新方法.這將進一步推進對纖維增強復合材料抗沖擊加固的研究，局部粘貼纖維布條、纖維與聚脲混合噴涂混凝土結構表面將會是接下來重點研究的方向，面對新材料的研發，鋼筋混凝土結構加固技術將會更加完善.

3.4 FRP在土木工程中的應用

目前，針對爆炸荷載作用下FRP結構性能的經驗和研究成果比較成熟，但是沖擊荷載對結構的影響不同于爆炸荷載，那是因為沖擊荷載通常具有相對較低的荷載率，并且通常集中在結構上的點荷載.鋼筋混凝土結構的沖擊響應具有復雜性，但是研究人員利用FRP筋的高強度特性來改善鋼筋混凝土梁的沖擊后可用性[57-58].PHAM等[59]在鋼筋混凝土梁的沖擊區域粘貼U形BFRP布和整個梁粘貼BFRP布進行減振對比分析，分析表明，兩種粘貼方法具有相同的抗沖擊性能，但是U形BFRP布更加經濟，從而提供了一種局部加固的方法.同時，U形FRP布顯著延緩了FRP帶的剝離，提高了梁的承載力,增加CFRP布的層數盡管可以提高混凝土抗沖擊能力，但是發現沖擊能量的增加并沒有明顯改變最大沖擊荷載[60]；宿華祥等[61]對鋼筋混凝土框架在沖擊荷載作用下的倒塌進行分析，發現在倒塌過程中框架柱會出現“拱作用”現象，隨著箍筋配筋率的增加，框架結構抗沖擊能力也明顯增加，從而延緩結構的倒塌.

FRP加固鋼筋混凝土柱抗沖擊性能的研究主要集中在FRP層數、布置方式、粘貼界面等材料層面，對于不同的沖擊方式、沖擊位置以及沖擊破壞模式研究的較少.ALAM等[62]對 CFRP 加固鋼管混凝土圓柱的側向抗沖擊性能進行了有限元分析，研究表明FRP的加固長度超過一定長度后，CFRP 對混凝土柱的抗沖擊性能不再提高，且只需加固柱子全長的 34%，就能防止柱子在側向沖擊作用下發生整體彎曲.考慮到GFRP比CFRP的斷裂應變要高，CHEN等[63]進一步對GFRP包裹混凝土柱進行沖擊試驗，證實了GFRP包裹混凝土柱可以吸收更多的能量，減小柱的位移變形；但是研究發現，增加CFRP的層數可以提高沖擊力和沖擊持續時間，防止柱發生一次沖擊脆性破壞，延緩破壞時間.

綜上所述，目前關于FRP加固鋼筋混凝土結構的抗沖擊性能的研究還處于起步階段，多數集中在FRP材料和FRP約束混凝土材性層面，構件層面相對系統的研究還比較少.應變率對 FRP材料和FRP加固鋼筋混凝土結構構件的影響并沒有統一的認識，沒有公認的設計公式，需要進一步的研究.在構件層面上試驗研究和理論分析工作都還處于初步探索階段，應變率效應對FRP加固鋼筋混凝土結構的影響還不明確，需要進一步的研究.

4 結論

綜述了纖維增強復合材料加固鋼筋混凝土剪力墻/板抗沖擊性能的優勢和重要性，詳細介紹了目前常用的四種纖維增強復合材料在實際工程中抗沖擊的材料性能.結合目前纖維增強復合材料在沖擊荷載下的應用與研究，隨著科學技術的進步，提高纖維增強復合材料在沖擊荷載下的承載力，還需要進行以下幾個方面的研究與探索：

1) 針對FRP拉伸斷裂應變的不足，提出大應變FRP，彌補普通FRP的缺點，解決實際工程中的難題，提高抗沖擊性能.

2) 利用形狀記憶合金(SMA)的超彈性，將形狀記憶合金與纖維增強復合材料組合形成超彈性復合材料，具有良好的延性和超彈性的優點，從而減小連續沖擊的響應.

3) 研發出具有長期使用性能的纖維增強復合材料，使其與混凝土結構能共同作用，提高使用壽命，減小經濟損失.

4) 纖維增強復合材料與混凝土界面的黏結性能還需進一步研究，可以加入智能傳感器，避免在使用過程中出現剝落的問題.