馬 濱

蕪湖市建昌工程質(zhì)量檢測(cè)中心有限公司

FRP材料在混凝土結(jié)構(gòu)中的研究與應(yīng)用

馬 濱

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加強(qiáng)纖維復(fù)合材料(FiberReinforcedPlastic，F(xiàn)RP)是工業(yè)中常用的復(fù)合材料，其具有耐久性好、抗腐蝕性強(qiáng)、比強(qiáng)度高、自重輕、抗拉強(qiáng)度高、熱膨脹系數(shù)接近混凝土、磁電屏蔽、施工方便和使用壽命比較長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，但是FRP的價(jià)格比較高，對(duì)FRP在混凝土中應(yīng)用有很大的制約。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，F(xiàn)RP的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)非常激烈，也推動(dòng)了FRP技術(shù)的進(jìn)步，F(xiàn)RP材料的價(jià)格大幅下降，在實(shí)際的混凝土施工過程中，F(xiàn)RP具有良好的經(jīng)濟(jì)可行性，近年來在混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用逐漸增多。本文就對(duì)其進(jìn)行研究和分析。

FRP材料；混凝土結(jié)構(gòu)；應(yīng)用；加固

1　材料特性

FRP由于主要材料是各種纖維，因此其比重極小，與鋼材相比只占其1/6左右，在相同的直徑條件下，F(xiàn)RP的強(qiáng)度對(duì)重量比和剛度對(duì)重量比可達(dá)到鋼筋的十幾倍，由于這樣的特點(diǎn)，使得結(jié)構(gòu)的布筋工作勞動(dòng)強(qiáng)度大幅降低，節(jié)約人力成本，而且其輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)也使得結(jié)構(gòu)本身的自重大幅減輕，提高結(jié)構(gòu)的抗震能力，尤其對(duì)于大跨度斜拉橋及各種懸索橋來說使用FRP有助于提高橋梁結(jié)構(gòu)的極限跨徑，使建筑具有更大的設(shè)計(jì)空間，而且具有節(jié)材的特點(diǎn)。對(duì)于FRP來說其熱膨脹系數(shù)根據(jù)纖維的種類、纖維的含量以及基體樹脂的種類不同而有差異，一般來說，縱向熱膨脹系數(shù)與纖維有關(guān)，而橫向熱膨脹系數(shù)與樹脂有關(guān)，縱向熱膨脹系數(shù)往往低于橫向熱膨脹系數(shù)，而且，F(xiàn)RP的熱膨脹系數(shù)與混凝土十分接近，因此在溫度發(fā)生變化時(shí)，F(xiàn)RP與混凝土結(jié)構(gòu)二者基本可做到同等幅度的膨脹和收縮，因此二者之間的粘接面基本不會(huì)受到破壞，確保了FRP與混凝土實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作。然而，F(xiàn)RP也不是在各個(gè)方面均強(qiáng)于普通鋼筋，不同纖維成分的增強(qiáng)塑料筋的力學(xué)性能具有較大差別，且FRP本身屬于脆性材料，其拉伸應(yīng)力與應(yīng)變具有正比例關(guān)系，在材料達(dá)到抗拉強(qiáng)度極限之前不會(huì)如普通鋼筋那般產(chǎn)生塑性改變，因此不利于結(jié)構(gòu)的安全性。

2　FRP材料在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展應(yīng)用狀況

2.1國(guó)外發(fā)展及應(yīng)用狀況

目前，國(guó)外科研機(jī)構(gòu)和高等學(xué)校已對(duì)FRP加固修補(bǔ)混凝土結(jié)構(gòu)，尤其是抗震動(dòng)加固的性能與效果進(jìn)行了大量的研究，并在此基礎(chǔ)上形成了自己的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。在瑞士EMPA實(shí)驗(yàn)室，德國(guó)IBMB研究院，最早開始了不同的FRP材料加固混凝土結(jié)構(gòu)的研究，并用于橋梁的補(bǔ)強(qiáng)加固工程。美國(guó)也是世界上最早利用復(fù)合材料的國(guó)家之一，但將FRP材料用于加固混凝土結(jié)構(gòu)是在20世紀(jì)80年代后期，在1991年FRP應(yīng)用于橋面板補(bǔ)強(qiáng)加固中。英國(guó)在1994年啟動(dòng)了RORUST，用于研究FRP加固修復(fù)鋼筋混凝土橋梁和預(yù)應(yīng)力橋梁。由于近20年的研究與實(shí)踐，這項(xiàng)技術(shù)在國(guó)外已近成熟，并形成了自己的設(shè)計(jì)和施工準(zhǔn)則。目前，國(guó)外FRP在混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用主要包括以下幾個(gè)方面：短纖維加入新混凝土中制成FPR混凝土用于新結(jié)構(gòu)，已有一定的工程實(shí)例；用棒狀CFRP代替鋼筋制成CFRP筋混凝土，用于海洋結(jié)構(gòu)及對(duì)電磁波有特殊要求的結(jié)構(gòu)，國(guó)外已有研究并開始應(yīng)用；把FRP加工成繩狀用于混凝土結(jié)構(gòu)的拉索或懸索結(jié)構(gòu)，但錨具問題尚未很好地解決；在新建結(jié)構(gòu)中與混凝土一起制作成預(yù)制混凝土板，具有強(qiáng)度高、重量輕、耐腐蝕等特點(diǎn)，已有部分工程應(yīng)用。

2.2國(guó)內(nèi)發(fā)展及應(yīng)用狀況

我國(guó)在2003年由中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)推出了《碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS146：2003)，但我國(guó)在FRP材料加固混凝土結(jié)構(gòu)中，研究受彎構(gòu)件的較多，很多都是重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，研究?jī)?nèi)容大多集中在加固機(jī)理、加固方法與設(shè)計(jì)原則等內(nèi)容；另外國(guó)內(nèi)研究工作中多數(shù)為從事結(jié)構(gòu)工程方面工作的。在研究過程中，沒有結(jié)合具有豐富復(fù)合材料研究經(jīng)驗(yàn)的人員，所以不能將先進(jìn)的復(fù)合材料制造技術(shù)融入加固技術(shù)中，不能及時(shí)注意到加固中出現(xiàn)的復(fù)合材料性能的問題，也就不能充分發(fā)揮復(fù)合材料的優(yōu)異性能。

3　FRP在混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

3.1抗剪抗彎加固

抗剪抗彎加固方法可以分為三類：FRP嵌入式加固技術(shù)、預(yù)應(yīng)力加固和外包/外粘FRP混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)。目前大部分研究都集中于外包/外粘混凝土加固技術(shù)，采用這種形式的加固技術(shù)主要有對(duì)梁和板使用FRP材料加固。

3.2砌體結(jié)構(gòu)的加固

混凝土結(jié)構(gòu)中砌體結(jié)構(gòu)的地位比較重要，很多砌體結(jié)構(gòu)的使用價(jià)值比較高。由于抗震標(biāo)準(zhǔn)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的提高、設(shè)計(jì)與施工隱患、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期的接近以及人們對(duì)建筑物質(zhì)量要求的提高，都對(duì)混凝土的耐久性、實(shí)用性及安全性提出了很高的要求，砌體結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行維修和加固。FRP材料加固技術(shù)能適用于墻體承重能力不足及墻體開裂情況下的加固，還能避免傳統(tǒng)砌體結(jié)構(gòu)加固過程中存在的不足。FRP材料加固技術(shù)具有空間利用率高、不會(huì)增加結(jié)構(gòu)體積與自重、加固效果明顯、施工方便等優(yōu)點(diǎn)。

3.3梁的加固

使用FRP材料加固梁的方法與傳統(tǒng)粘鋼加固方法基本相同，首先要打磨、整平混凝土表面，并進(jìn)行清灰和干燥，保持混凝土表面平整、干凈。在梁的加固過程中，常采用非預(yù)應(yīng)力FRP加固，這種方法施工簡(jiǎn)單，不需要設(shè)備，工期也比較短，能提高修復(fù)加固的速度。根據(jù)鋼筋混凝土梁的加固形式不同，應(yīng)采用不同的材料進(jìn)行加固。

3.4復(fù)雜環(huán)境下的下部結(jié)構(gòu)加固

由于自然環(huán)境的變化，復(fù)雜環(huán)境下的地下建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)抗力衰減和性能劣化的現(xiàn)象，由于地下環(huán)境比較復(fù)雜，并且條件比較惡劣，F(xiàn)RP材料的性能穩(wěn)定，能解決復(fù)雜地下環(huán)境下結(jié)構(gòu)的破壞，在實(shí)際的混凝土結(jié)構(gòu)加固中有使用FRP對(duì)水下基礎(chǔ)進(jìn)行加固的案例。

4　結(jié)語(yǔ)

綜述所述，在混凝土結(jié)構(gòu)中對(duì)于工程的安全性和耐久性要求不斷提高的前提下，使用FRP來替代傳統(tǒng)的建筑材料，優(yōu)勢(shì)明顯，具有非常廣闊的應(yīng)用前景，相信隨著工程學(xué)科的不斷進(jìn)步，這種復(fù)合材料在混凝土結(jié)構(gòu)中會(huì)得到越來越廣泛的應(yīng)用。

[1]王茂龍，朱浮聲，金延.纖維塑料筋(FRP筋)在混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用[J].混凝土，2005，11：18-24.

[2]江學(xué)良，楊慧，孟茁超，毛妙.FRP在土木工程結(jié)構(gòu)加固應(yīng)用中的研究進(jìn)展[J].科技導(dǎo)報(bào)，2010，18：111-117.