葛暢?劉廣春?王龍?黃國杰

摘要：FRP（纖維增強復合材料）近年來在混凝土結(jié)構(gòu)加固中得到廣泛的應用，并作為一種新型高性能結(jié)構(gòu)材料受到結(jié)構(gòu)工程界的廣泛關(guān)注，國內(nèi)外有關(guān)研究和工程單位開展了大量的研究和實踐應用。本文介紹了結(jié)構(gòu)工程中常用的FRP材料性能和形式，分析了其優(yōu)點與不足并介紹了FRP加固結(jié)構(gòu)、FPR配筋和預應力筋混凝土結(jié)構(gòu) 、FRP結(jié)構(gòu)與FRP組合結(jié)構(gòu)以及FRP在橋梁結(jié)構(gòu)、大跨空間結(jié)構(gòu)和智能結(jié)構(gòu)中的應用與發(fā)展 以期促進我國土建結(jié)構(gòu)工程中對這一新型高性能材料應用和研究工作的開展。

關(guān)鍵詞：纖維增強復合材料;混凝土;結(jié)構(gòu)加固;組合結(jié)構(gòu);橋梁;大跨結(jié)構(gòu);智能結(jié)構(gòu)

1 概述

纖維增強復合材料（fiber reinforced polymer/plastic 簡稱FRP）是由纖維材料與基體材料按一定比例混合并經(jīng)過一定工藝復合形成的高性能新型材料。這種材料從20世紀40年代問世以來在航空、航天、船舶、汽車、化工、醫(yī)學和機械等領(lǐng)域得到廣泛的應用。近年來以其高強、輕質(zhì)、耐腐蝕等優(yōu)點，開始在土木與建筑工程結(jié)構(gòu)中得到應用并受到工程界的廣泛關(guān)注。

復合材料由增強材料和基體構(gòu)成根據(jù)復合材料中增強材料的形狀可分為顆粒復合材料、層合復合材料和纖維增強復合材料等。FPR只是復合材料中的一種。常用的FRP的基體為樹脂、金屬、碳素、陶瓷等纖維種類有玻璃纖維、硼纖維、碳纖維、芳綸纖維、陶瓷纖維、玄武巖纖維、聚烯烴纖維、PBO纖維以及金屬纖維等。目前工程結(jié)構(gòu)中常用的FRP主要為碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維增強的樹脂基體分別簡稱為GFRP、CFRP和AFRP。

FRP作為結(jié)構(gòu)材料出現(xiàn)于1942年，美國軍方用手糊的制作雷達天線罩。，20世紀50-60年代才開始用于民用建筑中。1961年英國的一座教堂的尖頂采用了GFRP，1968年，英國的工程師用GFRP板和鋁質(zhì)骨架在利比亞港口城市班加西設(shè)計并建造了一個穹頂，防止空氣中氯鹽對結(jié)構(gòu)的侵蝕;同年，英國又建成了一座全GFRP折板結(jié)構(gòu)的倉庫;1970年，英國建成了一座GFRP連續(xù)梁的人行天橋跨徑10m，寬5m。它們分別為文獻記載中較早將應用于建筑和橋梁結(jié)構(gòu)中的實例，這些FRP結(jié)構(gòu)都是手糊工藝制成。

我國于1958年就開始探索在混凝土構(gòu)件中用玻璃纖維束代替鋼筋。到20世界70-80年代FRP在結(jié)構(gòu)工程中的應用與研究逐漸增多。1982年在北京密云建成一座跨徑20.7m的FRP蜂窩箱梁公路橋，設(shè)計荷載等級為汽車-15、掛-80，并進行了現(xiàn)場荷載試驗，該橋為世界上第一座FRP公路橋。伺候，F(xiàn)RP，尤其是價格比較便宜的GFRP，在工程結(jié)構(gòu)中的應用越來越多。但這些應用大多都是附屬性，臨時性的構(gòu)件，F(xiàn)RP材料的優(yōu)越性能沒有得到充分的發(fā)揮，即用FRP作為結(jié)構(gòu)材料也是嘗試性的，沒有形成規(guī)模。同時，多數(shù)的結(jié)構(gòu)工程師不了解FRP材料，也大大限制了它的應用和推廣。

現(xiàn)階段很多房屋、橋梁、隧道等建筑物，由于材料老化、荷載增加、結(jié)構(gòu)部分損壞、使用功能改變、設(shè)計與施工缺陷以及地震、戰(zhàn)爭等原因.均會導致原有結(jié)構(gòu)的承載力滿足不 了要求，為此，需進行加周和修復。常規(guī)的加固方法有增大截面加固、預應力加固、粘鋼加固、隔震或消震加固等。由于 FRP 眾多的優(yōu)點.在許多情況下 比傳統(tǒng)加同方法更有優(yōu)勢，并已得到越來越廣泛的應用。本文對我國 FRP在結(jié)構(gòu)工程 中的研究、應用情況做梗概介紹。

2 FRP材料

2.1 纖維與樹脂

FRP的材料性能與鋼材和混凝土等傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料有很大的不同，其制品形式也多種多樣。纖維是FRP中的主要受力材料，可分為長纖維和短纖維，工程結(jié)構(gòu)中使用的以長纖維增強為主。常用纖維的主要力學性能及其與鋼材和鋁的對比可見纖維材料的比強度為鋼材的20-50倍，高強輕質(zhì)性能十分突出;碳纖維的比模量為鋼材的5-10倍，芳綸纖維的比模量為鋼材的2-3倍，玻璃纖維的比模量與鋼材相當。單從比強度和比模量來看，實際工程以碳纖維材料應用效果最佳，但碳纖維材料的延伸率很小，因此有時需要配合其他纖維混合應用，以取得更佳的綜合性能。

2.2 FRP材料的特點

材料的性能與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料有很大差別，了解和掌握FRP材料的優(yōu)缺點才能在工程結(jié)構(gòu)應用中充分發(fā)揮它的優(yōu)勢，避免其不足。

FRP具有以下優(yōu)點

2.2.1 有很高的比強度，即通常所說的輕質(zhì)高強因此采用FRP材料可減輕結(jié)構(gòu)自重。在橋梁工程中使用FRP結(jié)構(gòu)或FRP組合結(jié)構(gòu)作為上部結(jié)構(gòu)可使橋梁的極限跨度大大增加。理論上，用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料橋梁的極限跨度在5000m以內(nèi)，而上部結(jié)構(gòu)使用FRP結(jié)構(gòu)可達8000m以上。

2.2.2 有良好耐腐蝕性.可以在酸、堿、氯鹽和潮濕的環(huán)境中長期使用。這是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料難以比擬的。在美國每年因鋼材腐蝕造成的工程結(jié)構(gòu)損失高達700億美元，近1/6 的橋梁因鋼筋銹蝕而嚴重損壞;加拿大用于修復因老化損壞的工程結(jié)構(gòu)的費用達400億加元;我國目前因剛才銹蝕造成的損失也在逐年增加。

2.2.3 具有很好的可設(shè)計性。FRP屬于人工材料可以通過使用不同的纖維材料、纖維含量和鋪陳方向設(shè)計出各種強度指標、彈性模量以及特殊性能要求的FRP產(chǎn)品。而且FRP產(chǎn)品成型方便，形狀可靈活設(shè)計。

2.2.4 具有很好的彈性性能，應力應變曲線接近線彈性。在發(fā)生較大變形后還能恢復原狀，塑性變形小，有利于結(jié)構(gòu)偶然超載后的變形恢復。

2.2.5 產(chǎn)品適合于在工廠生產(chǎn)、運送到工地、現(xiàn)場安裝的工業(yè)化施工過程 有利于保證工程質(zhì)量、提高勞動效率和建筑工業(yè)化。

2.2.6 其它優(yōu)勢 包括透電磁波、絕緣、隔熱、熱脹系數(shù)小等 。 使得FRP在一些特殊場合能夠發(fā)揮難以取代的作用，如雷達設(shè)施、地磁觀測站、醫(yī)療核磁共振設(shè)備結(jié)構(gòu)。

與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料不同，制品通常為各向異性，沿纖維方向的強度和彈性模量較高，而垂直纖維方向的強度和彈性模量很低。由于FRP的各向異性在受力性能上還有許多不同于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料的現(xiàn)象如拉伸翹曲現(xiàn)象，這些都會增加FRP結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計難度。

與鋼材相比，大部分FRP產(chǎn)品的彈性模量較低大致與混凝土和木材在同一數(shù)量級。因此FRP結(jié)構(gòu)的設(shè)計通常由變形控制?？赏ㄟ^設(shè)計構(gòu)件的截面、合理地與混凝土等材料組合以及采用預應力等方法控制結(jié)構(gòu)的變形，補償剛度的不足。

材料的剪切強度、層間拉伸強度和層間剪切強度僅為其抗拉強度的5%-20%，而金屬的剪切強度約為其拉伸強度的50%。這使得FRP構(gòu)件的連接成為突出的問題。FRP結(jié)構(gòu)可采用鉚接、栓接和粘接但不管哪種連接方式，連接部位往往都容易成為整個構(gòu)件的薄弱環(huán)節(jié)。因此在FRP結(jié)構(gòu)設(shè)計中，一方面要盡量減少連接，另一方面要重視連接的設(shè)計。

與混凝土相比較，一般的FRP材料的防火性能較差，主要是由于多數(shù)樹脂在高溫下會軟化，在樹脂達到軟化溫度時力學性能會大大降低，達到玻璃化溫度時性態(tài)就會發(fā)生轉(zhuǎn)變。但在FRP的樹脂材料中可摻入阻燃劑，提高其抗火性能。目前摻入阻燃劑的環(huán)氧樹脂復合成的CFRP表面再進行防火處理，其效果已經(jīng)可以與混凝土結(jié)構(gòu)相媲美了。

一些研究已經(jīng)表明FRP材料本身的抗疲勞性能優(yōu)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料。但值得重視的是，初始缺陷和工作環(huán)境對FRP材料抗疲勞性能的影響非常顯著。因此實際工程中的FRP結(jié)構(gòu)整體的抗疲勞性能還需要進行深入的研究。

材料的長期性能和耐久性是很多工程師和使用者所十分關(guān)心的問題。目前許多FRP產(chǎn)品供應商都通過快速老化試驗來證明其產(chǎn)品的壽命在35年以上，甚至達到，70 年。但是FRP材料誕生也不過60多年，應用于土木工程中也僅，40余年。還應注意的是FRP耐久性不僅僅是材料老化，還包括溫度和濕度變化的影響、FRP的蠕變和應力松弛以及FRP與混凝土堿性反應等問題，而且在實際環(huán)境下這些因素是共同作用、相互影響的。

經(jīng)濟性也是所有工程師和使用者都很關(guān)心的問題。僅從材料價格上看FRP結(jié)構(gòu)和FRP組合結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比沒有競爭力，但由于自重輕并考慮到FRP材料耐腐蝕所帶來的低廉的維護費用采用FRP材料的綜合經(jīng)濟效益是值得重視的。

3 加固領(lǐng)域的應用

目前，F(xiàn)RP片（布 ）材在土木工程加固領(lǐng)域中的研究是開展最早、研究最多的一個領(lǐng)域。在我國應用也最廣泛。

3.1 抗彎加固

3.1.1 碳纖維布加固混凝土梁

我國各地研究院等單位完成了較多的 FRP加固混凝土梁的試驗研究。結(jié)果表明，CFRP加固后梁的破壞類型主要有 9種 ：（1）受壓區(qū)混凝土壓壞;（2）CFRP拉斷破壞;（3）剪切破壞;（4）端部保護層混凝土粘結(jié)破壞（混凝土粘在 CFRP上）;（5）混凝土一膠界面粘結(jié)破壞（混凝土幾乎沒有粘在 CFRP上）;（6）膠一CFRP界面粘結(jié)破壞;（7）CFRP— CFRP界面粘結(jié)破壞：（8）從梁中部彎曲裂縫處開始的粘結(jié)破壞;（9）從剪切裂縫處開始的粘結(jié)破壞。研究還指出，不同的破壞類型其承載力計算方法不同。

3.1.2 埋人式 FRP筋加固混凝土結(jié)構(gòu)

近幾年，預應力 FRP片材加 固結(jié)構(gòu)技術(shù)受到了較多的關(guān)注。但存在一些不盡人意的地方，包括：（1）對無樹脂連續(xù)纖維進行張拉時。初始預應力過低 （當初始 預應力為極限應力的 30%左右 就有纖維絲開始斷裂 ），再扣除錨固損失，松弛損失等.可 導人的有效預應力低，加固效果不明顯，經(jīng)濟性也不好。（2）若先在連續(xù)纖維外涂刷樹脂，后進行張拉，其張拉控制應力可以達到極限應力的 60%左右 ，但由于樹脂硬化以后，片材剛度和硬度均較大，很難保證與結(jié)構(gòu)表面粘貼密實，特別是在鹽害、混凝土脫落比較嚴重及梁有反拱等情況下，容易發(fā)生粘結(jié)破壞。（3）南于是外貼式的加固.其耐久性還是一個課題針對體外預應力 FRP索和預應力 FRP片材加 同結(jié)構(gòu)的不足。東南大學等提出了埋人式預應力 FRP索加 固結(jié)構(gòu)新技術(shù)，并申請了專利。主要思路是：在混凝土內(nèi)開出槽道，在槽道內(nèi)張拉 FRP索.然后在 槽道內(nèi)灌注樹脂，等樹脂硬化后再釋放預應力，并采取適當?shù)亩瞬繎ο胧獬瞬坎槐匾呢摀?，也可采取適當錨固措施來加強結(jié)構(gòu)的可靠性。

3.2 抗剪加固

國內(nèi)較多單位研究了 CFRP抗剪加 固鋼筋混凝土梁后的承載力、破壞特征和機理：探討了 CFRP粘 貼方式、梁的剪跨比等參數(shù)對加固效果的影響。試驗表明，CFRP加固后梁的受剪破壞特征類似于普通混凝土梁，粘貼在梁側(cè)面的CFRP會發(fā)生兩種破壞形態(tài)，分別為 CFRP被拉斷和粘結(jié)破壞混凝土被拉下。發(fā)生哪種破壞，主要南 CFRP的錨 固性能所決定：粱破壞時.靠近支座處 的斜裂縫在梁底部，對 U形條帶，該處 CFRP有較大的錨同長度，所以，往往發(fā)生CFRP被拉斷的破壞：而靠近加載點處的斜裂縫在梁頂部通過.該 處 CFRP錨 同長度很短，故往往發(fā)生粘結(jié)破壞。可見.錨固性能的保證對加固效果影響很大。

3.3 FRP約束混凝土的性能

國內(nèi)外對 FRP約束性 能進行了較多的研究，結(jié)果表明：（1）FRP約束混凝土圓柱可顯著提高其強度和延性，但由于 FRP是線 彈性材料，其破壞有明顯的脆性，其約束性能與箍筋、鋼管等約束有明顯區(qū)別。已有的箍筋或鋼管約束混凝土圓柱的應力一應變關(guān)系模型不能直接用于 FRP約束混凝土。（2）FlIP約束混凝土圓柱體后的應力一應變關(guān)系曲線可能有、或無軟化段。曲線有無軟化段主要與 FRP約束混凝土的側(cè)向約束強度和未約束混凝土的強度比有關(guān)。無軟化段時的應力一應變關(guān)系曲線近似由兩條上升的曲線組成.并 可以用三折線模型來確定 FRP約束混凝 土無軟化段時的應力一應變關(guān)系曲線。有軟化段時的應力一應變曲線也可用相應的模型確定。

3.4 FRP約束混凝土抗震性能

FRP在抗震加固方面非常有優(yōu)勢 .特別是性價比和極限延性好的玄武巖纖維開發(fā)成熟，能進一步推動其應用。圖3所示為玄武巖纖維加固方柱前后滯回曲線的比較，結(jié)果表明：標準柱 S一0、CL一0的峰值 荷載、極限位移很小。破壞為剪切粘結(jié)破壞;對于加固方柱，S—BF峰值荷載、極限位移分別達到 765kN、35.10ram。FRP加 固墩柱可以轉(zhuǎn)變試件的破壞形態(tài)、有效改善試件的抗震性能。加固柱相對于未加固對比柱具有更好的耗能能力及更慢的強度退化?？梢?，連續(xù)玄武巖纖維 （CBF）絲柬纏繞加固墩柱為我們提供了又一種FRP墩柱抗震加固的選擇，其具有與 CFRP相似的墩柱抗震加固效果，有著耐腐蝕、質(zhì)量輕、施工方便等優(yōu)點，更具有成本低、價格便宜等獨特的優(yōu)勢，其在工程上的應用還需要進一步的大量研究。

3.5 體外預應力 FRP索加固結(jié)構(gòu)

由于 FRP耐腐蝕，近年來，作為鋼絞線的替代材料被施加預應力后用于結(jié)構(gòu)的加固，該方法可以平衡掉部分恒載，較大幅度地提高結(jié)構(gòu)承載力與剛度具有一定的優(yōu)勢。日本茨城大學對 CFRP索增強 混凝土梁的抗彎性能進行了研究，研究包括：CFRP索的力學性能;體內(nèi) CFRP索增強混凝土梁的抗彎性能 （包括有粘結(jié) 、無粘結(jié)、施加預應力和不施加預應力 ）;以及體外 CFRP索增 強混凝土梁的抗彎性能。國外也已有用體外 CFRP索加 固橋梁結(jié)構(gòu)的實例。

4 總結(jié)與展望

雖然 FRP在土木工程 中的應用歷史不長，但已經(jīng)得到國際工程界的普遍認同.成為各國研究開發(fā)的熱點 ，并已取得大量的有價值的研究成果。但我國研究與應用歷史不長，與發(fā)達國家還有不少差距，我們認為還有以下的不足之處和急需加以提高的：

4.1 基礎(chǔ)及應用研究工作不夠深入

我國目前進行的研究與國外相比還相對膚淺，特別是基礎(chǔ)理論研究還不夠深入和系統(tǒng)，以 FRP約束混凝 土抗震性能為例：近年來，國內(nèi)學者在該領(lǐng)域已做了不少的研究。但總的來說.該領(lǐng)域 內(nèi)的研究有以下幾個特征：實踐應用超前于理論研究;試驗研究多于理論分析;定性結(jié)論多，定量計算公式少。有關(guān) FRP約束混凝土抗震性能 的理論分析及設(shè)計方法，在我國目前的規(guī)范中還是空白。

4.2 技術(shù)規(guī)范化程度不夠

國外。很多國家在 20世紀 90年代即完成 了較多的規(guī)程，如日本，已經(jīng)有 1O多種有關(guān)材 料、設(shè)計、施工、檢測等規(guī)范和規(guī)程。從 1999年開始，我國開始 了有關(guān) FRP加固修復混凝土結(jié)構(gòu)的標準和規(guī)程的編制，目前已完成《碳纖維片材加固修復混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，但其它規(guī)程的編制還有大量的工作要做。

4.3 工程應用盲目、不規(guī)范的現(xiàn)象較多

FRP具有很多的優(yōu)點，但也有很多不足之處，所以，我們要提倡在工程中合理、科學地選擇應用 FRP，一方 面，現(xiàn)在 FRP的類 型和形式越來越多.我們 要選擇最合適的進行應用，另一方面。要避免為使用 FRP而應 用 FRP的情況 ，很多時候用傳統(tǒng)的建筑材料、或者傳統(tǒng)的技術(shù)就能解決工程問題，就盡量不用 FRP.畢竟 ，現(xiàn)在用 FRP很多時候還不 是很經(jīng)濟。不過，我們也相信，隨著國家有關(guān)部門的重視、國家對該領(lǐng)域資助的增強，以及全體科技人員的努力下，我國FRP在土木工程中研究和應用的水平會得到很大的提高。

4.4 對新材料的應用要客觀和科學

以玄武巖纖維為例，玄武巖纖維是一種新的纖維材料，也是一種天然綠色的無機材料。我國礦產(chǎn)資源豐厚，已掌握其核心生產(chǎn)技術(shù)。我們要對其進行深人研究，客觀地宣傳，合理地使用。發(fā)揮其價低、無機、延性好等優(yōu)點，特別要對部分不法施工企業(yè)以玄武巖纖維慌稱是碳纖維在工程中使用的不規(guī)范現(xiàn)象。隨著玄武巖纖維及其復合材料生產(chǎn)工藝的改善，其性能有望進一步得到提高。應盡快地制定規(guī)范、在研究過程中注意與其它纖維、混雜纖維的比較研究。

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