郭文楊 劉敬濤

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0 引言

FRP是纖維增強復(fù)合材料的統(tǒng)稱。所謂復(fù)合材料是由增強體和基體構(gòu)成，根據(jù)復(fù)合材料中增強體的幾何形態(tài)，可以分為纖維增強復(fù)合材料、顆粒增強復(fù)合材料、薄片增強復(fù)合材料和疊層增強復(fù)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，F(xiàn)RP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(xué)性能參數(shù)變化范圍很大，因此在工程中有很大的靈活性，具有可設(shè)計性。

1 FRP材料在工程結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的優(yōu)勢

結(jié)構(gòu)工程中常用FRP的主要性能參數(shù)與鋼筋的對比[1]?？芍狥RP的比強度(拉伸強度/密度)為鋼材的20～50倍，輕質(zhì)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，F(xiàn)RP材料可大大減輕結(jié)構(gòu)自重。此外，F(xiàn)RP還具有一些其它優(yōu)點:（1）FRP具有良好的抗腐蝕性能，可以在酸、堿、鹽和潮濕環(huán)境下抵抗化學(xué)腐蝕，因此，F(xiàn)RP材料非常適合在一些特殊工程中代替或部分代替?zhèn)鹘y(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)材料；（2）FRP的彈性性能好，應(yīng)力—應(yīng)變曲線接近線性，在發(fā)生較大變形后還能恢復(fù)原狀，塑性變形很小，這對于承受較大動載和沖擊荷載的結(jié)構(gòu)比較有利；（3）FRP具有較好的設(shè)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(shè)計出各種強度和彈性模量的FRP產(chǎn)品，以滿足工程的特殊使用要求；（4）FRP產(chǎn)品具有絕緣、隔熱、抗電磁波、不導(dǎo)磁、熱膨脹系數(shù)小等特點。因此FRP復(fù)合材料具有傳統(tǒng)材料(如鋼材)無法比擬的優(yōu)勢。

2 FRP加固技術(shù)發(fā)展簡介

FRP用于結(jié)構(gòu)加固始于20世紀80年代日、歐、美等發(fā)達國家，1982年，Meier[2]首先在瑞士聯(lián)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(gòu)和材料生產(chǎn)廠家在結(jié)構(gòu)加固方面進行了大量的研究。1991年，美國混凝土協(xié)會(ACI)成立專業(yè)委員會(ACI440)，負責(zé)開展纖維增強復(fù)合材料加固結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(fā)和應(yīng)用中一直占領(lǐng)先地位，并編制了各種設(shè)計手冊、施工指南和規(guī)范等。研究表明，F(xiàn)RP加固技術(shù)效果明顯、施工效率很高。

我國有關(guān)FRP加固修復(fù)建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)的研究起步較晚。自1997年以來，以東南大學(xué)、國家工業(yè)建筑診斷與改造工程技術(shù)研究中心及清華大學(xué)為代表的高等院校和科研機構(gòu)在FRP加固技術(shù)和設(shè)計計算理論等方面進行了大量的研究，已取得一批創(chuàng)新性的研究成果。此外，天津大學(xué)、四川省建筑科學(xué)研究院、中南大學(xué)、武漢大學(xué)、西南交通大學(xué)、浙江大學(xué)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(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。目前，國家工業(yè)建筑診斷與改造工程技術(shù)研究中心、東南大學(xué)等單位已完成多項實際工程的加固。

為了擴大技術(shù)交流、提高技術(shù)水平，中國土木工程學(xué)會混凝土及預(yù)應(yīng)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(yīng)用專業(yè)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(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)交流會”，并在以后每兩年舉辦一次，成為我國在該技術(shù)領(lǐng)域的主導(dǎo)專題會議。在FRP加固規(guī)范的制定方面，我國已編制并頒布了中國工程建設(shè)標準化協(xié)會標準 《碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》、國家標準及建設(shè)部標準《結(jié)構(gòu)加固修復(fù)用碳纖維片材產(chǎn)品標準》和《結(jié)構(gòu)加固修復(fù)用粘貼樹脂產(chǎn)品標準》，其它規(guī)范正在編制中。這些標準對指導(dǎo)FRP在我國土木工程中應(yīng)用起到規(guī)范作用。目前，F(xiàn)RP加固技術(shù)的研究及應(yīng)用正在以高速度發(fā)展，已經(jīng)成為全國工程界高度重視的一項課題。

3 FRP在結(jié)構(gòu)加固中主要應(yīng)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(jié)構(gòu)；（2）嵌入式FRP加固技術(shù)；（3）預(yù)應(yīng)力FRP加固。目前，大部份的研究與應(yīng)用都集中在外包/外粘FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)，這種形式主要有FRP加固梁、板等。嵌入式FRP加固技術(shù)是近年發(fā)展起來的加固技術(shù)，該技術(shù)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(shù)的一個重要發(fā)展。預(yù)應(yīng)力FRP加固混凝土是另一項值得深入研究的技術(shù)，通過對FRP施加預(yù)應(yīng)力，可以更加充分地發(fā)揮FRP高強的優(yōu)勢，同時改善結(jié)構(gòu)在使用極限狀態(tài)的性能。

2）混凝土結(jié)構(gòu)的抗震加固

采用FRP外包混凝土柱是一種經(jīng)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(xué)性能的研究與應(yīng)用，國內(nèi)外已有許多應(yīng)用FRP加固房屋結(jié)構(gòu)柱與橋柱的成功案例。為方便施工，還開發(fā)出了FRP自動纏繞系統(tǒng)[3-5]。

3）鋼結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)等加固

外粘FRP布或板是加固鋼結(jié)構(gòu)的一種理想方法，利用外粘FRP提高鋼結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能，可避免在加固過程產(chǎn)生殘余應(yīng)力。此外，在砌體結(jié)構(gòu)與木結(jié)構(gòu)中，F(xiàn)RP也有成功應(yīng)用。

4）復(fù)雜環(huán)境下下部結(jié)構(gòu)的加固

最近幾年，由于環(huán)境影響，地下基礎(chǔ)顯示出結(jié)構(gòu)性能劣化與抗力衰減。該情況的產(chǎn)生原因復(fù)雜、大量，F(xiàn)RP則顯現(xiàn)出是解決復(fù)雜環(huán)境下部結(jié)構(gòu)問題的可行材料。而且FRP成功用于加固水下基礎(chǔ)[6]。

5）特種結(jié)構(gòu)加固

除上述應(yīng)用領(lǐng)域外，F(xiàn)RP在橋梁、隧道、塔桅結(jié)構(gòu)、儲液罐、管道和煙囪結(jié)構(gòu)也有加固應(yīng)用的報道[7]。

4 結(jié)束語

FRP的研發(fā)以及在土木工程中的應(yīng)用，己成為復(fù)合材料界與土木工程界共同研究開發(fā)的一個熱點。該技術(shù)的成功研發(fā)能極大地推動現(xiàn)代土木工程技術(shù)的進步，為現(xiàn)代復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)開辟出巨大的應(yīng)用市場，具有非常廣闊的發(fā)展應(yīng)用前景。FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)在中國起步雖然較晚，但起點高，發(fā)展十分迅猛，為推進加固技術(shù)在中國的研究和發(fā)展應(yīng)加強FRP在結(jié)構(gòu)加固方面的研究。

［1］葉列平，馮鵬.FRP在工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用與發(fā)展[J].土木工程學(xué)報，2006，39（3）：24-36.

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

［5］譚壯，葉列平.纖維復(fù)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(xué)報，2003，36（11）：12-18.

［4］任慧韜.纖維增強復(fù)合材料加固混凝土結(jié)構(gòu)基本力學(xué)性能和長期受力性能研究[D].大連:大連理工大學(xué)土木工程學(xué)院，2003.