蔡佳振　劉清山　李世良

摘要：近年來(lái)，F(xiàn)RP（纖維增強(qiáng)復(fù)合材料），一種新型結(jié)構(gòu)材料，由于其輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕等獨(dú)特性質(zhì)，越來(lái)越引起人們的注意。本文簡(jiǎn)要地介紹了FRP在工程領(lǐng)域的優(yōu)缺點(diǎn)國(guó)內(nèi)外的研究發(fā)展情況，著重闡述了FRP在國(guó)內(nèi)結(jié)構(gòu)加固補(bǔ)強(qiáng)方面的應(yīng)用，通過(guò)國(guó)內(nèi)外的介紹，促進(jìn)我國(guó)建筑工業(yè)對(duì)這一新型高性能材料應(yīng)用和研究工作的開展。

關(guān)鍵詞：纖維增強(qiáng)復(fù)合材料；結(jié)構(gòu)材料；結(jié)構(gòu)加固；高性能材料

1.引言

FRP復(fù)合材料（fiber reinforced plastic，簡(jiǎn)稱FRP），由基體和纖維材料按一定比例混合并經(jīng)一定工藝復(fù)合成的一種高性能新型材料。該材料自20世紀(jì)40年代問(wèn)世以來(lái)，在航天、航空、汽車、船舶、醫(yī)學(xué)、化工和機(jī)械等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，以其輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕等優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用在建筑工業(yè)中，并受到工程界的青睞。

常用的FRP主要有碳纖維加勁塑料（CFRP）、玻璃纖維加勁塑料（GFRP）及芳綸纖維加勁塑料（AFRP）三大類。

FRP作為結(jié)構(gòu)材料出現(xiàn)于1942年， 美國(guó)軍方手糊的 GFRP 制作雷達(dá)天線罩[1]。20世紀(jì)50～60年代FRP開始用于民用建筑中。1970年，英國(guó)Liverpool建成了一座 GFRP連續(xù)梁的人行天橋[2]。這些是文獻(xiàn)記錄較早的FRP應(yīng)用。

近二十年來(lái)，特別是在日本阪神和美國(guó)北嶺地震后，F(xiàn)RP在結(jié)構(gòu)加固修復(fù)的應(yīng)用越來(lái)越廣。隨著FRP在世界各地的推廣發(fā)展，其優(yōu)勢(shì)被工程界逐漸認(rèn)可，開始以各種形式活躍于建筑工業(yè)中。本文對(duì)FRP的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀作簡(jiǎn)要介紹，并探討未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，為這種高性能新型材料在我國(guó)的發(fā)展盡綿薄之力。

2.FRP復(fù)合材料特點(diǎn)

（1）質(zhì)量輕，密度小。FRP筋的密度約是鋼筋的1/6到1/4，對(duì)減輕結(jié)構(gòu)自重，減小地震作用有利。（2）抗拉強(qiáng)度高。常用的三種FRP纖維的抗拉強(qiáng)度均明顯超過(guò)鋼筋，和高強(qiáng)鋼絲或鋼絞線差不多。（3）耐腐蝕性強(qiáng)。FRP具有鋼筋不可比擬的耐腐蝕性能。FRP代替鋼筋能夠獲得非?？捎^的長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)效益。（4）電磁絕緣性能佳?？捎糜谀承┯须姶沤^緣要求的建筑結(jié)構(gòu)中。

以上是FRP材料的優(yōu)勢(shì)，也存在以下的不足：

（5）彈性模量低。FRP筋的彈性模量約是鋼筋的一半，如不施加預(yù)應(yīng)力，在配有FRP筋的結(jié)構(gòu)中較大撓度和裂縫將難免。（6）抗剪強(qiáng)度低。FRP筋的橫向抗剪承載力約是抗拉承載力的10%，容易被剪斷。（7）耐火性能差。FRP中的纖維材料和基體材料都是有機(jī)物，決定了FRP較差的耐火性。

3.FRP國(guó)內(nèi)外發(fā)展

FRP在建筑行業(yè)中的研究應(yīng)用要遠(yuǎn)比其他材料滯后。原因主要有兩方面：①價(jià)格較其他建筑材料高許多；②缺少工程經(jīng)驗(yàn)。從上個(gè)世紀(jì)九十年代，F(xiàn)RP的研究應(yīng)用才在一些特殊建筑工業(yè)領(lǐng)域有了巨大發(fā)展。

美國(guó)在橋梁耐久性能上的不足，英國(guó)就海洋對(duì)鋼筋混凝土的侵蝕，日本的新干線混凝土大面積開裂，每年都付出巨大的經(jīng)濟(jì)代價(jià)。這些都迫切需要FRP的應(yīng)用。國(guó)外FRP在建筑工業(yè)中的研究和應(yīng)用歷史已有近50年。20世紀(jì)60年代，美國(guó)生產(chǎn)出的GFRP筋用于混凝土結(jié)構(gòu)。80年代， 國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)FRP用于結(jié)構(gòu)加固方面進(jìn)行了許多研究，取得了一批成果。90年代，在歐美一些國(guó)家，有大量的結(jié)構(gòu)接近設(shè)計(jì)壽命，如何有效快速進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)成為學(xué)術(shù)研究的熱點(diǎn)。

在研究與應(yīng)用規(guī)范方面發(fā)達(dá)國(guó)家給予了相當(dāng)?shù)闹匾暋＞攀甏?，歐美、日本先后成立FRP委員會(huì)，并頒布FRP規(guī)范、指南[3]。這些國(guó)家已經(jīng)將CFRP廣泛地應(yīng)用到新建和已建建筑，其他類型的FRP材料也得到了充分的應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，CFRP每年的用量達(dá)到近千噸。

我國(guó)上世紀(jì)六七十年代開始對(duì)FRP進(jìn)行研究，但是有規(guī)模的應(yīng)用與開發(fā)是從90年代末。我國(guó)FRP發(fā)展速度非?？欤诙虝r(shí)間內(nèi)就形成了研究與應(yīng)用熱點(diǎn)。清華大學(xué)、華僑大學(xué)、東南大學(xué)等是國(guó)內(nèi)FRP研究的佼佼者，項(xiàng)目研究、論文發(fā)表很多。中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)于2000年6月成立了FRP委員會(huì)，并同時(shí)在北京召開我國(guó)首屆纖維增強(qiáng)塑料混凝土結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)交流會(huì)。

我國(guó)對(duì)FRP的研究起步晚，但發(fā)展快。但是，CFRP還主要靠進(jìn)口，F(xiàn)RP主要用于結(jié)構(gòu)加固修復(fù)。GFRP技術(shù)相對(duì)比較成熟，但工程中的應(yīng)用還很少。AFRP生產(chǎn)、研究、應(yīng)用幾乎還是一片空白。這些都大大阻礙了FRP在我國(guó)建筑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了國(guó)民經(jīng)濟(jì)的需要。

4.FRP結(jié)構(gòu)加固補(bǔ)強(qiáng)

與傳統(tǒng)加固形式形成鮮明對(duì)比的是近年來(lái)在國(guó)際興起的FRP加固現(xiàn)有結(jié)構(gòu)技術(shù)，其簡(jiǎn)便的施工工藝及優(yōu)良的加固效果得到土木工程界的普遍贊同。

瑞士在1991年用CFRP板成功地加固了一座橋。此后，F(xiàn)RP加固補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)在歐美、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家迅速發(fā)展。特別是在美國(guó)北嶺和日本阪神地震后，F(xiàn)RP加固補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)更是得到了充分的發(fā)展運(yùn)用。我國(guó)大陸在1998年之后才開始這方面的研究，并在一些標(biāo)志性和重要的建筑的維修方面得到了應(yīng)用。FRP加固補(bǔ)強(qiáng)主要包括以下三種形式：（1） FRP 布纏繞加固混凝土柱， 通過(guò)約束混凝土提高混凝土強(qiáng)度和變形能力， 并可提高柱的抗剪能力[4～5]。這是FRP布加固結(jié)構(gòu)最為有效的形式，而且對(duì)各種FRP片材均有效。（2） FRP片材粘貼在梁、板受拉面， 提高其抗彎能力，并可使裂縫寬度得到控制。這是國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多的一種加固形式。（3） 對(duì)梁、柱構(gòu)件采用FRP片材包裹或U形箍包裹，提高其抗剪承載力。這種加固形式也較為有效， 不過(guò)同樣需注意其提高程度與原構(gòu)件配箍率有關(guān)。

雖然FRP用于結(jié)構(gòu)加固補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)相對(duì)比較成熟，但仍有些問(wèn)題值得深入研究，主要是界面粘結(jié)性與剝離問(wèn)題，防火問(wèn)題，疲勞問(wèn)題，耐久性問(wèn)題等。

5.結(jié)語(yǔ)

FRP開發(fā)已久，但是比較成熟的研究與應(yīng)用發(fā)生在最近十幾年。FRP的發(fā)展并不是要完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)的建筑材料-鋼筋混凝土，而是作為一種重要的補(bǔ)充，填補(bǔ)鋼筋混凝土所做不到、難做好的領(lǐng)域。國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家十分重視FRP的研究開發(fā)工作，并竭力搶占FRP技術(shù)領(lǐng)域的制高點(diǎn)。國(guó)內(nèi)FRP的研究發(fā)展速度很快，但主要局限于加固補(bǔ)強(qiáng)方面的研究，其他方面研究還比較滯后。本文通過(guò)對(duì)FRP復(fù)合材料的特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外研究成果，應(yīng)用技術(shù)現(xiàn)狀的簡(jiǎn)要介紹，為我國(guó)FRP在建筑工業(yè)發(fā)展盡有限力量，藉此來(lái)提升我國(guó)土木與建筑的水平。

參考文獻(xiàn)：

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[4]葉列平.碳纖維加固混凝土柱受剪承載力的計(jì)算[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)， 2000， 21（2）：59- 67

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作者簡(jiǎn)介：蔡佳振（1988-），男，漢族，籍貫：河南省商丘市睢陽(yáng)區(qū)，學(xué)歷：碩士研究生在讀，單位：河南大學(xué)，土木建筑學(xué)院，研究方向：結(jié)構(gòu)工程。