時(shí)成龍，張紀(jì)剛,2,*，張宜聰，張夢(mèng)琳

(1.青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，青島 266033；2.山東省高等學(xué)校藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)工程建設(shè)與安全協(xié)同創(chuàng)新中心，青島 266033)

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Fiber Reinforced Plastics，簡(jiǎn)稱 FRP)對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能(抗震、抗沖擊、抗爆)提升已經(jīng)成為工程界和學(xué)術(shù)界共同關(guān)心的課題.纖維增強(qiáng)復(fù)合材料因其輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕、施工便捷、耐久性及抗疲勞性能好、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等特點(diǎn)在土木工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)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(gè)最常見應(yīng)用是用作外包混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)加固.大量的試驗(yàn)研究表明FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)的延性通常取決于FRP材料本身的斷裂應(yīng)變[1-2]，因此利用大應(yīng)變FRP材料斷裂應(yīng)變大的特點(diǎn)，可以增加鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的延性，防止混凝土結(jié)構(gòu)倒塌.

隨著纖維復(fù)合材料的發(fā)展，將纖維復(fù)合材料應(yīng)用到剪力墻/板加固中的方法應(yīng)運(yùn)而生，當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)受到外部的沖擊、爆炸等動(dòng)力荷載時(shí)，其破壞形態(tài)主要是彎曲破壞，因此在沖擊作用下，控制構(gòu)件的撓度變形就變得尤為重要.纖維復(fù)合材料利用自身的輕質(zhì)高強(qiáng)、抗拉強(qiáng)度高的特點(diǎn)外貼混凝土結(jié)構(gòu)中，從而減小結(jié)構(gòu)的撓度變形，對(duì)結(jié)構(gòu)起到加固的作用，提高使用壽命，減少財(cái)產(chǎn)的損失.

1 FRP-混凝土界面黏結(jié)性能

目前FRP(主要是指CFRP/GFRP/AFRP/BFRP)加固混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，通常使用環(huán)氧樹脂將FRP粘貼在混凝土表面，提高結(jié)構(gòu)的承載力，這就要求樹脂基復(fù)合材料具備強(qiáng)度高的性能[4].除此之外，土木工程中還將FRP筋、FRP管等復(fù)材應(yīng)用到混凝土結(jié)構(gòu)中，相比較傳統(tǒng)的建筑材料，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有強(qiáng)度高、密度為鋼材的1/4等優(yōu)點(diǎn)，其中碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)和玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(GFRP)應(yīng)用較多，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如圖1所示.

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

圖2 FRP、纖維應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系[5]

到目前為止，針對(duì)影響FRP-混凝土界面黏結(jié)性能的因素，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過研究FRP寬度、厚度、層數(shù)、粘貼長(zhǎng)度等試驗(yàn)[6-9]，對(duì)混凝土界面黏結(jié)受力進(jìn)行詳細(xì)分析；與此同時(shí)研究人員還發(fā)現(xiàn)混凝土表面的處理程度對(duì)界面的黏結(jié)性能有較大影響[10-14]，分別對(duì)混凝土表面進(jìn)行鑿毛、打磨、噴砂、打毛等處理方式，結(jié)果發(fā)現(xiàn)鑿毛和噴砂對(duì)FRP外貼混凝土結(jié)構(gòu)提高承載力具有明顯的效果.

研究人員在總結(jié)前人成果的基礎(chǔ)上，將FRP-混凝土界面黏結(jié)方式進(jìn)行改進(jìn)，提出黏結(jié)強(qiáng)度模型[15]、黏結(jié)滑移模型[16]；SAIIDI、施嘉偉、BRUNO等[17-19]通過研究FRP-混凝土界面動(dòng)態(tài)黏結(jié)性能，發(fā)現(xiàn)應(yīng)變率對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度、界面斷裂、應(yīng)力應(yīng)變有較大的影響.但是目前對(duì)于FRP-混凝土界面黏結(jié)性能的研究主要集中在靜態(tài)荷載條件，而在動(dòng)態(tài)荷載下的研究還比較少，受力機(jī)理還不夠明確.

2 理論分析與數(shù)值模擬

目前針對(duì)FRP外貼剪力墻抗沖擊的研究以試驗(yàn)研究為主，再加上ANSYS/LS-DYNA，ABAQUS等大型有限元分析軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，研究學(xué)者首先根據(jù)分離式霍普金森壓桿(Split Hopkinson Pressure Bar(簡(jiǎn)稱SHPB))進(jìn)行材料性能試驗(yàn)，提出了在超高速響應(yīng)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(yàn)研究與理論模型研究.李兵等[21]針對(duì)剪力墻恢復(fù)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(jù)剪跨比的大小，來選取曲線模型；史先達(dá)[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(shè)計(jì)方法，并給出了α的建議值.理論分析與試驗(yàn)的研究是數(shù)值模擬的基礎(chǔ)，將試驗(yàn)結(jié)果與理論分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比應(yīng)用到數(shù)值模擬中，剪力墻受到?jīng)_擊、爆炸等動(dòng)荷載下，材料、構(gòu)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(chǔ)上，加上數(shù)值模擬的輔助，研究人員將混凝土結(jié)構(gòu)在高應(yīng)變率效應(yīng)的非線性動(dòng)力反應(yīng)進(jìn)行精準(zhǔn)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(zhǔn)確實(shí)時(shí)反映混凝土結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)效應(yīng).王德斌等[24]在現(xiàn)有模型的基礎(chǔ)上，針對(duì)材料的應(yīng)變率效應(yīng)采用SCOTT改進(jìn)后的混凝土模型和鋼筋模型，發(fā)現(xiàn)可以有效地模擬不同加載速率下RC柱的力學(xué)性能.提高數(shù)值模擬精度的關(guān)鍵就是混凝土本構(gòu)模型和鋼筋本構(gòu)模型的選取，目前研究人員對(duì)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(xù)對(duì)本構(gòu)模型進(jìn)行二次開發(fā)，尋求更加接近真實(shí)情況本構(gòu)模型.

3 FRP抗沖擊性能試驗(yàn)研究與應(yīng)用

3.1 中高速?zèng)_擊的試驗(yàn)研究

FRP材料自身的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和應(yīng)變率的相關(guān)性是研究FRP加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗沖擊性能的基礎(chǔ).OU等[25]利用Instron落錘沖擊系統(tǒng)對(duì)CFRP在應(yīng)變率為1/600，40，80，120和160 s-1時(shí)的動(dòng)態(tài)拉伸力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明FRP材料是應(yīng)變率敏感材料.在一定的應(yīng)變率范圍內(nèi)，拉伸強(qiáng)度、峰值應(yīng)變和韌性會(huì)隨應(yīng)變率的增大而增大.AIZUBAIDY等[26]使用 Instron 落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)研究了在不同應(yīng)變率下CFRP的動(dòng)態(tài)拉伸力學(xué)性能，結(jié)果表明CFRP的動(dòng)態(tài)拉伸性能與應(yīng)變率有關(guān)，其拉伸強(qiáng)度和斷裂應(yīng)變隨應(yīng)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(jī)理(圖3)，在高速?zèng)_擊時(shí)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(shù)進(jìn)行研究，對(duì)于彈體頭部形狀對(duì)沖擊的影響研究比較少[28].YU等[29]在CFRP板外側(cè)粘貼金屬層，在高速?zèng)_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?zèng)_擊混凝土結(jié)構(gòu)一次并不會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，往往需要多次撞擊才能使結(jié)構(gòu)失去承載力，因此為了觀察詳細(xì)的高速?zèng)_擊過程，試驗(yàn)中主要是通過高速攝像機(jī)、加速計(jì)或光學(xué)傳感器來詳細(xì)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(yīng)和破壞機(jī)理，其類似于爆炸荷載作用下的響應(yīng)和破壞機(jī)理，因此，在沖擊荷載作用下板可能會(huì)產(chǎn)生負(fù)彎矩[30].將高強(qiáng)度FRP材料粘貼到混凝土受拉區(qū)表面，提高梁、板和墻的抗彎性能，除此之外，增加FRP約束層數(shù)能夠顯著改善其抗彎性能.MCVAY根據(jù)鋼筋混凝土板的沖擊試驗(yàn)結(jié)果，將板的斷裂分為三個(gè)階段：臨界層裂、中等層裂、嚴(yán)重層裂[31].CRAWFORD等[32]研究發(fā)現(xiàn)芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(AFRP)的抗沖擊能力要優(yōu)于CFRP和GFRP，應(yīng)用于沖擊加固工程中性能更好；BHATTI等[33]對(duì)9塊鋼筋混凝土板在AFRP和CFRP加固下的抗沖擊性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)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(jié)構(gòu)的抗沖擊性能需要從承載能力和能量吸收兩方面進(jìn)行研究，相同數(shù)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(jìn)行了芳綸纖維復(fù)合板在平頭彈高速?zèng)_擊荷載作用下的研究，發(fā)現(xiàn)增加纖維層數(shù)能夠明顯減小撓度變形，從而提高結(jié)構(gòu)對(duì)能量的吸收效率.

在沖擊荷載作用下，夾層復(fù)合材料具有良好的抗彎和剪切性能，特別是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料板，在航空航天、機(jī)械工程、車輛等方面廣泛應(yīng)用[35-36].BFRP筋因其強(qiáng)度高、剛度小的特點(diǎn)，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(qiáng)的抗沖擊性能[37].實(shí)際上，研究人員利用BFRP剛度小的優(yōu)點(diǎn)，通常將混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度明顯降低，夾層結(jié)構(gòu)可以充分發(fā)揮良好的能量吸收能力[39-41],但是復(fù)合材料對(duì)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(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，不僅可以減輕板的質(zhì)量，還表現(xiàn)出優(yōu)異的吸能能力和抗沖擊性能.除此之外，將玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料應(yīng)用到金屬板中的抗沖擊性能進(jìn)行了研究[47],在低速?zèng)_擊下分析了GFRP板在擺錘沖擊下的破壞機(jī)理[48].SADRAIE等[49]對(duì)6塊鋼筋混凝土板外貼GFRP布在落錘沖擊下的試驗(yàn)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(shù)，結(jié)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(yàn)裝置[49]

3.3 剪力墻局部粘貼FRP抗沖擊性能的研究

目前對(duì)于FRP加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在抗沖擊性能領(lǐng)域的研究還非常有限.在工程加固防護(hù)領(lǐng)域中，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)用往往都是大面積外貼鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，對(duì)于不需要加固的部分就會(huì)造成材料浪費(fèi)，減小復(fù)合材料外貼鋼筋混凝土構(gòu)件的面積，可以有效地減少?zèng)_擊荷載造成的復(fù)合材料碎片破壞的威脅，因此在沖擊荷載下進(jìn)行針對(duì)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(bǔ)片(圓形/正四邊形/菱形/正六邊形/正八邊形)對(duì)板進(jìn)行抗沖擊性能試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，圓形補(bǔ)片抗沖擊性能最優(yōu)，分層損傷最小.LI等[51]對(duì)CFRP帶分布式、集中式布置在墻體外側(cè)，在瓦斯爆炸作用下的抗沖擊性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(qiáng)度和變形能力；對(duì)于鋼筋混凝土板的沖擊研究[53]，發(fā)現(xiàn)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(shù)量，破壞模式變?yōu)闆_孔彎曲破壞.大量試驗(yàn)研究表明，在沖擊荷載作用下，必然會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)分層和基體裂紋[54],甚至?xí)霈F(xiàn)纖維層的斷裂與結(jié)構(gòu)的穿孔[55-56].因此將聚脲與纖維增強(qiáng)復(fù)合材料相結(jié)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(jié)構(gòu)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(huì)提高混凝土構(gòu)件的抗沖擊能力，但是價(jià)格昂貴，不符合經(jīng)濟(jì)的理念，因此，將纖維增強(qiáng)復(fù)合材料與聚脲混合噴涂，將會(huì)充分發(fā)揮兩種材料的優(yōu)點(diǎn)，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(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固混凝土結(jié)構(gòu)在中高速?zèng)_擊、低速?zèng)_擊下的抗沖擊性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，總結(jié)了現(xiàn)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(jìn)一步推進(jìn)對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)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(jié)構(gòu)表面將會(huì)是接下來重點(diǎn)研究的方向，面對(duì)新材料的研發(fā)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)將會(huì)更加完善.

3.4 FRP在土木工程中的應(yīng)用

目前，針對(duì)爆炸荷載作用下FRP結(jié)構(gòu)性能的經(jīng)驗(yàn)和研究成果比較成熟，但是沖擊荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的影響不同于爆炸荷載，那是因?yàn)闆_擊荷載通常具有相對(duì)較低的荷載率，并且通常集中在結(jié)構(gòu)上的點(diǎn)荷載.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的沖擊響應(yīng)具有復(fù)雜性，但是研究人員利用FRP筋的高強(qiáng)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(qū)域粘貼U形BFRP布和整個(gè)梁粘貼BFRP布進(jìn)行減振對(duì)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(jīng)濟(jì)，從而提供了一種局部加固的方法.同時(shí)，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(shù)盡管可以提高混凝土抗沖擊能力，但是發(fā)現(xiàn)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(duì)鋼筋混凝土框架在沖擊荷載作用下的倒塌進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在倒塌過程中框架柱會(huì)出現(xiàn)“拱作用”現(xiàn)象，隨著箍筋配筋率的增加，框架結(jié)構(gòu)抗沖擊能力也明顯增加，從而延緩結(jié)構(gòu)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(shù)、布置方式、粘貼界面等材料層面，對(duì)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(duì) CFRP 加固鋼管混凝土圓柱的側(cè)向抗沖擊性能進(jìn)行了有限元分析，研究表明FRP的加固長(zhǎng)度超過一定長(zhǎng)度后，CFRP 對(duì)混凝土柱的抗沖擊性能不再提高，且只需加固柱子全長(zhǎng)的 34%，就能防止柱子在側(cè)向沖擊作用下發(fā)生整體彎曲.考慮到GFRP比CFRP的斷裂應(yīng)變要高，CHEN等[63]進(jìn)一步對(duì)GFRP包裹混凝土柱進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，證實(shí)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(fā)現(xiàn)，增加CFRP的層數(shù)可以提高沖擊力和沖擊持續(xù)時(shí)間，防止柱發(fā)生一次沖擊脆性破壞，延緩破壞時(shí)間.

綜上所述，目前關(guān)于FRP加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能的研究還處于起步階段，多數(shù)集中在FRP材料和FRP約束混凝土材性層面，構(gòu)件層面相對(duì)系統(tǒng)的研究還比較少.應(yīng)變率對(duì) FRP材料和FRP加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的影響并沒有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，沒有公認(rèn)的設(shè)計(jì)公式，需要進(jìn)一步的研究.在構(gòu)件層面上試驗(yàn)研究和理論分析工作都還處于初步探索階段，應(yīng)變率效應(yīng)對(duì)FRP加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的影響還不明確，需要進(jìn)一步的研究.

4 結(jié)論

綜述了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固鋼筋混凝土剪力墻/板抗沖擊性能的優(yōu)勢(shì)和重要性，詳細(xì)介紹了目前常用的四種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在實(shí)際工程中抗沖擊的材料性能.結(jié)合目前纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在沖擊荷載下的應(yīng)用與研究，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，提高纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在沖擊荷載下的承載力，還需要進(jìn)行以下幾個(gè)方面的研究與探索：

1) 針對(duì)FRP拉伸斷裂應(yīng)變的不足，提出大應(yīng)變FRP，彌補(bǔ)普通FRP的缺點(diǎn)，解決實(shí)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(qiáng)復(fù)合材料組合形成超彈性復(fù)合材料，具有良好的延性和超彈性的優(yōu)點(diǎn)，從而減小連續(xù)沖擊的響應(yīng).

3) 研發(fā)出具有長(zhǎng)期使用性能的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，使其與混凝土結(jié)構(gòu)能共同作用，提高使用壽命，減小經(jīng)濟(jì)損失.

4) 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料與混凝土界面的黏結(jié)性能還需進(jìn)一步研究，可以加入智能傳感器，避免在使用過程中出現(xiàn)剝落的問題.