雷運(yùn)波， 冉 強(qiáng)， 張百樂(lè)， 李 貞

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纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Fiber Reinforced Polymer，F(xiàn)RP)誕生于20世紀(jì)中葉，是一種由纖維與樹(shù)脂共混并通過(guò)相關(guān)成型工藝制備而成的高性能復(fù)合材料，其具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐久性好和可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1]。根據(jù)纖維種類(lèi)的不同，相關(guān)學(xué)者將FRP分為碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP)、玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Glass Fiber Reinforced Polymer，GFRP)、玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Basalt Fiber Reinforced Polymer，BFRP)和芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Aramid Fiber Reinforced Polymer，AFRP)[2]。20世紀(jì)90年代，隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，F(xiàn)RP的制造成本也逐漸下降，其也從最初的僅供軍事設(shè)備使用，開(kāi)始面向工業(yè)領(lǐng)域；近些年，學(xué)者們更是嘗試將FRP用于加固土木工程中的各類(lèi)結(jié)構(gòu)[3]。雖然目前國(guó)內(nèi)外已有諸多學(xué)者對(duì)FRP在土木工程中的應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)研究，但都與實(shí)際工程應(yīng)用相距甚遠(yuǎn)[4]。本文簡(jiǎn)要概述當(dāng)前國(guó)內(nèi)外FRP在土木工程中的研究進(jìn)展，為其實(shí)際工程應(yīng)用和未來(lái)研究方向提供參考。

1 國(guó)內(nèi)外研究概況

1.1 國(guó)外研究概況

國(guó)外學(xué)者于20世紀(jì)中葉開(kāi)始研究FRP在土木工程中的實(shí)際應(yīng)用[5]。美國(guó)在20世紀(jì)60年代初期便利用GFRP加固混凝土結(jié)構(gòu)；此后20年間，歐亞各發(fā)達(dá)國(guó)家連續(xù)將目光集中于FRP加固土木工程結(jié)構(gòu)的領(lǐng)域，并為此投入了大量的科研人員與試驗(yàn)儀器；在各國(guó)的長(zhǎng)期努力下，對(duì)于FRP的研究取得了喜人的結(jié)果，同時(shí)也進(jìn)一步證明了FRP在實(shí)際工程中應(yīng)用的可行性[6-8]。20世紀(jì)末，日本關(guān)西地區(qū)發(fā)生了7.3級(jí)地震，在相關(guān)專(zhuān)家的建議下，救援施工人員利用FRP對(duì)災(zāi)后的混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行緊急加固，因其具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐久性好和施工便捷等優(yōu)勢(shì)，為搶險(xiǎn)救人與災(zāi)后重建爭(zhēng)取了寶貴的時(shí)間，同時(shí)也為FRP在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用提供了實(shí)例支撐[9]。

為了進(jìn)一步推廣FRP在土木工程領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用，各國(guó)開(kāi)始著手制訂相關(guān)指標(biāo)與規(guī)范[10]。20世紀(jì)90年代初期，美國(guó)混凝土協(xié)會(huì)為了研究FRP加固混凝土與砌體結(jié)構(gòu)，特別成立了ACI440(American Certification Institute 440，ACI440)，并擬定了相關(guān)規(guī)范的草案；2年之后，在ACI440的努力下，第一屆國(guó)際FRP專(zhuān)題會(huì)議于加拿大順利舉辦，并規(guī)定該會(huì)議之后每2年舉辦一次[11]。1997年12月，歐洲各國(guó)啟動(dòng)了《高性能纖維復(fù)合材料加固混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南》項(xiàng)目[12]。20世紀(jì)末，由于FRP在震后救災(zāi)搶險(xiǎn)的優(yōu)異表現(xiàn)，日本土木學(xué)會(huì)成立FRP加固委員會(huì)，并擬定了相關(guān)維修與加固規(guī)范的草案[13]。

1.2 國(guó)內(nèi)研究概況

20世紀(jì)90年代中期，我國(guó)開(kāi)始從歐美發(fā)達(dá)國(guó)家引進(jìn)CFRP加固混凝土結(jié)構(gòu)的相關(guān)技術(shù)，并同時(shí)組織有關(guān)專(zhuān)家學(xué)者開(kāi)展FRP在土木工程其他結(jié)構(gòu)中的加固研究，由于其顯著的加固優(yōu)勢(shì)，對(duì)于FRP的相關(guān)研究在較短的時(shí)間內(nèi)便成為了行業(yè)熱點(diǎn)[14]。目前我國(guó)已經(jīng)對(duì)FRP在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了大量的研究與實(shí)踐工作，并取得傲人的成果；在理論研究方面，我國(guó)學(xué)者結(jié)合當(dāng)前實(shí)際國(guó)情對(duì)于FRP的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、加固機(jī)理和規(guī)范指標(biāo)等多個(gè)方面開(kāi)展研究；在工程實(shí)踐方面，我國(guó)已完成上千項(xiàng)FRP加固工程，且其應(yīng)用表現(xiàn)與服役年限均令人滿意[15]。隨著FRP在我國(guó)土木工程中廣泛應(yīng)用，有關(guān)部門(mén)開(kāi)始組織有關(guān)專(zhuān)家學(xué)者編寫(xiě)適應(yīng)我國(guó)實(shí)際情況的相關(guān)指標(biāo)與規(guī)范，使FRP今后能夠更好在我國(guó)土木工程中得到推廣應(yīng)用。我國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)所制定的《碳纖維布加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》在實(shí)際工程中已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用并起到了良好的指導(dǎo)作用，同時(shí)其他各類(lèi)FRP的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和有關(guān)規(guī)范都在草擬中[16-18]。目前FRP加固土木工程中的各類(lèi)結(jié)構(gòu)已在我國(guó)逐漸推廣，并正在步入高速發(fā)展階段。

2 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固優(yōu)勢(shì)

2.1 輕質(zhì)高強(qiáng)

FRP是典型的輕質(zhì)高強(qiáng)材料，具有極高的比強(qiáng)度。一塊重量?jī)H為普通鋼材25%左右的FRP，其抗拉強(qiáng)度卻是鋼材的10倍左右，同時(shí)，由于FRP輕質(zhì)的特點(diǎn)，其運(yùn)輸成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)材料。實(shí)際工程中若使用FRP作為結(jié)構(gòu)加固用材，其不會(huì)因?yàn)樽灾剡^(guò)大而給加固結(jié)構(gòu)帶來(lái)額外的荷載作用，同時(shí)FRP超高的強(qiáng)度又為結(jié)構(gòu)的正常使用提供了有效的保障。

2.2 耐久性好

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，各類(lèi)工程結(jié)構(gòu)的服役環(huán)境是越發(fā)復(fù)雜多變，同時(shí)人們對(duì)于其耐久性要求也是日益提高。在惡劣條件下(如高溫、酸雨和海水等)，傳統(tǒng)材料耐久性較差，隨服役時(shí)間的增加，強(qiáng)度明顯下降，繼而大大增加工程的養(yǎng)護(hù)成本，同時(shí)也帶來(lái)了一定程度的安全隱患。目前市面上所使用的大部分FRP的耐久性遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)材料，有關(guān)試驗(yàn)研究證明，在模擬海洋腐蝕的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，F(xiàn)RP服役2 萬(wàn)h后強(qiáng)度仍舊未發(fā)生較大變化，同時(shí)在美國(guó)平洋海岸，F(xiàn)RP修改加固被海水嚴(yán)重腐蝕破壞的混凝土結(jié)構(gòu)，在服役10余年后，各項(xiàng)性能指標(biāo)與結(jié)構(gòu)整體性依舊保持良好[19]。故在土木工程中的各類(lèi)結(jié)構(gòu)使用FRP不僅能夠有效地降低維護(hù)成本，同時(shí)也能為結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期安全服役提供保障。

2.3 可設(shè)計(jì)性強(qiáng)

各類(lèi)纖維材料的性能也各不相同，如碳纖維具有良好的剛強(qiáng)度與耐久性，但延展性較差且價(jià)格高昂；玄武巖纖維低碳環(huán)保，同時(shí)具有良好的延展性與耐候性，但彈性模量偏低；玻璃纖維成本較低，但耐候性與彈性模量均較差；芳綸纖維具有優(yōu)異的抗沖擊性，但易蠕變且耐候性較差[20]。故可將不同纖維材料復(fù)合設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)性能互補(bǔ)，也可根據(jù)實(shí)際工程需求設(shè)計(jì)適宜的高性能復(fù)合材料。同時(shí)，相關(guān)成型工藝不斷進(jìn)步和成熟，也使得FRP的制作成型更加方便。在實(shí)際工程中，廠家可根據(jù)用戶的需求對(duì)FRP的性能和形狀進(jìn)行靈活的設(shè)計(jì)。

2.4 施工便捷

與傳統(tǒng)加固材料相比，F(xiàn)RP是柔性材料，在實(shí)際施工過(guò)程中，即使需要加固的結(jié)構(gòu)表面略有不平，也可以保證較高的施工效率，同時(shí)前期準(zhǔn)備工作較少，施工無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)固定與大型設(shè)備，施工占用場(chǎng)地少。同時(shí)其施工工具與工序均較為簡(jiǎn)單，施工噪音小，且施工后發(fā)現(xiàn)局部缺陷也易于修補(bǔ)。

3 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固結(jié)構(gòu)

3.1 加固砌體結(jié)構(gòu)

3.1.1 CFRP加固砌體結(jié)構(gòu)

美國(guó)、加拿大和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家最早開(kāi)始研究CFRP加固砌體結(jié)構(gòu)，我國(guó)于20世紀(jì)末引進(jìn)并研究。韋昌芹等[21]率先提出CFRP加固砌體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算公式，并設(shè)計(jì)了2種不同方案驗(yàn)證試驗(yàn)，最終試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)與公式運(yùn)算結(jié)果高度吻合，進(jìn)而推斷出CFRP加固砌體結(jié)構(gòu)具有可行性。張明杰等[22]為研究CFRP加固開(kāi)裂砌體結(jié)構(gòu)的抗震性能，進(jìn)行了一系列的模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明CFRP能夠有效提高砌體結(jié)構(gòu)的抗震性能。楊曌等[23]通過(guò)擬靜力試驗(yàn)研究，分析試件的破壞形態(tài)、滯回曲線和延性系數(shù)等抗震性能指標(biāo)，來(lái)研究CFRP加固砌體結(jié)構(gòu)的抗震性能，從而得出了CFRP加固砌體結(jié)構(gòu)有較好的抗震性能，為CFRP加固砌體結(jié)構(gòu)的后續(xù)研究提供了可靠的數(shù)據(jù)。

3.1.2 BFRP加固砌體結(jié)構(gòu)

張斯等[24]通過(guò)模擬靜力試驗(yàn)研究BFRP加固砌體構(gòu)件的抗震性能，試驗(yàn)結(jié)果表明BFRP能改變砌體結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)，同時(shí)能夠有效減緩裂縫的擴(kuò)張，從而提升結(jié)構(gòu)的抗震性能。趙少偉等[25]利用低周反復(fù)荷載試驗(yàn)研究BFRP加固后砌體結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)性能，結(jié)果表明BFRP能夠有效改善結(jié)構(gòu)的耗能能力，同時(shí)提升砌體的變形、抗震和抗剪等能力，繼而延緩其剛度退化。

3.1.3 GFRP加固砌體結(jié)構(gòu)

劉驥夫[26]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究GFRP加固磚砌體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力情況，并此基礎(chǔ)上提出合理假設(shè)，建立相關(guān)的有限元模型，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)學(xué)建模分析研究不同荷載下砌體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律。熊雅格[27]通過(guò)磚柱抗壓試驗(yàn)與砌體通縫抗剪試驗(yàn)來(lái)研究GFRP加固磚砌體結(jié)構(gòu)的單調(diào)加載問(wèn)題，并利用有限元分析軟件進(jìn)行模擬分析，結(jié)果表明GFRP可以很好地提高砌體結(jié)構(gòu)整體抗剪強(qiáng)度，使裂縫緩慢擴(kuò)展，防止突然性破壞。

3.2 加固混凝土結(jié)構(gòu)

3.2.1 CFRP加固混凝土結(jié)構(gòu)

嚴(yán)志亮[28]通過(guò)一系列試驗(yàn)對(duì)CFRP 加固混凝土結(jié)構(gòu)的耐候性進(jìn)行來(lái)研究，結(jié)果表明在酸性環(huán)境中，結(jié)構(gòu)的延性會(huì)明顯下降，但其彈性模量變化不大；在潮濕環(huán)境中，結(jié)構(gòu)的開(kāi)裂荷載與極限荷載會(huì)有輕微的下降，但依舊遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)材料加固后的結(jié)構(gòu)。李春霞[29]從結(jié)構(gòu)彎承載應(yīng)力出發(fā)，研究不同荷載下CFRP加固前后混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變，推導(dǎo)出更加適合實(shí)際工程需求的滯后應(yīng)變簡(jiǎn)化公式，并在此基礎(chǔ)之上，提出了以界限配布率為指標(biāo)的CFRP用量設(shè)計(jì)公式。梁金福[30]在原有試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上引入數(shù)學(xué)模型，采用數(shù)值模擬與室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合的方法進(jìn)一步研究分析CFRP加固混凝土梁結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理。劉堯遙[31]利用有限元分析軟件對(duì)CFRP嵌入式加固混凝土梁的力學(xué)特性進(jìn)行數(shù)值模擬分析，同時(shí)設(shè)計(jì)室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)二者數(shù)據(jù)高度一致。

3.2.2 AFRP加固混凝土結(jié)構(gòu)

官保華[32]為解決AFRP加固混凝土結(jié)構(gòu)在有限元模擬軟件中界面處理與分析收斂?jī)纱箅y題，提出在現(xiàn)有界面分析模型的基礎(chǔ)上，引入微平面模型，并利用模擬軟件中的二次開(kāi)發(fā)工具，編寫(xiě)完成了微平面本構(gòu)程序，但遺憾的是并沒(méi)有通過(guò)相關(guān)的試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。邵士萍[33]為研究不同層數(shù)的AFRP的加固效果，以混凝土梁作為試驗(yàn)研究對(duì)象進(jìn)行了一系列的相關(guān)試驗(yàn)，并在此基礎(chǔ)上利用相關(guān)模擬算法分析研究結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變?cè)诓煌奢d組合下的變化規(guī)律。

3.2.3 BFRP加固混凝土結(jié)構(gòu)

高曉楠[34]對(duì)不同溫度下的CFRP與BFRP加固混凝土結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)，并將試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性有限元分析，結(jié)果表明在相同溫度下，BFRP的延伸性相對(duì)較好，CFRP的拉伸強(qiáng)度和彈性模量則相對(duì)較好。許向南[35]通過(guò)試驗(yàn)得出BFRP可提升被加固混凝土連續(xù)梁的極限荷載，并利用有限元分析軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，由此推導(dǎo)出BFRP加固后混凝土連續(xù)梁的抗彎承載力公式與剛度公式。

3.3 加固鋼結(jié)構(gòu)

3.3.1 CFRP加固鋼結(jié)構(gòu)

鈕鵬[36]通過(guò)大量的理論與試驗(yàn)研究，推導(dǎo)出CFRP加固H型鋼結(jié)構(gòu)的極限荷載公式，并建立模型進(jìn)行模擬，最終模擬結(jié)果與公式運(yùn)算結(jié)果高度一致，為后續(xù)荷載問(wèn)題的進(jìn)一步研究提供了理論依據(jù)。袁菁穎[37]進(jìn)行了CFRP加固H型鋼梁的試驗(yàn)研究，并進(jìn)行了ABAQUS數(shù)值模擬，相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)后續(xù)實(shí)際工程設(shè)計(jì)具有較大的指導(dǎo)意義。蔣興笠[38]從物理化學(xué)性質(zhì)出發(fā)，通過(guò)微觀特性研究分析CFRP加固鋼結(jié)構(gòu)的相關(guān)作用機(jī)理與潛在破壞形式，繼而總結(jié)整理出設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，并推導(dǎo)出CFRP加固鋼結(jié)構(gòu)的界面應(yīng)力計(jì)算公式。王旭[39]利用ANSYS對(duì)CFRP加固鋼結(jié)構(gòu)的界面黏結(jié)應(yīng)力分布進(jìn)行了數(shù)值模擬，并分析了其應(yīng)力應(yīng)變的分布規(guī)律。

3.3.2 GFRP加固鋼結(jié)構(gòu)

張卉[40]為研究GFRP加固鋼結(jié)構(gòu)的受力情況，進(jìn)行了大量的有關(guān)試驗(yàn)，最終發(fā)現(xiàn)得到的結(jié)果具有一定的規(guī)律性，為其后續(xù)的試驗(yàn)研究與工程應(yīng)用指引了方向，也為制訂相關(guān)技術(shù)指標(biāo)與規(guī)范提供了數(shù)據(jù)。李娟[41]為研究GFRP加固鋼結(jié)構(gòu)的剝離應(yīng)力，通過(guò)一系列的室內(nèi)試驗(yàn)分析其黏結(jié)機(jī)理，在此基礎(chǔ)上提出黏結(jié)強(qiáng)度和界面剝離應(yīng)力的理論公式，經(jīng)試驗(yàn)研究與數(shù)值模擬相結(jié)合得出GFRP能有效提升鋼結(jié)構(gòu)的極限剝離應(yīng)力，同時(shí)其整體強(qiáng)度與荷載能力均有所增強(qiáng)。

4 總結(jié)

經(jīng)相關(guān)試驗(yàn)研究與工程實(shí)踐證明，相較于傳統(tǒng)的工程結(jié)構(gòu)加固材料，F(xiàn)RP在施工成本、使用壽命與后期維護(hù)等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。西方國(guó)家對(duì)與FRP在土木工程中的研究和應(yīng)用較早, 并制定了相關(guān)的技術(shù)規(guī)范及準(zhǔn)則；我國(guó)對(duì)其研究雖然起步相對(duì)較晚，但國(guó)內(nèi)學(xué)者經(jīng)過(guò)不斷探索和試驗(yàn)，在借鑒國(guó)外成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合自身實(shí)際情況，逐步形成了適用于國(guó)內(nèi)的FRP加固技術(shù)，但是適合我國(guó)國(guó)情的FRP加固技術(shù)指標(biāo)與規(guī)范仍有待進(jìn)一步研究和完善。