纤维增强复合材料FRP在工程结构加固中的应用.doc

纤维增强复合材料（FRP）在工程结构加固中应用

肖萍
（福建信息职业技术学院 福州, 350019）
摘 要: 介绍FRP这种新型高性能复合材料种类、 性能特点及对钢筋混凝土构件加固方法, 并介绍了FRP复合材料在土木工程不一样领域应用发展, 展望了FRP复合材料在以后土木工程领域宽广发展前景。
关键词: FRP 复合材料; 材料性能 ; 钢筋混凝土构 ; 修复加固

伴随社会科学技术进步, 土木工程结构学科发展, 在很大程度上得益于性质优异新材料、 新技术应用和发展, 而纤维增强复合材料（fiber reinforced polymer 简称FRP）以其优异力学性能及适应该代工程结构向大跨、 高耸、 重载、 轻质发展需求, 正被越来越广泛地应用于桥梁工程、 各类民用建筑、 海洋工程、 地下工程中, 受到结构工程界广泛关注。
1 FRP复合材料种类
FRP复合材料是由纤维材料与基体材料按一定地百分比混合, 经过尤其模具挤压、 拉拔而形成高性能型材料。现在工程结构中常见FRP主材关键有碳纤维（CGRP）、 玻璃纤维（GFRP）、 及芳纶纤维（AFRP）, 这些材料性能如表1所表示, 其材料形式关键有片材（纤维布和板）、 棒材（筋材和索材）及型材（格栅型、 工字型、 蜂窝型等）。
1.1 在FRP片材中, 纤维布是现在应用最为广泛形式, 它由连续长纤维编织而成, 通常是单向纤维布, 使用前布浸润树脂, 在采取FRP布加固时布形状能够依据被加固结构外形随意调整, 加上它本身没有刚度, 运输方便, 较适适用于梁与柱抗剪、 抗弯加固, 柱与节点抗震加固。但因为FRP布厚度较薄, 需多层粘贴才能满足要求, 所以施工工艺较繁杂, 操作较为困难。而FRP板则能够承受纤维方向上拉和压, 所以FRP板较适适用于梁板柱抗弯加固和抗剪加固。
1.2 在FRP棒材中, FRP筋是采取单向成型工艺, 将单向长纤维与树脂混合为棒材; 而FRP索是将连续长纤维单向编织, 再用少许树脂浸润固化或不用树脂固化而制成索状FRP制品。FRP筋和FRP索能够在钢筋混凝土替换钢筋和预应力筋, 尤其是FRP筋用作预应力筋时, 它高强度、 低弹性模量和抗腐蚀性对结构都十分有力。同时它们还可用于大跨度支撑结构、 张拉结构和悬挑结构, 且通常可节省劳动力和大量后期维护费用。但工程造价通常高于采取钢筋方案。
1.3 在FRP型材中, FRP格栅型材可替换钢筋网或钢筋笼, 直接用作结构中作为楼面或夹心板等构件, 同时FRP其她型材也可用于管道、 桩基等尺寸较大或形状复杂结构构件中。
2 FRP复合材料基础力学性能和特点:
2.1 抗拉强度高, FRP抗拉强度均显著高于钢筋, 与高强钢丝抗拉强度差不多, 通常是钢筋两倍甚至达十倍。但FRP材料在达成抗拉强度前, 几乎没有塑性变形产生, 受拉时应力－应变呈线弹性上升直至脆断, 所以FRP复合材料在与混凝土结构共同作用过程中, 往往不是因为FRP材料被拉断破坏, 而是因为FRP－混凝土界面强度不足造成混凝土结构界面被剥离破坏, 所以, FRP－混凝土界面粘结性能问题成为以后工程应用一个关键和难点。
2.2 FRP复合材料热膨胀系数与混凝土相近, 这么当环境温度发生改变时, FRP与混凝土协调工作, 二者间不会产生大温度应力。
2.3 与钢材相比, 大部分FRP产品弹性模量小。约为一般钢筋25％～75％。所以, FRP结构设计通常由变形控制。
2.4 FRP抗剪强度低, 其强度仅为抗拉强度5％～20％, 这使得FRP构件在连接过程中需要研制专门锚具、 夹具。也使得FRP构件适度成为研究突出问题。
2.5 FRP材料抗腐蚀、 抗疲惫性能好, 能够在酸、 碱、 氯盐和潮湿环境中长久使用, 所以可提升结构使用寿命, 这是结构材料难以比拟。但同时, 与通常混凝土相比较, FRP复合材料防火性能偏差, 这也制约了该类结构产品推广应用, 成为以后要处理问题之一。
2.6 自重小、 施工方便, 其重量通常为钢材20％, 没有湿作业, 不需大型施工机具, 无需现场固定设施, 施工占用场地少, 可降低劳动力费用。

材料种类
密 度
Kg/m3
弹性模量
Mpa
抗拉强度
Mpa
极限应变
%
一般钢筋
7850
2.1x105
400
10.0
高强钢丝
7850
2.0x105
1800
4.0
GFRP
≈
≈5.1x104
≈1670
≈3.3
CFRP
≈1500
≈1.5x105
≈1700
≈1.1
AFRP
≈1300
≈6.4x104
≈1610
≈2.5
表1 FRP复合材料力学性能比较
3 FRP复合材料在钢筋混凝土结构构件中加固方法
3.1 梁受弯、 受剪加固
FRP对混凝土简支梁进行受弯加固时, 首先应现将梁底粘贴FRP区域进行处理, 去除表面微弱层, 露出表面混凝土层并打磨平整, 以确保混凝土与FRP之间可靠粘结, 如图一所表示。同时在一般混凝土梁受剪加固中, FRP对于不一样截面形状及角部广泛适用性, 也是其突出优势。

3.2 FRP可用于板受弯加固
采取FRP材料对板进行加固是将FRP粘贴于板受拉面。通常加固单向板时, 通常将FRP沿短跨方向粘贴于板底, 而双向板, 则需要沿两个方向粘贴FRP材料。如图二所表示:

3.3 FRP可用于轴压和偏压柱加固
采取FRP材料加固混凝土柱作为一个新型加固方法, 已经得到越来越广泛应用, 其中FRP加固柱最为常见形式为外包纤维布和条带。FRP加固柱最常见方法为现场粘贴纤维布裹柱, 采取单向或双向纤维布由树脂浸润粘贴包裹于柱表面, 使柱纤维方向沿柱环向。柱可由单层或多层纤维布完全包裹, 也可用纤维布条带形成连续螺旋箍或间隔环箍进行部分包裹。如图三所表示:
图三

3.4 FRP可用于柱抗震加固
在地震作用下采取FRP对桥梁和建筑物柱进行抗震加固, 使柱子在发生破坏前能够由足够非弹性变形。最常见FRP抗震加固方法是外包纤维为横向部署FRP套箍, FRP套箍相当于提供了附加横向配箍而提升了柱抗剪能力, 也可改善柱抵御地震作用延性。同时FRP对柱约束可抑制混凝土剥落和纵筋屈曲, 使柱含有很大非弹性弯曲变形能力。
4 依据FRP复合材料本身性能特点, FRP材料可应用以下领域:
4.1 在道路桥梁工程中, FRP材料以其优良特征在大跨度结构中显示了宽广发展前景, 如美国R apid City大桥, 日本Birdie桥, 德国Lunensche-Gasse桥, 均为采取FRP筋替换现有钢筋混凝土桥梁, 这么也从根本上处理了钢筋腐蚀问题。同时在路桥工程震害加固中, FRP复合材料也起到了显著效果, 如在1995年日本阪神大地震发生后, 她们使用了FRP－布对震后桥墩柱进行了加固, 比一般修复加固方法节省了大量时间, 使当地交通运输到很快恢复, 所以也受到了工程界广泛关注。
4.2 在地铁、 隧道补强加固中, 因为地震荷载和不均匀土压力作用, 造成地铁或隧道拱顶或侧壁裂缝通常是多项且不规则, 这就要求修补材料必需含有良好抗剪性能, 而且是不导电材料, 所以采取FRP中芳纶布是一个很好选择, 而在隧道内壁粘贴FRP－布可增加其抗弯性能, 有效预防已经有裂缝深入扩展, 延长地铁隧道使用寿命。
4.3 在修复旧有民用建筑中, 因为FRP材料本身含有良好耐疲惫性能, 且材质轻, 施工方便, 所以可采取FRP对混凝土柱进行抗弯、 抗压、 抗震加固; 对梁板结构抗弯、 抗剪加固; 对楼板、 墙板开洞加固; 还可对混凝土屋架进行加固等等, 都起到了很好效果。如北京民族文化宫屋盖加固, 南京新街口百货商店改造工程等都采取了FRP材料．
4.4 中国悠久历史文化为我们留下了大量木结构建筑 ,它们都含有极高文物、 历史、 艺术价值, 但经历了岁月风雨侵蚀, 这些木结构都亟待养护和维修, 而FRP－布因为本身含有几何可塑性大、 轻薄、 易剪裁成型等优点, 非常适适用于非规则断面传统木构件表面粘贴, 且使木结构经油漆后不影响外观, 也没有附加重量, 是木结构加固理想材料。
4.5 对于象烟囱、 水塔这么高耸结构, 极易受到环境中酸、 碱、 盐及大气腐蚀作用, 若采取传统加固维修, 施工困难, 费时费力, 而用FRP材料其轻质高强、 耐腐蚀、 耐久性能好等特点, 使这些难题迎刃而解。
现在, 国外很多发达国家如欧美、 日本工程界对FRP复合材料进行了大量研究开发和应用, 使之成为一段十分活跃领域。伴随中国经济建设飞速发展, 在以后一个时期, 各类道路、 桥梁、 民用建筑结构养护、 检测和维修将成为中国土木领域关心和研究关键, 而FRP作为一个高性能材料以其轻质高强, 耐腐蚀, 耐久性能好、 施工便捷等性能特点, 必将成为传统结构材料必需补充, 并得到广泛应用, 给中国建筑经济领域带来不可忽略综合效益。

参考文件:
[1]滕锦光,陈建飞,林力.FRP加固混凝土结构[M].北京: 中国建筑出版社, .
[2]叶列平,冯鹏.FRP在工程结构中应用与发展[J].土木工程学报, (3): 24-34.
[3]于清.FRP特点及其在土木工程中应用[J].哈尔滨建筑大学学报, (12): 26-30.