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1、纤维增强复合材料（FRP）在工程结构加固中的应用肖萍（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的种类、性能特点及对钢筋混凝土构件的加固方式，并介绍了FRP复合材料在土木工程不同领域的应用发展，展望了FRP复合材料在今后土木工程领域的广阔发展前景。关键词： FRP 复合材料；材料性能 ；钢筋混凝土构 ；修复加固 随着社会科学技术的进步，土木工程结构学科的发展，在很大程度上得益于性质优异的新材料、新技术的应用和发展，而纤维增强复合材料（fiber reinforced polymer 简称FRP）以其优异的力学性能及适应现代工程结构向大跨、高耸、重载、轻质
2、发展的需求，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复合材料的种类FRP复合材料是由纤维材料与基体材料按一定地比例混合，经过特别的模具挤压、拉拔而形成的高性能型材料。目前工程结构中常用的FRP主材主要有碳纤维（CGRP）、玻璃纤维（GFRP）、及芳纶纤维（AFRP），这些材料性能如表1所示，其材料形式主要有片材（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，纤维布是目前应用最为广泛的形式，它由连续的长纤维编织而成，通常是单向纤维布，使用前布浸润树脂，在采用FRP布加固时布的形状可以根据被
3、加固结构的外形随意调整，加上它本身没有刚度，运输方便，较适用于梁与柱的抗剪、抗弯加固，柱与节点的抗震加固。但由于FRP布的厚度较薄，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板则可以承受纤维方向上的拉和压，所以FRP板较适用于梁板柱的抗弯加固和抗剪加固。1.2 在FRP棒材中，FRP筋是采用单向成型工艺，将单向长纤维与树脂混合为棒材；而FRP索是将连续的长纤维单向编织，再用少量树脂浸润固化或不用树脂固化而制成的索状FRP制品。FRP筋和FRP索可以在钢筋混凝土代替钢筋和预应力筋，特别是FRP筋用作预应力筋时，它的高强度、低弹性模量和抗腐蚀性对结构都十分有力。同时它们还可
4、用于大跨度支撑结构、张拉结构和悬挑结构，且一般可节约劳动力和大量后期的维护费用。但工程造价一般高于采用钢筋的方案。1.3 在FRP型材中，FRP格栅型材可代替钢筋网或钢筋笼，直接用作结构中作为楼面或夹心板等构件，同时FRP其他型材也可用于管道、桩基等尺寸较大或形状复杂的结构构件中。2 FRP复合材料的基本力学性能和特点：2.1 抗拉强度高，FRP的抗拉强度均明显高于钢筋，与高强钢丝抗拉强度差不多，一般是钢筋的两倍甚至达十倍。但FRP材料在达到抗拉强度前，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，因此FRP复合材料在与混凝土结构共同作用的过程中，往往不是由于FRP材料被拉断破坏，
5、而是由于FRP混凝土界面强度不足导致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今后工程应用的一个重点和难点。2.2 FRP复合材料热膨胀系数与混凝土相近，这样当环境温度发生变化时，FRP与混凝土协调工作，两者间不会产生大的温度应力。2.3 与钢材相比，大部分FRP产品弹性模量小。约为普通钢筋的2575。因此，FRP结构的设计通常由变形控制。2.4 FRP的抗剪强度低，其强度仅为抗拉强度的520，这使得FRP构件在连接过程中需要研制专门的锚具、夹具。也使得FRP构件的适度成为研究突出的问题。2.5 FRP材料抗腐蚀、抗疲劳性能好，可以在酸、碱、氯盐和潮湿的环境中长期使用，因
6、而可提高结构的使用寿命，这是结构材料难以比拟的。但同时，与一般混凝土相比较，FRP复合材料的防火性能偏差，这也制约了该类结构产品的推广应用，成为今后要解决的问题之一。2.6 自重小、施工方便，其重量一般为钢材的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%普通钢筋78502.1x10540010.0高强钢丝78502.0x10518004.0GFRP20005.1x10416703.3CFRP15001.5x10517001.1AFRP13006.4x10416102.5表1 FRP复合材料
7、力学性能比较3 FRP复合材料在钢筋混凝土结构构件中的加固方式3.1 梁的受弯、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的区域进行处理，去除表面的薄弱层，露出表面的混凝土层并打磨平整，以保证混凝土与FRP之间的可靠粘结， 如图一所示。同时在普通混凝土梁的受剪加固中，FRP对于不同截面形状及角部的广泛适用性，也是其突出的优势。3.2 FRP可用于板的受弯加固采用FRP材料对板进行加固是将FRP粘贴于板的受拉面。一般加固单向板时，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。如图二所示： 3.3 FRP可用于轴压和偏压柱的加固采用FRP材料
8、加固混凝土柱作为一种新型的加固方法，已经得到越来越广泛的应用，其中FRP加固柱最为常见的形式为外包纤维布和条带。FRP加固柱最常用的方法为现场粘贴纤维布裹柱，采用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的螺旋箍或间隔的环箍进行部分包裹。如图三所示：图三3.4 FRP可用于柱的抗震加固在地震作用下采用FRP对桥梁和建筑物的柱进行抗震加固，使柱子在发生破坏前能够由足够的非弹性变形。最常用的FRP抗震加固方法是外包纤维为横向布置的FRP套箍，FRP套箍相当于提供了附加横向配箍而提高了柱的抗剪能力，也可改善柱抵抗地震作用
9、的延性。同时FRP对柱的约束可抑制混凝土的剥落和纵筋的屈曲，使柱具有很大的非弹性弯曲变形能力。4 根据FRP复合材料自身的性能特点，FRP材料可应用如下领域：4.1 在道路桥梁工程中，FRP材料以其优良的特性在大跨度的结构中显示了广阔的发展前景，如美国Rapid City大桥，日本的Birdie桥，德国的Lunensche-Gasse桥，均为采用FRP筋替代现有的钢筋混凝土桥梁，这样也从根本上解决了钢筋的腐蚀问题。同时在路桥工程的震害加固中，FRP复合材料也起到了显著的效果，如在1995年日本阪神大地震发生后，他们使用了FRP布对震后的桥墩柱进行了加固，比普通的修复加固方式节省了大量的时间，使
10、当地的交通运输的到很快的恢复，因此也受到了工程界的广泛关注。4.2 在地铁、隧道的补强加固中，由于地震荷载和不均匀土压力作用，造成地铁或隧道的拱顶或侧壁的裂缝一般是多项且不规则的，这就要求修补材料必须具备良好的抗剪性能，而且是不导电材料，所以采用FRP中的芳纶布是一种很好的选择，而在隧道内壁粘贴FRP布可增加其抗弯性能，有效预防已有裂缝的进一步扩展，延长地铁隧道的使用寿命。4.3 在修复旧有的民用建筑中，由于FRP材料本身具有良好的耐疲劳性能，且材质轻，施工方便，所以可采用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、墙板的开洞加固；还可对混凝土屋架进行加固等等，
11、都起到了很好的效果。如北京民族文化宫屋盖加固，南京新街口百货商店的改造工程等都采用了FRP材料4.4 我国悠久的历史文化为我们留下了大量的木结构建筑 ,它们都具有极高的文物、历史、艺术价值，但经历了岁月风雨的侵蚀，这些木结构都亟待养护和维修，而FRP布由于本身具有几何可塑性大、轻薄、易剪裁成型等优点，非常适用于非规则断面的传统木构件表面的粘贴，且使木结构经油漆后不影响外观，也没有附加的重量，是木结构加固的理想材料。4.5 对于象烟囱、水塔这样高耸的结构，极易受到环境中的酸、碱、盐及大气的腐蚀作用，若采用传统的加固维修，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
12、些难题迎刃而解。目前，国外许多发达国家如欧美、日本的工程界对FRP复合材料进行了大量的研究开发和应用，使之成为一段十分活跃的领域。随着我国经济建设的飞速发展，在今后一个时期，各类道路、桥梁、民用建筑结构的养护、检测和维修将成为我国土木领域关心和研究的重点，而FRP作为一种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的必要补充，并得到广泛应用，给我国的建筑经济领域带来不可忽视的综合效益。参考文献：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, 2005.2叶列平,冯鹏.FRP在工程结构中的应用与发展J.土木工程学报，2006(3)：24-34.3于清.FRP的特点及其在土木工程中的应用J.哈尔滨建筑大学学报，2000(12)：26-30.
