摘要：纤维增强复合材料(FRP)在土木工程中的应用是国内外研究热点，本文综述了FRP 的特性及近年在的研究应用状况和发展前景。 关键词：纤维增强复合材料；加固；混凝土；力学性能 0前言 随着建筑业的发展，混凝土结构是当今世界上使用最多的一种结构，其使用寿命可达数十年，甚至上百年。但在使用寿命内，结构会遭受多方面的作用，大致有以下：设计不周、施工缺陷；年久老化；腐蚀、超载、意外灾害等。将直接导致混凝土粉化、疏松、剥落、开裂和钢筋锈蚀，使裂缝增大、刚度降低、挠度增大，承载力削弱甚至丧失[25]。限于我国国情，其中的大部分不可能推倒重建，继续使用就必须进行补强加固处理。如果没有根本性的技术革新，社会将负担庞大的基础设施的维修和管理费用[1][29]。 在建筑构件中，柱类构件对上部结构起着承重作用，一发生破坏会导致整个结构的倒塌，所以对此类构件的加固已成为急待解决的问题[27]。 传统加固方法常用的有加大截面法、置换法、预应力加固法、粘钢法等。这些方法虽然对改善结构的强度、刚度以及抗震性能起到了一定的作用，但也存在着许多缺点：①自重大，可能会造成连锁补强问题；②对建筑物的使用功能、美观造成很大影响；③抗腐蚀性能差，易丧失应有功能，在厂房中应用显得尤为突出；④施工复杂且周期长，影响了正常工作及生活，社会效益差。 纤维增强复合材料（FiberReinforcedPlastic，简称FRP）加固修补混凝土结构技术，根据约束混凝上原理间接提高结构的承载力[2]。经过研究表明，不仅可以提高构件的承载力，而且也可改善构件的延性，将有效地解决上述问题[21][22]。所以现在多用此法来加固柱类构件。
综合比较，各种加固方法由于所用材料的不同，在力学性能、施工技术及工程造价等方面也各有优缺点。如图1所示，将各种约束混凝土的应力应变关系曲线做出比较，纤维增强材料加固性能最好，具有很大的工程价值，应该进行大力推广[31]。 1特点 纤维增强复合材料加固修补混凝土结构技术是利用环氧树脂将纤维材料粘贴于混凝土表面，从而提高被加固结构的承载力或刚度等的目的。由于FRP具有耐腐蚀、轻质、施工便捷等优点，再加上FRP价格的不断下降，FRP被广泛应用于混凝土结构及其他结构的加固中[2]。FRP不仅可用于混凝土结构的加固，还可用于钢结构、木结构及砌体结构的加固及防腐。 按材料形状分，主要有：FRP片材(包括布状片材、板状片材)、棒材和型材。按材料种类分，在工程上应用较多的主要是碳纤维增强材料(CFRP)、玻璃纤维增强材料(GFRP)和芳纶纤维增强塑料(AFRP)。碳纤维的强度最高，弹性模量也高过钢筋，但延伸率较低，玻璃纤维的强度和弹性不如碳纤维，但有较好的延伸率。芳纶纤维介于两者之间。
由上图2可看出该三种材料的应力—应变关系为线弹性，无屈服段，呈现脆性破坏。在实际应用中为了保证结构有一定的安全性能，一般取名义应力作为材料的破坏应力。 FRP同钢材相比具有以下特点：(1)抗拉强度高；(2)抗腐蚀性和耐久性好；(3)自重轻，施工方便；(4)热膨胀系数与混凝土存在一定差别；(5)弹性模量小；(6)抗剪强度低。 [Page] 2加固 2.1加固形式 现今，FRP对混凝土柱的加固形式主要有:布材缠绕、纤维筋缠绕、纤维布条缠绕、高温下自动缠绕、预制纤维壳粘结、纤维套管等[3]。但在实际过程中，如图3所示，一般采用：布材缠绕、纤维筋缠绕、纤维布条缠绕这三种加固形式。
按纤维的布置方向又可分为环向加固、纵向加固以及斜向加固三种形式。环向加固对混凝土的约束作用效果最好，但对柱的抗弯能力无法提高，则有将纤维束沿柱轴向粘贴，如同对梁抗弯加固一样。斜向加固形式不常见。 环向约束时，纤维的缠绕通常有两种形式：类似于钢管混凝土的全包式和类似于箍板加固的间隔式。全包式可使构件沿柱口均匀受力，约束效果显著；间隔式混凝土受力不均匀，纤维对较远处混凝土的约束作用较小，未包裹处的混凝土横向应变较大，易成为破坏的薄弱环节，但布置形式有一定的经济性。 2.2加固材料 结构加固用到的纤维材料主要有碳纤维和玻璃纤维，采用碳纤维可以对柱有较强的约束作用，但延伸率较小，对构件后期的作用不大，价格较贵。玻璃纤维可与之结合混合加固方式，提高抗拉强度、断裂延伸率和韧性，也可改变材料的强度和刚度，降低工程造价[4]。 用于结构加固修复最多的材料形式是片材；其次是棒材，主要是作为FRP筋来替代普通钢筋和预应力钢筋；型材的应用实例较少。在片材中，布材使用量最大，且技术最成熟，板材的使用量依然较小。FRP片材用于混凝土结构的加固形式主要有：(1)采用封闭式粘贴、U形粘贴或侧面粘贴对柱构件进行受剪加固，纤维方向宜与构件轴向垂直；(2)采用封闭式粘贴形成约束混凝土，对柱进行抗震加固，纤维方向应与柱轴向垂直。 2.3研究及应用现状 国外用CFRP对混凝土结构进行加固修补技术的研究，开始于德国和瑞士[2]。然后由日本人在80年代发展起来的，80年代末及90年代初，日本相继进行了CFRP用于结构修补的研究[32]。CFRP以其优异的力学性能、简便的施工工艺、良好的耐腐及耐久性与优异的加固修补效果得到了普遍赞同，极大地推动了日本、韩国、美国、欧洲等国家推广应用的步伐[17][18]。目前，国外科研机构及高等学校已对CFRP修补加固混凝土结构，尤其是抗震加固的性能和效果进行了大量的研究，在此基础上已编制形成了自己国家的行业标准与规范，日本已经编制了《连续纤维材料补强加固混凝土结构的设计及施工规范》，欧洲9个国家也设立“高性能纤维复合材料加固混凝土结构设计指南”项目，美国也已经推出了有关设计规程，提供了诸如材料的选择、设计计算方法及施工方法等方面的指南[34][35][32][33][31]。因此，该项技术在美、日等发达国家已完全产业化[16][19]。 我国于1997年开展碳纤维布补强加固钢筋混凝土构件的研究工作。其中国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心最早进行了这项工作；之后，有许多高等院校和科研单位也进行了碳纤维的研究。目前已进行了20余项研究，发表论文百余篇，应用于实际工程60余项[2]。在规范编制方面，中国工程标准化协会于1998年组织开始编制《碳纤维布加固钢筋混凝土结构技术规程》，主编单位为北京冶金建筑研究院，副主编单位为四川省建筑科学研究院，2000年11月完成了征求意见稿，于2001年3月颁布了《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》（送审稿），于2001年9月颁布了《粘贴碳纤维增强复合材料加固混凝土工程施工与验收暂行规定》，于2002年6月颁布了《粘贴碳纤维增强复合材料加固混凝土工程施工与验收暂行规定》（修订本）。碳纤维加固虽然已经很普遍，但规程还处在初期，还需要进一步完善。这些工作对于FRP加固修复结构技术在我国的发展将起到至关重要的作用，为我国基本建设的发展起到了良好的推动作用。国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心、天津大学、清华大学、东南大学、同济大学、大连理工大学等单位先后开展了CFRP、GFRP布补强加固钢筋混凝土构件、纤维筋混凝土构件、纤维复合材料与混凝土试块之间的 粘结等研究，得到了一些成果。在试验研究的基础上，结合国外的加固规范，提出了一些设计理论和方法[30]。在这方面，我国虽然起步晚，但起点高，发展迅猛，2000年6月于北京召开的中国首届FRP混凝土结构学术交流会上，碳纤维加固技术的研究与应用成了大会交流的热点。 3理论分析 FRP加固混凝土柱构件原理是约束混凝土，混凝土在轴力作用下开裂，引发纤维的环向应变，产生环向应力，使混凝上处于三向受力状态，强度和延性得到提高，试件性能得到改善[20]。
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从上图5看出，FRP约束混凝土的力学性能分两个阶段。第一阶段，FRP应变不大，混凝土横向裂缝较小，约束效果不是明显，曲线与素混凝土的曲线相似。第二阶段，随荷载增大，达到混凝土的峰值应力时，裂缝发展加快，混凝土横向加速膨胀，从而引发外包FRP环向应变，约束力增大。此时应力—应变基本上是呈现出一个线性关系，最后FRP断裂，构件失去承载力。 4试验分析 FRP约束混凝土柱实验[4][6][7][8][11]，按加载形式可分为：①轴向加载，为静力实验，试 验装置简单，加载过程清晰，主要对约束柱的抗拉强度、抗压强度研究。试验研究较为充分，影响因素基本上都给予了考虑[23[24]][28]。②低周反复加载，试件同时受轴向力和反复水平力的作用，得滞回曲线，可计算试件的延性指标，研究较多，可以综合研究轴压比、剪跨比、剪压比的大小，分析它们对柱抗震性能的影响，用于评价FRP加固性能。它可分为变幅对称加载和变幅不对称加载，一般试验为变幅对称加载。③振动台实验，通过输入地震波，模拟真实的地震情况，评价加固试件的实际抗震性能。装置复杂，费用较高，较少采用。多数是通过计算机仿真技术来模拟地震作用。 5结论与建议 结合本人认识，提出几点建议： 1、深入研究FRP对不同截面构件的约束性能，提出相应的简化计算公式[11]。构件的截面形状直接影响了FRP的约束效果。至今，大多数研究仍然停留在矩形和圆形上，没有充分考虑其它截面形式，所以今后应在此方面多做研究，为了实际应用的方便性，还应对各种截面提出相应的简化计算公式。 2、加大FRP加固混凝土尺寸效应现象的研究[5][10][11][12][13][14][15]。主要是对混凝土强度及其相关的力学参数的尺寸效应以及各种力学参数之间的关系进行研究。随着FRP加固技术在理论和试验研究的深入，有关常规混凝土构件的加固设计理论问题已经基本解决。但当用试验室内得到的结果来指导大型构件的加固设计时，由于混凝土为准脆性，需要考虑其尺寸效应。 在国内，关于混凝土强度的尺度律问题也引起了普遍关注，目前已经成为土木工程领域的一个研究热点问题，并得到多个国家基金的支持[5][13][10][11][12],可见混凝土强度的尺寸效应是一个土木工程中非常关键的理论基础研究问题。混凝土强度尺寸效应是指随着试件尺寸的增大，强度的试验测试值有规律地下降的现象。混凝土强度尺寸效应是混凝土这种准脆性材料的固有特征。强度尺寸效应是一种普遍现象[15]。 3、材料的来源问题。 国外已有多种成熟的纤维材料产品，从降低成本及发展民族工业上讲，我国要大力发展研究并生产出适合国内市场的碳纤维材料也是关键问题。 4、完善标准和规程[9][30]。 国外一些国家已有了较完善的标准和规程，而我国制定的一些规程还处在初期，还需要进一步完善。我们还需要做一些关键的试验研究以解决或验证诸如疲劳性、耐久性、延性等方面的技术难题，并尽早制订出完善的标准规范与施工指南。 参考文献 [1]邸小坛,周燕编著.旧建筑物的检测加固与维护[M].北京,地震出版社,1991. [2]岳清瑞.我国碳纤维(CFRP)加固修复技术研究应用现状与展望[J],工业建筑,2000,第30卷第10期. [3]吴智深.FRP复合塑料在基础工程设施的增强和加固方面的现状与发展[J].中国首届纤维增强塑料(FRP) 混凝土结构学术交流会.2000.6 [4]熊光晶，姜浩.混杂纤维布加固混凝土梁的试验[J].土木工程学报,2001.8. [5]J.Planas,G.V.Guinea,M.Elices.GeneralizedSizeEffectEquationforQuasi-brittleMaterials[J].Materials andStructures.1997,20(50). [6]吴刚等.碳纤维布用于钢筋混凝土梁抗弯加固的试验研究[J],建筑结构.第30卷第7期,2000.7. [7]赵彤，谢剑，戴自强.碳纤维布提高钢筋混凝土梁受剪承载力试验研究[J]，建筑结构，第30卷第7期,2000年7月,P21-25. [8]赵海东，赵鸣，张誉.碳纤维布加固钢筋混凝土圆柱的轴心受压试验研究[J]，建筑结构,2000.7,30(7). [9]JapanBuildingDisasterPreventionAssociation.SeismicRetrofitDesignandConstructionGuidelinesfor ExistingReinforcedConcreteBuildingsandSteelEncasedReinforcedConcreteBuildingsUsingContinuous FiberReinforcedMaterials[S],JapanBuildingDisasterPreventionAssociation,1999. [10]黄海燕,张子明.混凝土的尺寸效应[J].混凝土,2004,第3期. [11]FamAZ,RizkallaSH.ConfinementModelforAxiallyLoadedConcreteConfinedbyCircularFiber ReinforcedPolymerTube[J].ACIStructuralJournal,2001,98(4). [12]ZdenekBazant,Er-Ping,Chen,.结构破坏尺度律(翻译稿)[M].力学进展.1999.Vol.29.No.3.
< 完 >
