纖維增強復合材料在結構加固中的應用研究

王 儀，李海峰，王 斌，陳 勇

(1.河南城建學院;2.中冶南方工程技術有限公司)

1 引 言

纖維增強復合材料(Fiber Reinforced Polymer，FRP)作為一種高性能的非金屬加強材料在復合材料領域受到越來越多人的關注。起初FRP 價格昂貴、制備過程復雜，主要運用于軍事、航空航天等高科技領域，后來隨著生產工藝越來越先進、生產規模不斷擴大加之新型材料的不斷涌現，其在民用領域的應用逐漸興起，尤其在土木工程結構加固方面的應用得到十分迅速的發展。FRP 進行結構加固的基本原理是將高彈性模量、高強度的纖維材料作為基體規則的排列成束，利用環氧樹脂材料浸漬形成纖維增強復合材料，然后將其粘貼于結構的受拉面，并與原結構形成受力復合體，分擔受拉區鋼筋的荷載，從而得到加固補強的效果。

2 FRP 的分類及特點

根據所含纖維基體成分的不同將FRP 進行分類，其中工程中最常用的FRP 主要為碳纖維(Carbon fiber)、玻璃纖維(Glass fiber)和芳綸纖維(Aramid fiber)作為主要纖維基體成分，分別簡稱為CFRP 、GFRP、AFRP，它們均具有輕質、高強、抗腐蝕、耐疲勞等特性。其基本力學性能見表1 所示。

表1 FRP 力學性能與鋼筋的比較

CFRP 是最早應用于結構加固領域的纖維增強復合材料之一，主要結構形式包括棒材、片材和格狀材，而用于混凝土結構加固維修的主要是片材。碳纖維增強復合材料除具有FRP 材料的共有特性性之外，與其他幾種纖維材料相比具有彈性模量大、抗疲勞能力強、抗拉強度高、抗徐變和蠕變的能力強等特點，并且在順纖維方向的熱線膨脹系數非常低，從其力學綜合性能指標來看，CFRP 是最具有潛力和優勢的，但其材料成本略高于其他幾種材料。

GFRP 是以玻璃纖維為增強材料，通過環氧樹脂復合而成的一種纖維增強復合材料。與CFRP 相比價格便宜，并且其種類較多，目前工程中常用的主要是與環氧樹脂復合的玻璃鋼和以聚酯樹脂復合的聚酯玻璃鋼。除具有FRP 材料的共有特性性之外，GFRP 纖維表面光滑、抗滲性能好、對酸、堿、海水、淡水等均具有良好的抗腐蝕性。

AFRP 又稱為凱夫拉爾纖維，是一種全芳香族聚酰氨有機纖維。芳綸纖維布是芳綸纖維按照單向布置或雙向垂直布置的方式有規律的排列形成的一種片材，除具有FRP 材料的共有特性性之外，AFRP 具有質量輕、質地柔軟、耐久性能好、絕緣且耐腐蝕等優點，與CFRP 相比AFRP 的延伸率高、密度大，其最顯著的優點是易于編制成型。

目前，為了綜合利用各種纖維材料的性能，又提出了將各種纖維材料混雜使用形成混雜纖維增強復合材料(Hybrid Fiber Reinforced Polymer，HFRP)，即將兩種以上纖維材料有規律排列，利用環氧樹脂粘貼形成纖維增強復合材料，這樣不僅可以提高纖維利用率，降低成本，而且可以改善單一復合材料的綜合力學性能，充分體現FRP 材料的各種優點。

3 FRP 在結構加固中的應用

目前工程中常用的結構加固方法有加大截面加固法、預應力加固法、外包鋼加固法、改變結構傳力途徑加固法和外部粘貼加固法，根據各種加固方法的特點和具體環境條件，其適用范圍均不同。FRP 加固結構主要屬于外部粘貼加固法。與其他加固方法相比，由于用粘貼FRP 片材加固修復建筑物具有施工速度快、成本低、效率高、無腐蝕問題、有利于環保、在狹小空間亦可施工、可加固修復形狀復雜的工程設施、有利于實現智能化等優點，因而越來越受設計單位和施工單位的青睞。

3.1 橋梁結構方面

FRP 應用于橋梁結構加固起始于上世紀七、八十年代，因其具有施工簡便、加固費用低、不減少橋下凈空、加固材料帶來的恒載不多、施工幾乎不影響交通等優點，而被廣泛應用與橋梁結構的加固修復中。

在20 世紀80年代，國內就開始將FRP 應用于橋梁結構加固:云南海孟公路巍山河橋的加固中就采用了外貼GFRP 的方法，之后在湖南溆浦大江口橋、上海寶山飛云橋、韶關地區風村橋、南京長江大橋引橋、廣東官汕線郭屋樓橋等處，都采用GFRP 進行加固;黑龍江哈同公路螞蟻河橋采用了AFRP 對其3 號橋墩柱進行加固，加固效果良好;國外瑞士聯邦實驗室的Meier 等人對粘貼FRP 板代替粘貼鋼板加固混凝土結構的技術進行了系統性的研究，并將CFRP 板成功的應用于加固瑞士的Ibach 橋。

3.2 建筑結構方面

FRP 應用于建筑結構起始于80年代初期，主要是采用FRP 加固結構梁、柱、墻等基本構件，可以充分發揮FRP 加固建筑結構施工速度快、操作簡單、對生產和使用影響不大等優勢。在國內，常桂英、池玉河對邯鄲市某逸夫教學樓采用粘貼CFRP 布進行加固修復，在對建筑外觀影響不大的情況下，對開裂墻體進行加固，取得較好的效果。在國外，美國Texas Hamilton 飯店的部分柱子、Bergstroms 機場的Hilton 飯店的柱結構等均采用FRP 對其進行維修加固，二者均取得較好效果。瑞士一座五層的高性能建筑采用GFRP 材料制成標準構件進行建造，類似于多層框架的木結構，取得良好效果。

3.3 地下結構方面

FRP 加固地下結構的研究剛剛起步，在地震荷載、不均勻土壓力的作用下，極易造成地鐵或隧道的拱頂和側壁出現多向且不規則的裂縫，這就對修補材料的抗剪性能、柔韌性能和導電性方面提出更高要求，由于AFRP 具有良好的抗剪性、柔韌性和絕緣性，在隧道內壁粘貼AFRP 不僅可以增加其抗剪性能預防裂縫開展，而且可以減少因漏電帶來的潛在危險，延長隧道使用時間，因此其在地下結構應用中研究正在逐步開展。

3.4 其他方面

鑒于FRP 材料良好的適用性能，FRP 在塔桅結構、管道、儲液罐和煙囪等特殊結構加固方面也有應用。在國內，重慶市某公司大型磚砌煙囪就采用CFRP 進行加固修復，首先利用環氧砂漿對煙囪的表面進行灌縫找平處理，然后采用網格狀粘貼方式粘貼CFRP 片材，改善了其在地震作用下傾斜和倒塌的受力性能，取得良好加固效果;在國外，美國Delta 結構技術公司加固完成的Alamo Quarry Market 煙囪也采用了FRP 的加固方法。

4 FRP 加固結構值得注意的問題及對策

4.1 彈性模量低

雖然FRP 的強度很高，但是它們的彈性模量相對于其強度而言要小得多，見表1 所示。當與鋼筋共同工作，在鋼筋完全發揮強度時，纖維由于變形不是很大，其高強的抗拉強度得不到充分發揮。因此采用FRP 加固結構對提高構件的開裂荷載和屈服荷載作用不明顯，不能抑制構件的變形和裂縫的發展，對提高構件的剛度最用不明顯。為此可以采取多種纖維材料混合使用的方式，制成HFRP，利用國內外已有的纖維材料及樹脂材料，通過兩種或兩種以上的不同纖維及樹脂材料的混雜復合，綜合各種材料性能的長處，改善FRP 性能，例如可以利用彈性模量較高的CFRP 改善整體彈性模量低的問題。

4.2 耐火性能不足

FRP 的耐火性能與其材料組成息息相關，由于其制備是由纖維與樹脂復合而成，故耐火性能較差，在進行結構的加固修復問題中不得不考慮其耐火性，特別是在一些公共場合的特殊建筑中使用，要滿足建筑物耐火等級要求。為此工程中可以采用在粘貼好的纖維布表面刷保護面膠和噴射水泥砂漿的方法，該方法能夠在一定程度上起到增強耐火性能的作用，但會在一些方面影響建筑結構的外觀使用要求而未得到較大的推廣。

4.3 延性不足

與普通鋼材相比FRP 的延伸率不高，延性不足，并且由于纖維和樹脂的不均勻分布，導致其應力在截面上的分布也是不均勻的，而由于缺乏延性使得單絲的纖維材料在達到極限強度后即斷裂，這樣高應力區域的纖維材料會先斷裂，從而導致低應力區的纖維材料未完全發揮強度，FRP 高強的性能得不到充分發揮。為此可以改善加工工藝，盡量減少由于工藝帶來的受力不均，同時可以采用預應力FRP 技術，改善其由于延性不足而導致其高強性能得不到充分發揮的劣勢。

4.4 粘結錨固性能

FRP 加固結構的荷載是通過粘結層在FRP 與被加固結構構件之間傳遞的，粘結層的抗剪強度和錨固措施將直接影響到兩者之間的工作性能。只有在保證粘結錨固強度的情況下，FRP 的高強性能才可以得到充分發揮，否則粘結性能差時可能會導致在FRP 強度沒有充分發揮之前發生粘結剝離破壞。因此保證膠粘劑的性能和施工質量是保障FRP 加固結構成功的關鍵，必要時尚應采取附加錨固措施。

5 展 望

綜上所述，國內外對FRP 加固結構技術的研究和應用已取得了重要的進展，隨著其在結構加固工程中的普遍應用，FRP 加固結構后的抗水性能、抗疲勞性能、耐火性能等尚存在較多的研究空間需要去探索，預應力FRP 加固技術在大跨結構、高層建筑結構中的應用也逐漸興起，隨著FRP 加固結構相關規范和規程的頒布，為FRP 加固技術在實際工程中的設計和應用提供依據和參考，其在結構加固中的應用必將走向成熟。

［1］于青.FRP 的特點及其在土木工程中的應用［J］.哈爾濱建筑大學學報，2000，33(6):26－30.

［2］葉列平，馮鵬.FRP 在工程結構中的應用與發展［J］.土木工程學報，2006，39(3):24－36.

［3］柳和平，何振星，黃培彥.FRP 片材在橋梁加固工程中的應用［J］.廣東公路交通，2002，S1:148－151.

［4］汪勝義.碳纖維復合材料(CFRP)在橋梁工程中的應用及前景［J］.重慶交通學院學報，2005，24(1):30－32.

［5］孫常成.橋梁新型復合材料的發展應用［J］.科技情報開發與經濟，2005，15(11):163－164.