纖維增強復合材料在結構加固中的應用研究

楊晶

摘 要：纖維增強復合材料（FRP）由于其成本高的原因較早主要應用于航空、航天、國防等高科技領域。但隨著生產技術的不斷成熟，F(xiàn)RP材料的生產成本也隨之降低，加之其質量輕、強度高、抗腐蝕性強等特點，近些年其作為一種新材料逐漸應用到土木工程的各個領域中來。FRP材料在我國土木工程領域中主要應用在結構加固補強方面。

關鍵詞：增強體；復合材料；結構加固

1 纖維增強復合材料特點

纖維增強復合材料（FRP）就是將纖維作為增強體與傳統(tǒng)的工程材料復合應用。在土木工程領域中常用的纖維主要是：玻璃纖維（GFRP）、碳纖維（CFRP）和芳綸纖維（AFRP）。與鋼材相比FRP材料可大大減輕結構自重，而且，在某些工程有特殊需要時FRP由于具有較強耐腐蝕性，可取代或部分取代傳統(tǒng)的建筑材料，來滿足其特殊設計要求。此外，F(xiàn)RP材料的彈性性能好，如在外力作用下發(fā)生變形后仍然可以恢復成原來的形狀。這種特性使其非常適用于加固承受大的動荷載或沖擊荷載情況下的結構構件。另外，F(xiàn)RP材料還具有很多傳統(tǒng)材料所不具有的優(yōu)勢和特點，例如，較好的絕緣性并能隔熱、抗電磁波而且熱膨脹系數(shù)小等。因此在工程中有很大的靈活性，可設計性強。

2 FRP結構加固技術的發(fā)展

歐美一些發(fā)達國家在早20世紀80年代時就將FRP應用在了土木工程的結構加固方面，而國內在這方面的應用研究起步比較晚。但自從相關研究得到關注以來，國內各知名高校的專家學者也一直致力于FRP加固技術、設計理論、工程實踐等方面的研究，并且也取得了一系列的創(chuàng)新成果。極大推進了FRP材料在我國工程結構中的應用。同時，為了更好的進行學者間的溝通交流、彼此提高技術水平，中國土木學會相關分會專門召開有關FRP應用研究的學術交流會和主題會議，并且在FRP加固規(guī)范的制定方面我國已編制并頒發(fā)了相關技術規(guī)程和施工標準，這些標準規(guī)程的使用對FRP的實際應用起到了較好的規(guī)范和指導作用。

3 FRP加固技術的實際應用

關于FRP對混凝土結構進行加固方面，國內外學者進行了大量的試驗研究和相關工程實踐，并已形成了一系列較為成熟的設計理論。一些成果資料顯示，F(xiàn)RP片材應用到混凝土的梁、板加固中時可以很好的改善其抗彎、抗剪承載力，并且對于裂縫的開展有明顯的控制效果；同時，在混凝土柱的加固過程中可使其的變形和滯回耗能能力得到明顯提高，并且可顯著改善混凝土柱的抗震性能。在不斷的研究和實踐中也發(fā)現(xiàn)了一些值得注意的問題，同時也對一些FRP加固新方法進行了研究和嘗試。

3.1 在實驗研究中發(fā)現(xiàn)了一個非常值得關注的問題，就是FRP與混凝土界面的粘結性能的問題。在工程實踐中我們發(fā)現(xiàn)，采用非預應力抗彎加固時，F(xiàn)RP的有關性能得不到很好的利用。因此，破壞形態(tài)多為脆性破壞，因此在應力水平很低的情況下FRP片材也很容易與混凝土發(fā)生剝離，導致FRP無法有效發(fā)揮其強度高的優(yōu)勢，對于加固的效果產生了很大的影響。國外也有學者對于這個問題做了相關研究并提出了界面粘結強度模型和相關公式。但我們仍需要在這個問題上做更多的研究和嘗試，找到更好的解決辦法，使FRP的性能得到最大的發(fā)揮并取得更好的加固效果。

3.2 預應力FRP加固時的工作原理與預應力鋼筋混凝土的原理相似，是用粘結材料將事先張拉好的FRP片材粘結到混凝土梁的受拉面上，使原混凝土結構與粘貼的FRP片材一同工作。有關FRP 片材加固的試驗結果表明采用預應力碳纖維布（CFRP）時加固效果較好，因為碳纖維布（CFRP）在加固過程中充分利用了FRP輕質、高強的特點，并且結果顯示，從開裂荷載、屈服荷載、極限荷載的提高幅度來看采用預應力加固的效果都要比非預應力情況下加固效果好，而且預加應力也緩解了碳纖維布（CFRP）的應力滯后問題。

3.3 碳纖維布（CFRP）和外包鋼復合加固技術。為了充分發(fā)揮碳纖維布和鋼材這兩種材料各自不同的優(yōu)勢，有學者提出將碳纖維布（CFRP）和外包鋼同時用于混凝土柱的加固中，使其共同作用來改善結構的抗彎性，且構件的剛度衰減慢，其破壞性與單獨加固的構件相比更有預測性，對構件的抗震設計非常重要。復合加固可發(fā)揮材料各自的優(yōu)勢，使加固柱在極限應變、延性和耗能能力方面都有較大改善。

3.4 采用混雜纖維布（HFRP）進行結構加固。混雜纖維布是將各種不同的纖維混合在一起，使它們同時作為增強體的復合材料，這樣可以將不同纖維各自的優(yōu)點聚集在一起，共同發(fā)揮作用。關于采用混雜纖維布（HFRP）對構件進行加固的方法最早是由汕頭大學的熊光晶教授提出的，熊教授在這方面和他的學生們做了大量的試驗研究。相關數(shù)據(jù)表明，采用混雜纖維布（HFRP）加固混凝土梁，不僅可以使構件的承載力和延性有所提高，還可明顯降低加固成本。因此，混雜纖維在FRP加固技術的應用中有很好的發(fā)展前景。

3.5 將FRP嵌入式加固。這種方法是用粘結材料將FRP粘結在原構件表面上事先留好的槽中，使FRP與原構件形成一個共同工作的整體，以此來改善原結構的各項力學性能。這種方法與原來直接在結構表面粘貼FRP的方法相比，嵌入式加固方法的FRP材料與原結構的粘接性更好，這樣可以有效防止火災對FRP材料的破壞，同時又充分利用了FRP材料的強度，實現(xiàn)有效提高構件承載力的目標。尤其在構件的負彎矩區(qū)加固具有極大的優(yōu)勢。這種嵌入式加固可以取得較好的加固效果，非常值得在相關應用研究中做更多的工作使方法可以更好地得到應用和推廣。

4 結語

綜上，憑借其質量輕、強度高、耐腐蝕等多種優(yōu)勢，F(xiàn)RP材料逐步在結構加固領域取得了一席之地，得到了廣泛關注和認可，未來將通過更多的研究和探索爭取使FRP材料在結構加固方面發(fā)揮更大的優(yōu)勢。然后，需要關注的是我們對FRP加固技術的研究雖然在理論和工程實踐中都取得了一些成果，但距工程實際還有更多的問題需要研究和解決。關于材料的生產工藝、成本的降低和新性能的開發(fā)，相關技術規(guī)范與標準的制訂等方面，都仍需要做大量的研究工作，努力加快工程實際應用的總結，使研究成果盡早轉化為工程應用。

參考文獻：

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