FRP材料加固混凝土結構的研究

許鵬

隨著經濟的進一步發展，人類必然會對建筑提出更高的要求。土木工程的變革，在很大程度上是依賴于新材料的出現，纖維增強復合材料即是如此。近年來，建筑結構中采用高性能纖維增強復合材料進行加固已經非常普遍，尤其是利用FRP（Fiber reinforced Polymer纖維增強聚合體）加固混凝土結構已經成為研究與工程應用熱點。FRP材料高強、輕質、剛度/重量比大、耐腐蝕、施工方便快捷等優點是其利用迅速發展的主要原因。FRP作為建筑材料，已被國內外土木工程領域的工程師所接納。利用FRP加固混凝土就是一種新型結構形式。

FRP約束混凝土研究綜述

在建筑工程中，鋼筋在酸性以及其他惡劣環境中容易發生化學反應造成腐蝕，建筑物的安全性以及耐久性受到嚴重威脅，造成巨大的經濟損失，正是由于鋼筋存在易銹蝕的問題，科學家研究出一種新型高強耐腐蝕性材料（FRP材料）來代替鋼材用于建筑結構中。目前，土木工程的研究中，對新材料FRP材料的應用研究較為關注。美國混凝土協會成立專業委員會，對于FRP加固混凝土進行了詳細研究，在1999年推出有關設計規范來指導建筑結構設計。近年ACI期刊中關于纖維復合材料在結構工程中應用的文章大量出現，相關學術活動也越來越多。

Mirmiran和Shahawy在1996年的時候，首先提到使用FRP管約束混凝土柱這一概念。這一新概念的提出，引起了國內外學者廣泛關注，紛紛對這種組合約束構件進行了軸壓性能試驗研究。Mirmiran和Shahawy將24個FRP管約束混凝土構件與6個未約束混凝土構件進行軸壓試驗比較，來討論FRP管厚度以及混凝土強度等級的變化對混凝土軸壓性能的影響。與未約束混凝土構件相比，用FRP管約束混凝土可以大幅度提高混凝土的變形能力以及承載力。在這次試驗之后，Mirmiran進行了30個152.5mm×305mm圓柱體和12個152.5mm×152.5mm×305mm棱柱體的軸壓試驗，以分析纖維和樹脂類型、混凝土強度等級、纖維纏繞角度、長細比以及截面形式等參數來更進一步的研究FRP管約束混凝土柱的受壓性能。試驗研究表明，用FRP管來約束圓形截面約束效果比約束方形截面好很多，但是長細比變化對于試件延性以及強度的影響并不明顯。

魯國昌等對7個FRP管約束混凝土圓柱以及3個素混凝土柱進行軸壓試驗，試驗參數包含纖維纏繞角度、纖維類型以及加載方式。試件尺寸是200mm×600mm。試驗研究表明加載方式對于試件軸壓性能的影響不明顯，雙向受力FRP管并不是一種不利受力狀態。

Zhu等對6根FRP管約束混凝土圓柱進行軸壓試驗，研究尺寸效應、內部約束以及加載方式對于試件軸壓性能影響。6根試件分為兩組，一組核心混凝土受力，另一組全截面受力，每組試件各有一個FRP管約束FRP筋混凝土柱、一個FRP管約束鋼筋混凝土柱、一個FRP管約束混凝土柱，試件尺寸都為322.1mm×914mm。研究表明，FRP管約束混凝土柱的局部破裂導致構件破壞，與其對比的構件是由于能量釋放產生的爆炸引起構件整體失效，而構件尺寸大小不同對FRP管約束混凝土柱軸壓性能的影響比較小。

Sheikh等對17個356mm×1524mm圓柱進行軸壓試驗，構件直徑為356mm，長度為1524mm，研究GFRP管厚度、配箍率、配筋率以及纖維纏繞角度對圓柱軸壓性能的影響。研究表明：GFRP管約束混凝土能夠提高混凝土的抗壓強度和延性，而且便于施工，具有明顯的抗腐蝕能力，當FRP沿柱縱向纏繞纖維時，雖然在一定程度上能夠提高試件抗壓強度，但降低了試件延性。

肖巖等對9種類型共計72根碳纖維套箍約束混凝土圓柱試件進行了單軸受壓試驗，試驗中試件直徑為150mm、高為300mm，試驗參數包括：混凝土強度、材料類型以及套箍厚度，研究表明：碳纖維套箍有效提高了混凝土強度以及延性，約束混凝土特點主要受約束模量的影響，并且提出了一個經改進的高強組合材料約束混凝土的本構模型，對模型參數也進行了分析。

國內外關于FRP單獨約束混凝土或約束鋼筋混凝土的研究較多，但是FRP和其他材料共同約束混凝土軸壓性能的研究則非常少，這種新型組合結構研究最多的就是FRP與鋼管的組合。到目前為止，有以下研究成果：

Xiao等通過對13個圓形試件進行單軸受壓試驗，試件核心混凝土尺寸都為152mm×305mm，研究CFRP層數以及CFRP與鋼管間連接對軸壓性能的影響，鋼管與CFRP之間的連接不同主要在于鋼管與CFRP之間是否存在橡膠填充。13個試件中包含有：8個FRP約束鋼管混凝土，FRP層數分別是2層和4層，鋼管厚度都為2.95mm，1個空鋼管，1個鋼管混凝土以及3個素混凝土。試驗表明，FRP約束鋼管混凝土無論是強度還是變形都比鋼管混凝土有顯著地提高。CFRP層數增加，CFRP約束鋼管混凝土的強度也隨之增大，帶間隙試件在強度方面會有所降低，而延性的提高卻較為顯著，用橡膠填充間隙則可以提高試件的變形能力。

顧威通過對新型構件（CFRP約束鋼管混凝土）的受力性能進行理論分析以及對12根圓柱試件（包括8根CFRP約束鋼管混凝土軸壓短柱以及4根鋼管混凝土短柱）進行軸壓試驗研究，提出了此類新型構件的承載力計算基本假定，并考察了鋼管厚度和CFRP層數對FRP約束鋼管混凝土柱軸壓性能的影響。核心混凝土尺寸為124mm×400mm，FRP層數分別為1層、2層，試件的鋼管厚度分別為：1.5mm、2.5mm、3.5mm和4.5mm。試驗表明：CFRP提高了鋼管混凝土的初始剛度，并隨著FRP層數的增加，試件抗壓強度也隨著增加。試驗結果與分析結果進行對比，驗證了理論推導公式的準確性。

Tao等對9根試件進行軸壓試驗研究，包括6根CFRP約束鋼管混凝土柱以及3根鋼管混凝土柱，試驗參數為CFRP層數、截面尺寸等。試件總共分為兩組：第一組鋼管厚度為3mm，截面尺寸分別為156mm×470mm和250mm×750mm的圓柱，第二組鋼管厚度則為3.2mm，截面尺寸為100mm×150mm×450mm的矩形柱。其中CFRP層數均為0層到2層變化，研究表明：CFRP對方柱的約束效果弱于圓柱，隨著CFRP層數的增加，圓柱的延性也隨之增大，而矩形柱卻與之相反，由試驗結果可發現，CFRP約束鋼管混凝土具有更高殘余強度。

各國學者以及土木工程師對在建筑工程應用FRP約束混凝土進行了大量實踐探索以及試驗研究。然而，FRP作為建筑材料具有明顯的脆性。FRP加固混凝土這一種新型結構形式需要解決延性差的問題。鋼絲網砂漿約束混凝土具有延性好但約束效果差的特點，而且鋼絲網用來約束混凝土時，混凝土在破壞時表面裂縫寬度減少，細小裂縫數量會有所增加，破壞時整體較好。由于加入鋼絲網約束混凝土整體性較好，將使得在構件受壓的過程中，混凝土表面裂縫寬度減小，整體性好，從而FRP受力更加均勻，變形也更充分，從而對約束混凝土的強度以及變形能力都會有所提高。基于FRP和鋼絲網砂漿約束混凝土各自的優缺點，利用FRP和鋼絲網共同約束混凝土。FRP約束混凝土在軸心壓力作用下破壞呈脆性，而鋼絲網砂漿約束混凝土在軸心受壓破壞時表現出較好的延性。FRP與鋼絲網共同約束混凝土受壓性能是一個值得研究的方向。