粘貼FRP加固混凝土結構設計中溫度影響的考慮

（重慶市建筑科學研究院，重慶 400016）

0 引言

纖維增強復合材料 （FRP,Fiber Reinforced Polymer）因其輕質、高強、施工方便、耐腐蝕、對既有結構截面尺寸和外觀影響較小等優點，在土木工程尤其是結構加固等領域應用日益廣泛，國內應用最多的是在梁、板受拉面粘貼FRP片材提高其受彎承載力。但是目前，FRP應用更多集中在室外橋梁等對耐火要求不高的結構中，主要原因就是對其耐火及耐高溫性能的擔憂。

本文系統介紹了溫度對粘貼FRP加固混凝土結構不同方面的影響，提出了考慮溫度影響的粘貼FRP加固系統設計流程，并對其實施需要解決的問題進行了討論。

1 溫度對粘貼FRP加固混凝土結構的影響

溫度對FRP加固混凝土結構系統的影響，主要集中在兩個大的方面（如圖1所示）：（1）材料熱膨脹系數不同引起不同結構（材料）間的附加應力；（2）影響材料（FRP、粘接劑）及粘結性能。

1.1 溫度對粘結應力的影響

圖1 溫度對粘貼FRP加固系統的影響

FRP材料與混凝土的熱膨脹系數相差很大（見表1），在溫度作用下會產生不相稱變形，從而在粘結層產生附加應力。溫度附加應力對于FRP復合材料來說是內部應力，如Hollaway等學者研究指出，對精心制作的FRP復合材料來說，正常使用條件下的溫度波動對FRP復合材料內部結構的影響一般可以忽略不計，附加應力主要體現在FRP與混凝土結構之間的附加粘結應力[1]。根據黃龍男、王海洋、張超等人[2-4]的研究成果，附加應力的大小甚至會超過荷載本身產生的粘結應力，因此在FRP加固系統設計中必須考慮。在FRP加固金屬（包括鋼，生鐵）結構中，溫度荷載往往是FRP和原有金屬結構間的粘結設計中的主要限制因素，但在目前混凝土結構FRP加固設計中溫度荷載幾乎完全被忽略。忽略溫度對粘結應力的影響，會導致結構加固設計偏于不安全，使得加固后的結構存在安全隱患。

表1 材料典型熱膨脹系數

1.2 高溫對材料力學及粘接性能的影響

在我國，抗彎加固用的FRP片材通常是碳纖維（CFRP）布。纖維布本身由連續的長纖維編織而成，用于結構加固時，先用樹脂浸漬，然后用環氧樹脂等粘接劑粘貼于結構表面，通過粘結層來實現混凝土和FRP片材之間的內力傳遞。FRP纖維幾乎不受高溫條件影響，但浸漬樹脂和粘接劑在高溫條件下會發生軟化和性能衰退，從而影響FRP加固系統的有效性。典型聚合材料性能隨溫度變化的規律在張超[5]等人的研究中有專門介紹。土木工程中常用FRP復合材料的玻璃轉化溫度通常在65℃～120℃，而常用結構粘接劑的玻璃轉化溫度通常只有45℃～82℃，不要說火災條件，就是日常使用過程中的環境溫度也有可能達到甚至超過樹脂材料的玻璃轉化溫度，從而引起粘接性能的退化。在重慶，夏日持續高溫，夏季露天最高空氣溫度可達50℃以上，而地表溫度甚至接近70℃，已經接近甚至超過市場上一些粘結劑的玻璃轉化溫度了。這也是工程界對FRP加固系統耐火及耐高新性能的擔憂所在。

目前國內外粘貼FRP加固混凝土結構的設計標準或導則通常是忽略火災狀況下FRP加固系統對結構承載力的貢獻，從而要求原結構本身具有相應的承載能力，只有Fib標準允許FRP加固系統進行專項耐火設計，這種設計理念一定程度上限制了FRP在房屋等防火要求比較高的工程中的應用[6]。

圖2 目前粘貼FRP加固系統設計的基本流程

圖3 考慮溫度影響的粘貼FRP加固系統設計流程

2 考慮溫度影響的粘貼FRP加固系統設計

2.1 考慮溫度影響的粘貼FRP加固系統設計流程

圖2所示為目前粘貼FRP加固系統設計的主要步驟。在粘結應力分析中，通常未涉及溫度的影響，分析模型通常基于以下假定：

（1）混凝土、粘接劑、FRP片材均為線彈性材料；

（2）結構分析基于彈性分析理論，未考慮截面剛度變化對結構內力分布的影響；

（3）FRP加固RC梁變形符合平截面假定；

（4）粘結應力不隨粘結層厚度變化；

（5）FRP端部粘結應力或FRP軸向拉應變達到相應限值后發生破壞。

根據前述溫度對粘貼FRP加固混凝土系統的影響，提出的粘貼FRP加固系統在火災或高溫工況下的理想設計流程，如圖3所示。

2.2 幾點討論

在常規混凝土結構設計中，基于塑性理論下限定理，通常假定恒截面剛度（不考慮配筋、截面開裂等對截面剛度的影響，但設計的變截面要考慮），進行承載能力極限狀態下的荷載分析，然后根據計算結果 （根據相關規定進行一定的彎矩重分配）來進行截面配筋設計，配筋設計后通常不需要再進行結構實際承載能力復核，而使截面具有足夠的延性來保證結構具有足夠的內力調整能力。但粘貼FRP加固混凝土結構中，因為FRP材料的線彈性以及粘結剝離破壞的脆性特征，FRP加固混凝土結構不一定具有足夠的延性以保證其彎矩重分配能力，對于非靜定結構來說，可能導致其實際破壞荷載降低。這一問題已有專門研究[7]，而在實際工程中尚未引起廣泛的重視。

對于溫度對FRP加固系統材料及粘結性能的影響，FRP高溫拉伸力學性能已有相對成熟的分析模型[8-11]，只是模型參數的取值大都要需要針對性的試驗數據，相較而言，溫度對粘接材料力學及粘接性能的影響雖然受到重視，研究也比較多，但目前尚未有業內比較認可的分析模型，這也是在理論上限制FRP在土木工程中更廣泛應用的一大障礙。

另外，溫度場分析是個相對專業的領域，實際工程中可能更多的是按照相關標準規范的規定，基于一些假設和簡化，進行簡單的溫度應力分析，詳細、深入的溫度場分析對于一般結構設計人員來說可能并不熟悉或者擅長。

現階段而言，上述設計理念具有一定的理想化，如何在實際工程中執行以及實際能執行到何種地步，可能受到設計人員的理論和技術水平、是否具備試驗條件以及如何處理與現行標準規范的關系等各方面因素的影響?？梢灶A見，理想的FRP加固系統設計只能隨著學術及工程應用研究成果的不斷積累，到能夠轉變為工程技術人員簡便易用的設計規則，從而促進相應標準規范的不斷更新來逐步實現。所幸的是，已經有很多學者和工程界人士意識到了這些問題，并在積極地開展研究工作來進一步推進FRP加固技術在土木工程中的應用。如Del Prete等通過考慮結構溫度場分布，研究了粘結FRP加固橋面板結構在車輛起燃引起火災和鋪設高溫瀝青路面兩種不同情況下的高溫性能[12]。他們考慮溫度對混凝土、鋼筋和FRP材料性能的影響，同時考慮對界面粘結比斷裂能的影響對美國和意大利相關標準中FRP容許拉應變（防止剝離破壞）進行修正，對結構抗彎承載能力和FRP加固系統的有效性進行了系統分析。結果表明，對于不同的橋面板厚（150mm、200mm）、不同的防護措施（0～4cm厚混凝土防護層）和不同的粘結材料（玻璃轉化溫度為45℃、80℃），結構均滿足極限狀態（抗彎）承載能力要求，但高溫持續一定時間后會達到FRP剝離破壞的容許應變。

3 結語

本文系統介紹了溫度對粘貼FRP加固混凝土結構不同方面的影響，并據此提出了考慮溫度影響的粘貼FRP加固系統設計流程，但因為還存在需要考慮截面剛度變化對結構內力分布的影響、缺乏溫度對FRP粘結材料力學及粘結性能的影響的分析模型以及很多設計人員對溫度場分析不熟悉等問題，考慮溫度影響的粘貼FRP加固系統設計理念在現階段而言具有一定的理想化。

參考文獻：

[1]Hollaway L.C.A review of the present and future utilisation of FRP composites in the civil infrastructure with reference to their important in-service properties [J].Construction and Building Materials,2010,24（12）：2419-2445.

[2]王海洋，周芝林.碳纖維薄板增強RC梁界面溫度應力理論分析[J].西南科技大學學報,2009，24：36-40.

[3]黃龍男，李地紅，張東興，等.碳纖維復合材料補強混凝土界面溫度應力分析[J].材料科學與工藝，2005，13（2）：158-161.

[4]張超，張京街，林文修.粘貼FRP加固RC結構溫度對粘結應力影響分析[J].重慶建筑，2018（2）：35-38.

[5]張超，張京街，林文修.FRP復合材料高溫拉伸力學性能[J].重慶建筑，2018（3）：45-49.

[6]張超，張京街，林文修.粘貼FRP加固混凝土結構耐火及溫度影響的規范比較研究[J].重慶建筑，2018（1）：10-13.

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[11]Wang K.，Young B.，Smith S.T.Mechanical properties of pultruded carbon fibre-reinforced polymer（CFRP） plates at elevated temperatures[J].Engineering Structures，2011，33（7）：2154-2161.

[12]Del Prete I.，Bilotta A.and Nigro E.Performances at high temperature of RC bridge decks strengthened with EBRFRP[J].Composites：Part B Engineering，2015，68：27-37.