FRP在結構中的應用與發展

陳喆

摘要：基于FRP具有的輕質高強、耐腐蝕等不同于傳統材料的優越特性，經過國內外各項研究與實踐，現已廣泛運用于建筑結構領域。本文將結合FRP材料的優缺點及FRP混凝土結構在國內外的發展及應用情況，闡述FRP混凝土在建筑結構中的發展情況和面臨的問題。

關鍵詞：FRP；FRP結構；歐美規范；日本規范；中國規范

Abstract：Based on the superior characteristics of FRP including light weight， high strength， corrosion resistance and others which are different from other traditional materials， FRP has been widely applied in the field of architectural structure through various researches and practices at home and abroad. In this paper， the advantages and disadvantages of FRP materials and the development and application of FRP concrete structures at home and abroad are discussed， and the development and problems of FRP concrete in the construction structure are expounded.

Keywords：FRP； FRP-structure； American and Euro code； Japanese code； Chinese code

前言

從上世紀40年代開始，FRP已開始運用于航空、航天、船舶、汽車、醫學、機械等高精尖領域，并且由于其輕質高強、耐腐蝕等特性彌補了傳統建筑材料的不足，近年來在橋梁工程、海洋工程、加固改造工程等土木工程領域成為研究與運用的熱點。國內外在應用的過程中都投入了一定的力量對纖維增強復合材料進行研究，并制定了相關規范。

1.FRP材料的特性

FRP材料的性質及優缺點有別于傳統結構工程中使用的材料，雖不用于完全取代現有材料，但擁有其不可替代的地位。

1.1概述

FRP為fiber reinforced polymer composites的簡稱，中文譯為纖維增強復合材料，指連續纖維或纖維織物及聚合物樹脂通過復合工藝組合而成的一種聚合物基復合材料，常用的纖維復合材料形態見圖1。按所用纖維的種類分為碳纖維增強復合材料（CFRP）、玻璃纖維增強復合材料（GFRP）、芳綸增強復合材料（AFRP）、玄武巖纖維增強復合材料（BFRP）等[5]，由FRP材料制成的常用結構材料包括FRP片材、FRP筋及FRP管等。

FRP片材主要應用于結構加固工程，由纖維布或連續纖維經工廠樹脂浸漬固化后制成。

由單向連續纖維拉擠成型并經樹脂浸漬固化的纖維增強復合材料制成的棒狀制品稱為FRP筋，可用于代替鋼筋混凝土結構中的鋼筋及預應力筋，為增加其與混凝土的粘結性，可對其表面進行處理。與傳統用于鋼筋混凝土中的鋼筋性能相比，FRP筋抗拉強度高，彈性模量及伸長率較低，FRP筋與鋼筋的主要力學性能指標的對比見表1。

FRP管常以內填充混凝土的組合形式使用，FRP管不僅能提供較大的環向約束力，又較傳統鋼管具有自重輕、耐腐蝕的優勢。

1.2優點

FRP材料具有遠高于普通鋼材的抗拉強度，并且密度僅為一般鋼材的四分之一左右，極大程度上減輕了結構自重，從而降低了運輸及人工成本。輕質高強的特性使其多用于橋梁及大跨度工程，提高橋梁及大跨度建筑的極限跨度。

FRP材料具有良好的抗腐蝕性，可以長期使用于酸、堿、氯鹽和潮濕環境中，彌補了傳統材料在該類地域使用的不足。目前在海洋、化工建筑結構的實際運用中已很好得證明了該優點，在延長結構使用壽命的同時，還降低了結構的維護費用[9]。

FRP材料具有很好的可設計性，可以通過使用不同種類的纖維，不同的纖維含量制造出各種強度、各種形式的FRP產品[11]。

FRP材料的塑性變形小，在達到極限抗拉強度之前，其應力-應變關系接近線性，發生較大變形后仍能恢復原狀，這對于結構偶然超載后的變形恢復比較有利。

FRP材料為非金屬材料，具有無磁性的特點，使得其在一些有特殊要求的場合，如醫院、實驗室、機場等，發揮不可替代的用處。

FRP產品還適合于工廠中預制，運送至現場安裝的施工方式，可以提高勞動效率，更好的保證工程質量。

1.3缺點

FRP材料的性質為各向異性，強度與彈性模量在沿纖維方向較高，垂直于纖維方向則較低，使其受力上不同于傳統各向同性的材料，一定程度上增加了FRP結構的設計難度，從而限制了它的使用。

FRP材料拉伸時的彈性模量較低，僅為鋼材的5%～50%，在實際運用中，需采用FRP組合結構來彌補剛度的不足。

FRP材料的抗剪強度低，大約只有其抗拉強度的1/20～1/2，與之相比，金屬的抗剪強度則能達到其抗拉強度的一半左右，使得連接成為FRP結構的重要問題[11]。

2.國內外的發展與應用

自上世紀70年代開始，歐美國家及日本等都加強了對FRP混凝土結構研究與應用，并制定了相應的規范，我國于上世紀80年代開始對該領域的應用研究。

2.1美國

美國于1960年首次將FRP材料運用到了位于密西西比州的軍工試驗站加固工程中。上世紀60年代初，美國Marshall Veag公司生產出GFRP筋，因此鋼筋混凝土結構在近海地區及寒冷地區鹽蝕的問題得以解決。在1991年，美國混凝土協會就成立了專門ACI 440委員會，專門對FRP材料進行研究，于1999年出版了FRP外貼加固混凝土結構設計與施工指南，并于2001年制定了FRP筋在混凝土結構工程中的設計與施工準則，又于2003年推出了FRP筋在預應力混凝土結構工程中的設計指南，至今仍不斷更新修訂。

2.2加拿大

加拿大于20世紀90年代初就出版了應用于高速公路橋的FRP筋規范，隨后還成立了ISIS專家委員會專門研究FRP增強及加固混凝土結構，并于20世紀90年代末，由加拿大政府投資3000多萬加元用于研究FRP增強及加固混凝土結構并開發新型的FRP產品。

2.3日本

作為一個地震高發國家，為更好地提高建筑物的抗震性能，日本在上世紀70年代就開始了對FRP片材的研究，并于1984年率先使用FRP片材修補既有橋梁橋墩的裂縫，阪神大地震后，該技術更是大規模應用于加固工程中，加固范圍也從對柱形結構的加固延伸至房屋梁板的加固工程中。1993年，日本于上世紀80年代末期成立的連續纖維復合材料委員會編制了世界上第一本關于FRP加筋混凝土及預應力混凝土結構設計指南[9]。1997年，連續纖維增強材料委員會提出了連續纖維增強材料混凝土結構設計與施工建議，該委員會由日本土木工程學會（JSCE）成立于1989年。

2.4歐洲

歐洲關于FRP材料的研究開始于上世紀70年代的德國，其于上世紀80年代建造了世界上第一座使用FRP后張預應力拉索的高速公路橋。研究FRP材料及其配筋混凝土結構性能的歐共體合作項目于1996年啟動，同時設立了研究纖維增強塑料筋混凝土的聯合攻關組織。1997年，由歐洲9個國家斥資130萬歐元開啟了為期4年的高性能纖維復合加強、預應力、加固混凝土結構設計指南的編寫項目。FRP加固鋼筋混凝土結構設計指南于2001年由歐洲混凝土結構國際聯合會推出。

2.5中國

我國關于FRP材料加固混凝土結構技術的研究開始于1996年，并于兩年后應用于實際工程，當時研究的材料以單向CFRP織物及片材為主，主要傾向對既有結構的加固，發展趨向成熟階段并出版了相應的技術規程包括有《碳纖維片材加固混凝土結構技術規程》（CECS146）、上海地方標準《纖維增強復合材料加固混凝土結構技術規程》（DG/TJ08-012-2002）。2000年6年，我國首屆FRP混凝土結構學術交流會在北京召開，主要對CFRP材料加固混凝土結構的性能進行了討論，FRP及FRP工程應用專業委員會同年由中國土木工程學會混凝土及預應力混凝土分會成立。2010年8月，由中冶建筑研究總院有限公司和國家工業建筑診斷與改造工程技術研究中心會同有關單位共同編制而成的與建筑用FRP材料相關的國家標準《纖維增強復合材料建設工程應用技術規范》（GB 50608-2010）頒布，并于2011年6月1日起實施，該規范以近年來我國在纖維增強復合材料建設工程應用領域的實踐經驗及美國纖維增強聚合物鋼筋結構混凝土的設計和施工指南及用于加固混凝土結構的外粘FRP系統的設計和施工指南為基礎進行研究編制，內容涵蓋材料特性、混凝土結構加固及修復、砌體結構加固及修復、FRP筋及預應力FRP筋混凝土結構構件、FRP管組合構件、FRP-混凝土組合梁等。隨著纖維增強復合材料實際應用項目大量增加，生產制造工藝日趨成熟，使用成本得以下降，目前中國已經成為FRP材料應用的第一大國[4]。

3.結論

FRP材料并不用于完全取代現有材料，而是對傳統材料無法達到的性能提供一個有效的補充，其高強輕質、耐腐蝕、可設計性強、塑性變形小、無磁性、易預制等傳統材料無法比擬的優點都使其成為結構工程中的應用及研究熱點。近幾十年來，各國都對FRP材料在結構工程中的研究投入了極大的關注，并取得了明顯的成果，但仍有一些問題及發展方向值得進一步探究。

（1）目前中國已經成為FRP材料應用的第一大國，然而相比國外對其已制定的標準，我國在FRP在結構中應用的規范還顯得非常不足；

（2）對于在結構中應用FRP材料的研究，FRP加固混凝土結構方面的研究相對比較全面，FRP筋與混凝土組合結構的研究還較多的集中于FRP筋與混凝土的粘結機理及FRP筋在混凝土中的錨固長度，還需要更加全面深入的探究；

（3）另外，實踐項目較少，缺乏長時間的實驗及實踐數據，也一定程度上限制了FRP受到更廣泛的關注與應用。

參考文獻：

[1]ACI Committee 440. Guide for the Design and Construction of Structural Concrete Reinforced with Fiber-Reinforced Polymer Bars， ACI 440. 1R-15[R]. Farmington Hills， Michigan： American Concrete Institute Committee 440， 2015.

[2]ACI Committee 440. Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Concrete Structures， ACI 440. 2R-08[R]. Farmington Hills， Michigan： American Concrete Institute Committee 440， 2008.

[3]Canadian Standards Association. Design and Construction of Building Components with Fiber-Reinforced Polymers [S]. Toronto， Ontario： Canadian Standards Association， 2002.

[4]高可為，陳小兵，丁一，劉宏揚，代伍年，陳逸昕，郝彤.纖維增強復合材料在新建結構中的發展與應用[J].工業建筑，2016，46（4）：98-103

[5]GB50608-2010.纖維增強復合材料建設工程應用技術規范[S].北京：中華人民共和國住房和城鄉建設部.2011

[6]GB50010-2010.混凝土結構設計規范[S].北京：中華人民共和國住房和城鄉建設部.2011

[7]ISIS Canada. Design manual 3， reinforcing concrete structures with fiber reinforced polymers （FRPs）. ISIS Canada Corporation， the Canadian Network of Centres of Excellence on Intelligent Sensing for innovative Structures， Winnipeg， Manitoba， Canada； 2007.

[8]Japanese Society of Civil Engineers. Recommendation for Design and Construction of Concrete Structures Using Continuous Fiber Reinforcing Materials [S]. Tokyo， Japan： Japan Society of Civil Engineers， 1997.

[9]江世永，飛渭，李炳宏.復合纖維筋混凝土結構設計與施工[M].北京：中國建筑工業出版社，2017

[10]楊振秦.FRP材料在混凝土結構中的研究與應用[J].中國建材科技，2016（1）：6-8

[11]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