FRP約束混凝土性能研究綜述*

孫天洋，黃鑫，姜景山，郁子陽，袁紅兵，沙一丹

(南京工程學院 建筑工程學院 江蘇 南京 211167)

0 引言

纖維增強復合材料（FiberReinforcedPolymer/Plastic，簡稱FRP）是由纖維增強材料與基體材料混合成型。FRP耐腐蝕性好，比強度高且具有可設計性，采用FRP外包混凝土形成FRP約束混凝土結構能充分發揮FRP材料抗拉強度高。在工程實際中，混凝土受外界環境因素影響受到損傷，大大降低了結構本身的承載能力與耐久性，而FRP約束混凝土結構對這些不利現象有很好的解決。

1 FRP約束混凝土柱力學性能

1.1 軸心與偏心抗壓強度研究

軸心抗壓強度是決定結構承壓能力的主要參數。計算組合構件軸心抗壓強度本構模型有助于今后FRP混凝土結構工程的廣泛應用。

錢春香等[1]對FRP約束混凝土的軸心抗壓強度進行了研究，并建立了組合結構的本構模型

式中：

fc——無環向約束試件的軸心抗壓強度；

P——FRP包裹引起的環向約束應力。

考慮到FRP與混凝土粘結界面狀況的影響，胡芳芳等[2]對FRP約束混凝土圓柱體軸心抗壓強度公式進行了進一步修正，經過實驗提出了FRP約束混凝土圓柱體軸心抗壓強度模型

A.Nanni[3]對比研究了AFRP約束混凝土結構的軸壓與偏壓力學性能。結果表明FRP約束混凝土對偏心受壓構件強度提高程度遠不及軸心受壓構件。

FRP約束混凝土柱強度模型的提出過程所采用的試件遠小于實際工程中的尺寸，尺寸效應不可避免的會影響模型在實際工程中應用，因此FRP約束混凝土柱軸心抗壓強度模型仍需進一步修正。

1.2 疲勞性能研究

疲勞性能是FRP加固混凝土的重要研究內容，對于外貼FRP約束混凝土結構的現實應用意義，因此就外貼FRP加固混凝土的疲勞性能進行了系統的分析和綜述。

駱志紅[4]研究CFRP粘貼加固鋼筋混凝土梁疲勞抗剪性能，研究表明，CFRP布能夠通過限制斜裂縫發展而增強結構疲勞抗剪能力，隨著疲勞荷載次數增加，CFRP布應變在初期增長速率較快，后期增長速率趨于穩定。CFRP加固鋼筋混凝土梁的疲勞應變隨著CFRP用量增大而減少。劉沐宇等[5]對損傷鋼筋混凝土梁進行CFRP粘貼加固層數與未加固組對比疲勞試驗，結果表明，在相同荷載作用下，CFRP布粘貼加固結構改善了混凝土應力分布情況并大幅減少混凝土結構的疲勞應變，隨著CFRP布層數增加結構應變減少幅度降低。韓強 [6]研究CFRP約束混凝土柱界面粘結滑移機理，提出FRP-混凝土界面粘結強度隨循環次數退化的計算公式

式中：

N——疲勞壽命；

Ec——混凝土彈性模量；

Ef——CFRP彈性模量；

tf——CFRP厚度；

εo f——CFRP應變門檻值。

并指出當CFRP的應變值小于材料容許最大應變值時混凝土粘結界面不會發生疲勞破壞。綜合本小節，可以看出，FRP約束混凝土能夠有效改善混凝土結構的彎曲疲勞性能，現在的研究變量多是FRP與混凝土自身性質，并沒有考慮到FRP與混凝土界面受損開裂狀態。實際應用中，由于FRP約束混凝土柱處于三向應力狀態，混凝土界面出現較多細密裂紋，會嚴重影響界面粘結強度，因此對于FRP混凝土界面粘結強度公式仍需進一步修正。

1.3 抗震性能研究

20世紀80年代中期，FRP材料對混凝土柱進行抗震加固的方法出現，自此采用FRP提升混凝土柱抗震性能的方法引起廣泛研究。

Yan Xiao等[7]對預制GFRP圓筒加固素混凝土柱的抗震性能進行了研究。結果表明，預制FRP圓筒能有效改善核心混凝土結構的受力情況大幅提高混凝土柱結構的延性，防止組合柱結構受到剪切破壞。Shuenn-Yih Chang等[8]研究了完好素混凝土柱與CFRP布加固已受損素混凝土柱的抗震性能。在彎曲剛度方面，CFRP布環向約束加固的已受損素混凝土柱比未受損的素混凝土柱更大。鄧宗才等 [9]對HFRP布加固氯離子腐蝕混凝土柱組合結構的抗震性能展開研究。結果表明，受腐蝕混凝土柱在HFRP布的橫向約束作用下，在后期加載過程中，組合結構的剛度與承載力退化較為緩慢，腐蝕柱延性得到了極大增加，其破壞形態也由塑性破壞變為延性破壞。綜合本節，可以看出FRP約束混凝土可以有效提升混凝土柱尤其是已受損或已被侵蝕的混凝土柱的抗震性能。FRP加固混凝土對于框架結構建筑抗震性能的提升有很大幫助，但是關于FRP約束加固混凝土結構節點部分對于整體抗震性能的影響研究尚未涉及，需要對其進行更深入的研究。

1.4 溫度對FRP約束混凝土的影響

過去研究主要集中在常溫下FRP約束混凝土結構的工作性能，而對于高溫或低溫環境下組合結構的而強度變化研究較少。鑒于低溫環境下FRP約束混凝土結構工作性能的研究將對今后凍土環境下運用FRP約束混凝土結構具有現實應用意義。

歐陽利軍等[10]對高溫損傷混凝土方柱進行BFRP約束對比軸壓試驗。試驗表明，經過環向纖維布約束的高溫損傷混凝土方柱應力分布較為分散，在三向應力的作用條件下顯著提高混凝土方柱的軸壓強度和變形能力。

盧小雨等[11]對素混凝土方柱在CFRP間隔式與環向全包式兩種不同的約束方式下進行低溫抗壓實驗。研究表明，低溫條件下，環向全包式約束混凝土方柱的抗壓強度提升效果遠優于間隔式約束條件且體積極限應變提升幅度更大。由上可知，FRP外包面積對混凝土在低溫狀態下的抗壓強度影響較大，在外包面積相同時，螺旋全包式與環向全包式，是否會對CFRP

約束混凝土方柱的抗壓強度提升產生差異仍需進一步試驗研究。

FRP與混凝土材料的熱膨脹系數接近，變溫環境對FRP與混凝土柱間不協調應變引起的損傷不大，由于纖維混凝土的膨脹率與素混凝土膨脹率有明顯差異，因此FRP約束纖維混凝土的工作性能需要進一步考慮材料體積不協調應變引起的損傷，需要對其進行更深入的研究。

2 FRP管混凝土柱耐久性能

2.1 鹽堿環境對FRP增強混凝土柱影響研究

在理想狀態下，FRP管混凝土構件中，FRP管將核心混凝土與外界環境完全隔絕，可以忽略環境對混凝土的侵蝕影響。但由于FRP受鹽堿環境等多種因素的影響會發生改性，所以研究者對FRP長時間受到鹽堿腐蝕的性能影響進行了研究。于峰等[12]通對鹽堿條件下表面涂有環氧樹脂的CFRP片材與常規條件下片材的力學性能進行對比試驗。研究發現，受環氧樹脂涂層阻隔，CFRP片材在強堿環境下幾乎不發生改性，在鹽腐蝕條件下CFRP力學性能甚至略微提升，綜合可見，樹脂層覆面的碳纖維復合材料耐久性較好。楊坤[13]進行CFRP材料在高溫高海水濃度條件下的耐腐蝕性能試驗。研究發現，CFRP約束混凝土結構受CFRP材料內部缺陷影響，約束層數越多導致結構彈性模量越低。綜合本小節，可以看出在理想狀態下FRP約束混凝土結構受鹽堿環境侵蝕影響明顯減弱，但在實際工程中，在縱向沒有FRP保護的混凝土結構部分會不可避免的受到鹽堿侵蝕，特別是對于FRP約束纖維混凝土結構，在縱向受鹽堿侵蝕的情況下結構的工作性能需要進一步研究。

2.2 凍融循環對FRP增強混凝土柱影響研究

凍融循環是FRP與混凝土之間粘結力的重要影響因素之一。目前的研究主要集中在FRP外包面積與組合結構的強度之間關系，發現外貼FRP加固混凝土受到凍融循環影響隨外包面積的增大而降低。FRP管混凝土結構幾乎不會受到凍融循環引起的損傷。

任慧韜等[14]對27根GFRP約束梁進行了0/25/50次凍融循環對比試驗。試驗結果表明凍融循環會引起混凝土內部微裂紋的產生，隨著凍融次數增加內部微裂縫引起反射裂縫反作用于面層，導致GFRP與混凝土界面粘結強度降低，進而影響GFRP約束梁承載能力與耐久性的降低。劉清霞[15]研究凍融循環對碳纖維粘貼加固的混凝土試件界面粘結情況的影響。發現凍融循環對FRP約束混凝土結構的破壞主要發生在混凝土內部缺陷部位，隨著凍融循環增加混凝土內部受損部位逐漸擴張而結構抗壓強度也逐漸降低，但凍融循環對FRP與混凝土間極限粘結力沒有影響。Green M F等[16]在凍融循環與持續荷載的耦合作用下研究FRP管混凝土圓柱的抗凍融性能。經過150次凍融循環，素混凝土柱對照組幾乎無承壓能力，而FRP全包混凝土柱的承壓能力僅下降2%～16%。結果表明，FRP全包混凝土圓柱能較大幅度提升抗凍融性。綜合本節，可以看出，FRP全包混凝土結構在凍融循環條件下對混凝土結構的保護性很好，但實際工程中由于毛細現象水分會從縱向無FRP保護部分侵入，特別是對于FRP約束纖維混凝土結構，在縱向水分侵入的情況下結構的抗凍融性能需要進一步研究。

3 結語

（1） 凍融循環對FRP約束混凝土結構內部產生破壞，且破壞形式由局部到整體，采用預應力FRP纖維布約束混凝土結構能否改善結構內部應力分布情況，延長FRP間隔約束混凝土結構的抗凍融性能。

（2） 在鹽堿環境中無樹脂覆層的FRP纖維布會發生變性，是否會影響FRP與混凝土粘結界面粘結強度導致FRP脫開問題。

（3） 針對FRP外包加固混凝土結構，如何評判FRP材料在實際使用過程中的老化程度與受侵蝕程度，為及時更換FRP加固部分做準備。

（4）現階段有不少對于疲勞荷載與凍融循環下FRP加固混凝土結構的工作性能研究，但是對于疲勞荷載與凍融循環耦合作用下FRP加固混凝土結構工作性能的受影響情況仍需進一步研究。