纖維增強(qiáng)聚合物混凝土研究綜述

雷 霆

鄭州大學(xué)護(hù)理與健康學(xué)院（450001）

0 引言

目前，傳統(tǒng)材料本身的高自重已經(jīng)不能滿足結(jié)構(gòu)加固的要求。 由于纖維增強(qiáng)聚合物(FRP)的應(yīng)用為此問(wèn)題提供了一個(gè)可行的解決方案，因而得到了橋梁設(shè)計(jì)和建筑領(lǐng)域各方面的高度重視。目前，F(xiàn)RP主要以四種形式在土木工程中得到了廣泛應(yīng)用[1-3]:①以筋（FRP Rebar）和索（tight wire）的形式替代普通鋼筋、預(yù)應(yīng)力鋼筋和鋼絞線，用于各類新建結(jié)構(gòu)及加固工程中；②以管狀組合結(jié)構(gòu)形式用于混凝土結(jié)構(gòu)的新建工程中即FRP 約束混凝土組合構(gòu)件（FRP shell confined concrete member）或 FRP 起約束混凝土作用的FRP 管填充混凝土構(gòu)件（FRP tube filled with concrete as member）； ③ 以 片 材（sheet）的形式用于混凝土結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)和木結(jié)構(gòu)的加固補(bǔ)強(qiáng)；④全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。

1 纖維增強(qiáng)聚合物筋增強(qiáng)混凝土

用于混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土增強(qiáng)的復(fù)合材料構(gòu)件包括 FRP 筋 （FRP rebar） 和預(yù)應(yīng)力 FRP 筋（pre-stressed FRP tendon）。 FRP 的增強(qiáng)體為碳纖維、玻璃纖維或芳綸纖維，基體樹(shù)脂為乙烯基酯樹(shù)脂或環(huán)氧樹(shù)脂，所形成的復(fù)合材料分別為碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）、玻璃纖維增強(qiáng)塑料（GFRP）和芳綸纖維增強(qiáng)塑料（AFRP）。 成型工藝則以拉擠工藝為主。 為了增強(qiáng)FRP 筋與混凝土的界面結(jié)合性能，F(xiàn)RP 筋表面應(yīng)作凹坑處理，并可以噴砂[4]。 設(shè)計(jì)用FRP 構(gòu)件增強(qiáng)的混凝土構(gòu)件時(shí)需要考慮的FRP 的性能見(jiàn)表1。

2 纖維增強(qiáng)聚合物管約束混凝土

纖維增強(qiáng)聚合物(FRP)約束混凝土組合結(jié)構(gòu)是以FRP 取代或部分取代鋼筋混凝土中的鋼筋所形成的一種新結(jié)構(gòu)。 該結(jié)構(gòu)以FRP 筒體作為模板，澆筑混凝土所形成的預(yù)制結(jié)構(gòu)。混凝土材料抗壓能力較強(qiáng)，抗拉能力很低；而FRP 具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的優(yōu)勢(shì)，優(yōu)異的耐腐蝕性能、材料的可設(shè)計(jì)性、成型方便的特點(diǎn)，將兩者結(jié)合在一起協(xié)同工作，能充分發(fā)揮兩種材料的各自特長(zhǎng)，而且可以克服鋼筋易銹蝕、混凝土暴露在腐蝕性環(huán)境中易風(fēng)化的問(wèn)題。

表1 設(shè)計(jì)時(shí)需考慮的FRP 增強(qiáng)材料的性能

2.1 纖維增強(qiáng)聚合物管約束混凝土組合結(jié)構(gòu)的形式

FRP 約束混凝土組合結(jié)構(gòu)由很多受力構(gòu)件組合而成，主要受力構(gòu)件有梁、柱、墩等。梁是將樓板或橋面板上的載荷傳遞到立柱上， 以彎曲為主要變形形式。根據(jù)梁的受力情況，制作了一種混凝土填充±45°纖維交叉纏繞的GFRP 管、 并在GFRP 管抗拉面粘貼CFRP 所形成的組合結(jié)構(gòu)梁。 其中FRP 管內(nèi)的混凝土承受大部分壓應(yīng)力，±45°纖維交叉纏繞的GFRP 承受剪應(yīng)力，抗拉面的CFRP 和GFRP 共同作用承受拉應(yīng)力[5]。 柱的作用是支撐橋面體系，屬于受壓構(gòu)件，載荷有偏心時(shí)，柱受壓的同時(shí)也會(huì)變彎。 受壓柱可分為短柱和長(zhǎng)柱兩類。 極限承載力僅取決于構(gòu)件的橫截面尺寸和材料強(qiáng)度的柱稱為短柱；當(dāng)柱的長(zhǎng)度比較大，受載時(shí)引起側(cè)向變形，這時(shí)柱的極限承載能力將受此側(cè)向變形所產(chǎn)生的附加彎矩影響而降低，此柱成為長(zhǎng)柱。

2.2 纖維增強(qiáng)聚合物管約束混凝土工作機(jī)理

根據(jù)約束方式的不同， 約束混凝土分為主動(dòng)約束混凝土和被動(dòng)約束混凝土兩種。 同樣，F(xiàn)RP 約束混凝土也分為FRP 主動(dòng)約束混凝土和FRP 被動(dòng)約束混凝土。從應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的角度來(lái)說(shuō)，對(duì)于其他因素相同的兩種不同約束方式， 當(dāng)外力也相同時(shí)，被動(dòng)約束所產(chǎn)生的應(yīng)變應(yīng)該大于主動(dòng)約束產(chǎn)生的應(yīng)變。 在承載過(guò)程中，核心混凝土受縱向壓應(yīng)力和徑向的約束壓應(yīng)力，F(xiàn)RP 套箍受縱向壓應(yīng)力、 環(huán)向拉應(yīng)力及徑向壓應(yīng)力。

3 纖維增強(qiáng)聚合物加固混凝土

ACI-440F 委員會(huì)根據(jù)結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域中一系列試驗(yàn)結(jié)果，制定了FRP 材料加固設(shè)計(jì)規(guī)程[6-8]，主要內(nèi)容如下:

3.1 抗彎設(shè)計(jì)

受彎區(qū)外貼FRP 加固的梁在荷載作用下的抗彎設(shè)計(jì)主要基于受壓區(qū)混凝土的受壓破壞、受拉區(qū)纖維的拉斷以及其他幾項(xiàng)提前破壞形式，而不像傳統(tǒng)的鋼筋混凝土梁以鋼筋屈服為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 總的設(shè)計(jì)原則是:①必須由熟悉FRP 材料及加固設(shè)計(jì)的工程師進(jìn)行設(shè)計(jì)；②設(shè)計(jì)中材料斷面面積的要求量應(yīng)根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和拉區(qū)拉力的需要來(lái)確定，不能根據(jù)等量的鋼筋斷面面積來(lái)確定。

3.2 抗剪設(shè)計(jì)

FRP 的抗剪作用可以通過(guò)沿假定裂縫方向上纖維的應(yīng)力及面積來(lái)計(jì)算分析，在設(shè)計(jì)中應(yīng)滿足:①計(jì)算FRP 的作用時(shí)，F(xiàn)RP 的受拉應(yīng)變值應(yīng)限制在0.4%以內(nèi)，以保證此時(shí)混凝土的抗剪作用有效，并減小撓度變形；②應(yīng)對(duì)黏結(jié)應(yīng)力進(jìn)行細(xì)致分析、以保證該加固方法的有效性；③整個(gè)抗剪約束作用之和，即FRP 對(duì)抗剪強(qiáng)度的提高部分與箍筋的作用之和應(yīng)小于ACI318 的有關(guān)規(guī)定。

3.3 抗壓及延性的提高

圓形及矩形截面的受壓構(gòu)件均可以采用外包FRP 的方法進(jìn)行加強(qiáng)。FRP 的約束作用可以顯著提高混凝土的極限應(yīng)變及極限強(qiáng)度。FRP 的應(yīng)變應(yīng)依據(jù)應(yīng)變協(xié)調(diào)原理，根據(jù)軸向壓力引起的徑向壓應(yīng)變來(lái)計(jì)算。

3.4 疲勞及徐變

由于潛在著徐變破壞的可能性，針對(duì)不同類型的FRP，應(yīng)設(shè)計(jì)不同的持續(xù)應(yīng)力限值。 對(duì)GFRP（玻璃纖維） 應(yīng)使其持續(xù)應(yīng)力不超過(guò)設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度的30%，持續(xù)應(yīng)力 CFRP（碳纖維）為 80%，AFRP(芳綸纖維)為70%。 使用荷載作用下的最大應(yīng)力應(yīng)取持續(xù)應(yīng)力下限值的45%， 在循環(huán)荷載作用下，F(xiàn)RP 材料的應(yīng)力應(yīng)按照持續(xù)應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)加以限制，防止出現(xiàn)疲勞破壞。

4 結(jié)論

纖維增強(qiáng)聚合物混凝土是一種將纖維與聚合物增強(qiáng)材料和傳統(tǒng)的混凝土相結(jié)合的水泥基復(fù)合材料，它能夠有效提高混凝土的韌性、抗裂、強(qiáng)度、抗沖擊性能以及與延性有關(guān)的性能，并且有利于提高混凝土的耐久性，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。 隨著新型纖維與聚合物材料的出現(xiàn)，其與傳統(tǒng)混凝土的復(fù)合性能會(huì)更多樣性和高性能化。