混凝土結構加固中FRP 的應用

高 仲，魏 君

（中國建筑土木建設有限公司，北京 100071）

1 FRP 材料

1.1 FRP 力學性能

常見的纖維增強復合材料的力學性能見表1 和圖1。

表1 常見幾種FRP 與普通鋼筋和高強鋼絲力學性能比較

圖1 各種加固材料力學特性對比

1.2 FRP 復合材料的基本特征

FRP 復合材料具有很多優良性能。其一，抗拉強度比較高。碳纖維材料、芳綸纖維和玻璃鋼三種FRP材料的抗拉強度都要比普通鋼筋的抗拉強度高，與高強鋼筋相當。其二，材料比重也相對減輕，在施工運用的時候更加簡單。FRP 材料的總密度約為普通鋼筋密度的1/4，當對老舊的建筑材料進行結構補強的時候效果更佳且明顯。其三，熱膨脹系數也較低。FRP復合材料的額溫膨脹系數與混凝土的溫度很相似，所以在與混凝土同時工作的時候二者不會形成較大的溫差應力。其四，比較耐腐蝕，應用時期長。與鋼材一樣，由于FRP 復合材料都具有優異額抗腐蝕性和耐久性，所以可以將其用作混凝土的結構加固工作中，就能夠大大提高混凝土構件的應用周期，特別是在腐蝕量相當大的環境中，更能表現出其優越性。其五，抗剪強度較低。

1.3 FRP 加固特點

（1）材料本身很輕，但強度很高，比強度值很理想。加固時，原結構的尺寸和自重不能擴大，對原結構形狀的影響較小，因此其使用和推廣的優勢很強。

（2）FRP 制品是由具有良好彈性比的纖維制成的。平行于纖維方向的各向異性、強度和彈性模量較高。

（3）在不同的環境中，它具有良好的耐腐蝕性、耐久性和優異的抗疲勞性，這是一個很大的優勢。

（4）產品設計的多樣化，可通過不同纖維品種、濃度、鋪層方向等方法制作出各種厚度、不同強度模數以及各種特性的FRP 制品，其造型簡單，造型多變。

（5）改變原有結構構件的造型，外形變化不明顯。因為要求加固與修補的構件都有著確定的造型與形狀，所以通常并不允許因為加固而影響其形狀，因此柔性的FRP 片層很適合于在不同構件造型與構造部件之間的補強修復，而且因為FRP 片層的柔性非常好，所以就算被保護的構件表面并非很平，也可以保持100%的有效粘貼，比使用鋼板補強更容易提高粘結效率。

（6）施工操作工藝實施性較好。由于現場沒有濕作業，其在混凝土粘貼時，可不考慮固定設備，因此作業簡單、快速，且現場工程量較小，施工效率高。同時，FRP 產品更有利于工程的機械化施工——從工廠制造、運輸到施工、現場裝配等。能更加保證質量、增加工效。

（7）對原有結構構件的處理較簡單，也沒有引起對原構件的加固破壞。與傳統的固定方式，如加大截面法、纏繞鋼絲、預應力法相比，粘貼FRP 加固混凝土技術無須對原來的混凝土構件打孔穿洞，更省工省力。

（8）其他優點：既可使用它抗電磁波、導熱導電性小等優點，也可用作特殊場合：雷達設備、地磁觀測站、醫療設備等結構。

2 FRP 的研究現狀

FRP 增強技術首先是在德國和瑞士發展起來的，關于這些強纖維材料的特點和利用這種材料增強結構構件的強度、剛性及其他方面的特性，雖然各地的研究方式和研究深度有所不同，但都在實驗上成功并從結構施工經驗方面證明了這種增強技術的可行性。從加固方式與加固功效來看，由于FRP 是極強且特輕的建筑材料，故對現存結構的使用并無需特殊的使用技術和設備，且易于把握、運輸、操作和粘于舊結構，因此并沒有使原構件上附加顯著的荷載，其強度也大于一般鋼材。日本研究人員在試驗期間發現，使用FRP 結構粘合劑后，開裂混凝土的靜載能力可以提高數倍，偏差可以減少約40%。老化試驗發現，經過400 萬次重復荷載后，部件完好無損。400 h 加速老化試驗后，結構也符合要求。在德國研究人員用FRP粘結增強混凝土柱的抗剪強度的實驗以及用CFRP 包裹柱，測定了其在震害荷載作用下的拉扭、軸向抗壓和抗剪強度，試驗結果顯示FRP 有和鋼筋同樣的抗剪特性，而且效果幾乎隨FRP 軸向的強度而呈直線上升，并超過了最大值；通過檢查立柱得知它具有很好的強度、剛度和彈性。保護層混凝土剪切受拉剝落損傷，是由于鋼筋抗拉強度較小或錨固性長不夠所致，纖維和鋼筋基體之間的粘結剝落損傷，是由粘接材料抗拉強度較小或錨固性長不夠造成的，因此構成脆性損傷。一般采用構造方法，規定最小混凝土強度等，以選擇最優良粘結材質和提高施工粘結的質量，并通過機械錨固來控制。

3 FRP 加固混凝土的工作原理、適用范圍及基本要求

3.1 工作原理

使用FRP 復合材料對混凝土構件進行強化，FRP與混凝土界面的黏附力能是確保二者共同受力的關鍵條件。為研究混凝土和FRP 復合材料之間的界面及粘結性能，在預先開裂的混凝土柱上的FRP 復合材料進行了加載測試。初始加載時，FRP 材料的應力值一般較低，但因為其彈模較小的原因，FRP 復合材料應力值也相應地較低，因此FRP 材料產生應力的范圍也僅限制在裂紋附近范圍。隨著增大壓力，混凝土柱裂紋逐漸擴大，裂縫周圍的FRP 材料應力逐漸增加，受力范圍也開始向距裂紋中心更遠的范圍內擴展，但仍以裂紋周圍受力為主。繼續增加對混凝土受力負荷，FRP 復合材料的應力值不斷增加，但隨著應力值增加，在裂紋周圍FRP 復合材料的應力增長速度也呈現了緩慢減少情況，但在距裂紋中心較遠的片材二端應力值仍有增長。而實驗也表明，此時FRP 復合材料的表層混凝土結構已遭受剪切損傷，并出現了相對滑動現象，特別在裂紋附近。當混凝土的破裂面剪應力值大于混凝土抗剪強度后，混凝土和FRP 片層隨即沿損傷面剝離，其剝離面也從裂紋附近逐漸向脫離裂紋區發展，直到整體剝離。因此，FRP 復合材料對鋼筋的損傷主要是構件表面鋼筋的剪切破壞構件所能承受的最大剪切應力值主要和鋼筋的強度密切相關。

3.2 適用范圍及基本要求

目前，FRP 鋼筋混凝土工程結構在各種土木工程（建筑物、道路和橋梁、港口、水電站）中有許多成功的例子。這主要解決了結構體系和混凝土構件的彎曲、軸壓、大偏心受壓和受拉不能滿足要求的問題。使用的基本要求如下：

（1）一定的抗壓性。需要用FRP 加強的混凝土結構構件必須要有一定抗力效果，不然所增加的經濟價值不大。要求其現場實際混凝土強度應當在C15 以上，且混凝土表層的正拉粘結強度也要超過1.5MPa.而當對設計以及規范都有要求時，則還應當符合有關規范。

（2）一定的溫度、濕度。施工環境溫度一般宜滿足膠粘劑及生產應用說明書的規定。如未作規定，則一般宜在5～35℃的條件下實施。由于施工時的高溫太低會造成凝固時間過長，而環境溫度過高也會造成凝固時間過短，而這些因素都會影響環氧樹脂對纖維表面的浸潤；從而影響環氧樹脂的粘接強度的發揮。所以，在冬季嚴寒條件下，加固工程現場都應該做好加溫的輔助措施，以滿足所規定的施工環境溫度條件，并優先選擇在低溫條件中應用的環氧樹脂；而在夏季酷暑環境下，則盡可能選取在氣溫較低的時候進行施工，優先選擇夏用的環氧樹脂。如達低于要求的氣溫要求，則應當中止施工。施工現場空氣相對濕度宜在90%以內。由于環境濕度大，容易降低纖維片材的粘結效率，同時粘結后易產生空鼓及脫落問題。在空氣相對濕度超過90%后。特別是在雨雪天氣下或露天施工的地方，更應該采用合理方法。而在選擇了適合于潮濕條件下的施工材料后，則可不受其影響。由于碳纖維材料是電子的良導體，而粘貼在纖維復合材料上的電子膠粘劑通常是高度易燃的，所以在施工過程中就應該格外重視對消防以及電源、電器等的使用安全性，并且還應該根據現行國標對纖維復合材料做好保護。

（3）關注加固結構構件的使用環境條件。對于碳纖維強化復合材，在實際應用時必須重視電化學腐蝕問題。在使用鋼索或錨栓加固碳纖維強化復合材時，若碳纖維是陽極，則更應注意保護處理，以避免影響耐久性。同時注意，不能直接將粘附于混凝土結構表面上的玻璃纖維復合材料直接曝曬在日光或有害介質中，以避免因紫外光長期輻射和高溫影響其耐久性。同時為了避免在應用過程中的環境污染和破壞，要使用對無害的防護材料和膠粘劑防護表層，以保證可靠的連接強度，并控制變形協調。而當前，根據國外的科學研究和施工經驗表明，FRP 補強工藝也可用作在鋼筋混凝：土建筑、磚混結構、鋼結構、竹木結構等建筑中，但要根據建筑具體情況與加固設計規范的要求進行。

4 FRP 復合材料在混凝土結構加固中的應用

4.1 民用建筑和工業用房

在一般民用建筑和工業用房中，主要包括了對梁、樓板和梁的加強。當對梁進行加強的時候，最主要的功能就是抗折彎和抗剪。FRP 復合材料的走向與拉鋼筋的軸流式一致，在通常情況下載鋼筋的被拉側，可以用來增加鋼筋的承載能力。而根據有關試驗結果證實，只要在建筑梁上沒有被拉鋼筋材料過多的超筋柱，在其上再粘貼一層FRP 復合材料就可以增加30%左右的強度，兩層也可以增加大約40%。在對鋼板進行加固的時候，因為對鋼板的加固要求比較高，所以利用了保護層厚度較薄、柔韌性較好的FRP 復合材料，對其固定后并不影響外觀。比較理想的支柱加固材質是芳綸纖維和玻璃鋼，與碳纖維材質相比較，他們二種的彈模更小，延性也比較好，在進行了棱角打磨過的后，在通常情況下都沒有打磨，能夠節約不少時間。

4.2 地鐵、隧道

地下鐵路和隧道通常在地下工作，但其應力模式與地下完全不同。它將在洞穴的頂部和側面承受一定的壓力，并且對通道也有要求。此外，上海地鐵隧道車間和側壁存在大量不規則裂縫，傳統加固方法在加固時效果不好，采用芳綸纖維對其進行加固，因為芳綸纖維能適應其各方面的特點，具有良好的導電性和抗剪性。

4.3 煙囪、水塔

煙筒和水塔一般都是向高處發展，所以在對其開展加固修復工作的時候就相對麻煩，用傳統的加固方式也很難解決，不過由于FRP 復合材料具有輕質高強度、耐久耐腐蝕的特性，這些材料都可以對其發揮良好的補強效應。

5 傳統加固方法和FEP 復合材料加固方法的比較

傳統的加固方式，一般分為擴大截面法和貼鋼法。增加截面法也就是利用擴大受力體積增加原建筑構件的結構強度，但這個辦法盡管成本比較低廉，但只是將原構件的自身總量增大，內部凈空程度就相應降低，而且工作時限還相當漫長，具有較大的局限性，所以在如今很多的建筑工程中應用得較少。粘鋼法指的是用鋼材對原混凝土構件的變形加以約束，重點是在被密封構件的受力外邊緣部位粘結鋼管，以封堵粘結部位的裂紋和漏洞。這種補強方式確實可以增強建筑構件的強度和剛性，不過由于對鋼材的厚度要求非常嚴格，在粘貼完成以后縫隙和防腐處理都要耗費很長的時間，而且生產成本比較高，所以一般也只使用在強度要求相對嚴格的地區。

6 結束語

FRP 材料的組成決定了其具有重量輕、強度高、耐疲勞、耐腐蝕、耐磨損等特點。上述優點有利于FRP 材料在混凝土構件加固中的快速發展，并部分替代鋼筋材料，廣泛應用于混凝土結構的設計和施工中。然而，由于其材料組成復雜，組成材料對不同類型復合材料的不同物理性能有很大影響。同時，由于價格因素，FRP 復合材料的使用更加頻繁，FRP 品種因不同的施工工藝而層出不窮。因此，應在大量實驗和科學研究的基礎上，制定一套統一的規范來衡量不同纖維的不同技術指標，以證明其具有穩定性，熱力學性質和良好的耐腐蝕性。