纖維增強復合材料在土建結構加固工程中的應用

王漢民

（青海省教育廳教育項目服務中心，青海西寧 810008）

自20 世紀60 年代以來，纖維增強復合材料（FRP）開始逐漸被用于土建結構加固工程中。經過幾十年的發展，該材料加固技術己逐漸成為土建領域結構加固的常用技術之一。纖維增強材料是一種高性能新型復合材料。所謂復合材料，廣義來講，是將兩種或兩種以上組分復合而制得的材料，主要包括基體和增強體兩部分。其中，陶瓷、金屬或聚合物等一般作為基體，而纖維、顆粒或晶須等則充當增強體。 FRP 便是以纖維作為增強體的一種復合材料［1］。

根據纖維增強體的不同，FRP 主要分為碳纖維(CFRP)、玻璃纖維、聚乙烯纖維、聚芳酰胺纖維、BPO纖維以及硼纖維等增強復合材料。對于將FRP 作為土建結構的加固材料方面，國內外相關學者或工程師己經做了大量的實驗及理論研究，也取得了非常重要的成果，大大推動了FRP 的應用發展進程［2］。本文基于FRP 材料在結構加固中的應用特點，分析總結了其在混凝土構件補強、鋼結構損傷修復以及橋梁結構加固中的應用情況，并從特殊結構適用性、黏結膠性能、破壞面特性以及不同環境加固工藝等角度出發，提出了FRP 材料未來在土建結構加固領域中的研究方向和發展建議。

1 FRP 材料及其在土建結構加固中的應用特點

FRP 具有質量輕、密度低、耐腐蝕、結構強度高、抗撕裂等特點，己經被廣泛運用于軍工、電子、航空航天、化工、建筑、機械、材料等領域之中［3］。使用FRP 對土建結構進行加固己經成為一種較成熟的加固方法，其在1994 年美國大地震以及災后重建過程中發揮了巨大的作用，在保證質量的基礎上，大大降低了土建修建和維護的費用。2003 年，我國標準化管理部門更是出臺了《碳纖維片材加固修復混凝土結構技術規程》以指導FRP 材料的使用。FRP 在土建加固過程中的應用，有著以下技術特點。

（1）施工簡便。纖維增強材料容易隨意切割，可以根據土建結構的實際情況在施工現場快速進行裁剪，在保證質量的前提下，能夠快速完成工作。傳統的加固方法包括粘鋼加固法、增大截面法以及體外預應力法等，這些傳統技術在施工方面都較為繁瑣，且施工工期長，材料運輸及使用不便。使用FRP 材料則避免了這些問題，既無需濕作業，也無需動用焊接設備，施工快速而方便，時間及人力成本較低［4］。

（2）高度抗疲勞性。FRP 使用了纖維作為增強劑，使其水平方向的韌性得以提高，抗疲勞能力增強。一般金屬的疲勞極限為拉伸強度的40%左右，而FRP 則可以達到70%，優越的抗疲勞能力使其在土建加固工程中優于粘鋼加固法［5］。另外，FRP 的材料強度甚至是普通鋼材的9～10 倍，使其在應用中更加耐拉。

（3）耐候性好。建筑物加固材料在使用過程中會經常遇到高溫、風雨、霜凍甚至酸堿的侵蝕，這些條件對加固材料提出了苛刻的要求。而FRP 材料具有極為優異的耐腐蝕性能，無需反復加固，避免了后期的維護費用。除此之外，在某些使用腐蝕品的化工廠房、危化品倉庫等建筑的結構加固中，也可以使用FRP 材料，從而較為可靠地保證后續生產安全［6］。

2 FRP 材料在土建結構加固中的應用

2.1 混凝土構件補強

在混凝土構件的加固中，FRP 最初是以棒材或型材的形式進行加固的，有時也通過剪斷成絲拌入混凝土的方式進行應用，以最大程度提高混凝土強度。目前，在混凝土加固過程中，一般是以結構膠粘接的形式加以利用，即將FRP 材料用環氧樹脂膠粘接在建筑物表面，使得纖維材料能夠與建筑物結構同時做功，從而大幅度提高構件的承載能力。

在實踐方面，畢國強［7］研究了碳纖維復合材料在建筑物加固中的應用方法，詳細闡述了CFRP 在混凝土結構加固中的使用技術。并指出，碳纖維布在混凝土加固過程中，要慎重選擇好粘接劑，主劑和固化劑應以3：1的比例進行配比，先均勻涂抹于建筑物表面，然后再進行纖維布的粘貼。梁龐［8］對樓板和墻體混凝土結構出現的問題進行了研究，以20 世紀90 年代的汽車庫改造辦公樓工程為例，詳細介紹了纖維布加固混凝土結構的施工步驟以及質量檢驗控制措施。

張靜鈺［9］探究了復合材料在建筑加固中的應用，介紹了內嵌入式、外貼式等建筑加固方法。其中，重點介紹了芳綸纖維、玻璃纖維加固技術，并認為在芳綸纖維加固過程中，需要注意對框架柱以及節點進行加固；而玻璃纖維由于其彈性模量較小，所以在加固時需要以環繞粘貼的方式進行加固。

2.2 損傷鋼結構修復

在現有的工程結構形式中，鋼結構以其輕質高強、造型美觀、可回收利用等優勢，被廣泛用于一些土建工程施工中，例如化工領域廠房的修建、危化品庫房、近海或海洋工程以及通訊電信相關建筑等。在這些工程結構的使用過程中，經常會由于施工、生產、制造、物體打擊以及腐蝕等原因而造成難以逆轉的損傷，尤其是在一些鋼結構中更加常見。鋼結構一旦發生損傷，其有效荷載能力勢必會受到影響，抗拉和抗壓強度急劇降低，宏觀力學性能下降，甚至有發生工程事故的風險。在不能及時更換材料的工況下，就必須要對鋼結構進行修復和加固。

彭福明等［10］研究了CFRP 材料加固鋼結構的施工措施，包括選材、設計和裁剪CFRP 的方法，黏結件的表面處理以及驗收控制等。指出目前以纖維材料加固損傷鋼結構時還應加強對CFRP 的力學性能分析，深入研究溫度效應對粘接強度的影響，避免出現局部剛度較大的問題。

2.3 橋梁結構加固

我國現存的許多橋梁由于各種原因長期缺乏維護保養，或多或少存在年久失修的問題，主要包括混凝土開裂、基座變形、鋼筋腐蝕、墩臺滑動等。有些橋梁的承載力甚至己經不能滿足≥25% 的設計要求。鑒于工期、通行要求以及投資成本等因素，許多地方的橋梁很難做到全部拆除重建，而采用FRP 材料開展加固的方式，則成為解決上述問題的有效手段。相比于粘鋼加固、化學灌漿加固以及體外預應力加固法，使用FRP 材料加固橋梁，不僅材料投資較少，工期也相對較短，是一種非常適合橋梁結構加固的方法。

在該領域，李慧峰等［11］研究了CFRP 材料在橋梁加固中的應用技術，詳細計算了碳纖維材料的物理力學性能，并進行了抗彎性能實驗，最后提出了CFRP 材料加固橋梁的原理和計算方法。谷拴成等［12］結合黃陵—李章河麥洛安西大橋的加固工程，使用QLJC 軟件對橋梁結構進行了模擬數值計算，介紹了碳纖維材料及加固方案的選取方法，并經過現場檢測和理論計算的對比，證明碳纖維加固能夠有效滿足使用功能需求。桂久寬［13］針對橋梁長時間服役后發生的承載力退化現象，應用碳纖維加固技術進行快速有效地加固和修復，實現大幅度提高橋梁承載力的目的。

歐陽利軍等［14］則研究了玄武巖纖維增強復合材料（BFRP）在結構加固中的應用，指出BFRP 由于具有良好的延展性、耐高溫性、耐磨性和耐腐蝕性，非常契合橋梁加固所需材料特點。同時，其造價相比碳纖維更低，故也成為了代替碳纖維的良好材料。

3 FRP 材料在土建結構加固中的問題與建議

目前，國內外學者在將FRP 材料用于土建結構加固方面己進行了較多的實驗研究，但對FRP 材料的力學性能以及承載力的理論研究仍存在不足，尤其是在FRP 材料加固土建結構的破壞特征以及加固結構構件的設計方法方面，還有較大的完善提升空間，有必要開展進一步研究。

（1）特殊結構加固的適用性。當前的FRP 材料主要被應用于建筑物和橋梁的加固工程之中，而在木質結構、鋼結構以及砌體結構的加固工程中應用較少。除此之外，在一些特殊工程結構加固中也可以考慮使用FRP材料，例如涼水塔、化工廠房、海上作業平臺以及某些圍墻等防護工程，然而這些特殊工程對結構強度要求較高，因此必須加強FRP 在這些領域中的應用和研究深度。

（2）黏結膠的性能優化。纖維復合材料主要通過黏結膠進行黏結，在很多情況下，加固效果并不取決于纖維材料本身的性能，而取決于FRP 材料和建筑整體結構黏結的牢固程度。一些特殊工況下，FRP 材料加固工程要求能夠承受長期的高溫、低溫、浸水以及腐蝕環境，而FRP 材料本身雖能滿足這些條件，但黏結膠有時無法滿足這些特殊工況要求，導致應用過程中的韌性降低，造成加固質量不達標。同時，在預應力FRP 的研究方面，目前還僅限于理論分析，實踐與應用發展較為緩慢，后續應當加強試驗力度。

（3）黏結破壞面特性研究。FRP 材料由多種物質復合而成，在受到外力作用時，各種材料的受力狀態差異較大，甚至存在多種破壞模式，斷裂情況也相當復雜。因此，必須加強FRP 材料黏結破壞面的特性研究，在此基礎上深入分析FRP 的力學性能，以期設計出性能更佳的FRP 材料。

（4）不同環境下的加固工藝。目前，FRP 材料在使用過程中一般都會嚴格遵守施工要求，控制好溫度和濕度，一旦溫度或濕度超過工藝指標都將被禁止施工，通常規定的工藝指標為：環境溫度5～35℃，相對濕度低于70%。但是該工藝指標在遭遇雨季以及冬季時，將極大程度上影響工程施工進程，因此必須加強不同環境下的加固工藝研究，以期在保證質量的前提下，避免不良環境條件對工期的影響。

4 結束語

在土建結構加固工程中，相比于傳統的粘鋼加固法、擴大截面法等加固技術，FRP 加固技術具有施工簡便、不破壞原結構、高度抗疲勞性以及耐久性好等顯著的應用優勢。實踐表明，通過FRP 材料進行結構加固有利于提高工程質量、縮短施工工期。因此，目前利用FRP 材料進行土建結構加固的案例也越來越多，并逐漸趨于成熟。

現階段，FRP 加固技術主要運用于混凝土結構、鋼結構以及橋梁結構等加固工程中。在這些領域，FRP 加固技術己經被廣泛研究。但目前FRP 技術的發展時間較短，其在力學性能以及承載力的理論研究方面尚存在不足，未來還需要進一步加強FRP 加固技術在特殊結構適用性、黏結膠性能優化、黏結破壞面特性以及不同環境下加固工藝等方面的研究，使FRP 材料能夠適用于更加廣闊的應用場景，推動我國城市更新背景下的土建結構加固行業發展。