粘貼FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中溫度影響的考慮

（重慶市建筑科學(xué)研究院，重慶 400016）

0 引言

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 （FRP,Fiber Reinforced Polymer）因其輕質(zhì)、高強(qiáng)、施工方便、耐腐蝕、對既有結(jié)構(gòu)截面尺寸和外觀影響較小等優(yōu)點(diǎn)，在土木工程尤其是結(jié)構(gòu)加固等領(lǐng)域應(yīng)用日益廣泛，國內(nèi)應(yīng)用最多的是在梁、板受拉面粘貼FRP片材提高其受彎承載力。但是目前，F(xiàn)RP應(yīng)用更多集中在室外橋梁等對耐火要求不高的結(jié)構(gòu)中，主要原因就是對其耐火及耐高溫性能的擔(dān)憂。

本文系統(tǒng)介紹了溫度對粘貼FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)不同方面的影響，提出了考慮溫度影響的粘貼FRP加固系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程，并對其實(shí)施需要解決的問題進(jìn)行了討論。

1 溫度對粘貼FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)的影響

溫度對FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的影響，主要集中在兩個(gè)大的方面（如圖1所示）：（1）材料熱膨脹系數(shù)不同引起不同結(jié)構(gòu)（材料）間的附加應(yīng)力；（2）影響材料（FRP、粘接劑）及粘結(jié)性能。

1.1 溫度對粘結(jié)應(yīng)力的影響

圖1 溫度對粘貼FRP加固系統(tǒng)的影響

FRP材料與混凝土的熱膨脹系數(shù)相差很大（見表1），在溫度作用下會(huì)產(chǎn)生不相稱變形，從而在粘結(jié)層產(chǎn)生附加應(yīng)力。溫度附加應(yīng)力對于FRP復(fù)合材料來說是內(nèi)部應(yīng)力，如Hollaway等學(xué)者研究指出，對精心制作的FRP復(fù)合材料來說，正常使用條件下的溫度波動(dòng)對FRP復(fù)合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響一般可以忽略不計(jì)，附加應(yīng)力主要體現(xiàn)在FRP與混凝土結(jié)構(gòu)之間的附加粘結(jié)應(yīng)力[1]。根據(jù)黃龍男、王海洋、張超等人[2-4]的研究成果，附加應(yīng)力的大小甚至?xí)^荷載本身產(chǎn)生的粘結(jié)應(yīng)力，因此在FRP加固系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必須考慮。在FRP加固金屬（包括鋼，生鐵）結(jié)構(gòu)中，溫度荷載往往是FRP和原有金屬結(jié)構(gòu)間的粘結(jié)設(shè)計(jì)中的主要限制因素，但在目前混凝土結(jié)構(gòu)FRP加固設(shè)計(jì)中溫度荷載幾乎完全被忽略。忽略溫度對粘結(jié)應(yīng)力的影響，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)偏于不安全，使得加固后的結(jié)構(gòu)存在安全隱患。

表1 材料典型熱膨脹系數(shù)

1.2 高溫對材料力學(xué)及粘接性能的影響

在我國，抗彎加固用的FRP片材通常是碳纖維（CFRP）布。纖維布本身由連續(xù)的長纖維編織而成，用于結(jié)構(gòu)加固時(shí)，先用樹脂浸漬，然后用環(huán)氧樹脂等粘接劑粘貼于結(jié)構(gòu)表面，通過粘結(jié)層來實(shí)現(xiàn)混凝土和FRP片材之間的內(nèi)力傳遞。FRP纖維幾乎不受高溫條件影響，但浸漬樹脂和粘接劑在高溫條件下會(huì)發(fā)生軟化和性能衰退，從而影響FRP加固系統(tǒng)的有效性。典型聚合材料性能隨溫度變化的規(guī)律在張超[5]等人的研究中有專門介紹。土木工程中常用FRP復(fù)合材料的玻璃轉(zhuǎn)化溫度通常在65℃～120℃，而常用結(jié)構(gòu)粘接劑的玻璃轉(zhuǎn)化溫度通常只有45℃～82℃，不要說火災(zāi)條件，就是日常使用過程中的環(huán)境溫度也有可能達(dá)到甚至超過樹脂材料的玻璃轉(zhuǎn)化溫度，從而引起粘接性能的退化。在重慶，夏日持續(xù)高溫，夏季露天最高空氣溫度可達(dá)50℃以上，而地表溫度甚至接近70℃，已經(jīng)接近甚至超過市場上一些粘結(jié)劑的玻璃轉(zhuǎn)化溫度了。這也是工程界對FRP加固系統(tǒng)耐火及耐高新性能的擔(dān)憂所在。

目前國內(nèi)外粘貼FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)或?qū)t通常是忽略火災(zāi)狀況下FRP加固系統(tǒng)對結(jié)構(gòu)承載力的貢獻(xiàn)，從而要求原結(jié)構(gòu)本身具有相應(yīng)的承載能力，只有Fib標(biāo)準(zhǔn)允許FRP加固系統(tǒng)進(jìn)行專項(xiàng)耐火設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)理念一定程度上限制了FRP在房屋等防火要求比較高的工程中的應(yīng)用[6]。

圖2 目前粘貼FRP加固系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本流程

圖3 考慮溫度影響的粘貼FRP加固系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

2 考慮溫度影響的粘貼FRP加固系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 考慮溫度影響的粘貼FRP加固系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

圖2所示為目前粘貼FRP加固系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要步驟。在粘結(jié)應(yīng)力分析中，通常未涉及溫度的影響，分析模型通?；谝韵录俣ǎ?/p>

（1）混凝土、粘接劑、FRP片材均為線彈性材料；

（2）結(jié)構(gòu)分析基于彈性分析理論，未考慮截面剛度變化對結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布的影響；

（3）FRP加固RC梁變形符合平截面假定；

（4）粘結(jié)應(yīng)力不隨粘結(jié)層厚度變化；

（5）FRP端部粘結(jié)應(yīng)力或FRP軸向拉應(yīng)變達(dá)到相應(yīng)限值后發(fā)生破壞。

根據(jù)前述溫度對粘貼FRP加固混凝土系統(tǒng)的影響，提出的粘貼FRP加固系統(tǒng)在火災(zāi)或高溫工況下的理想設(shè)計(jì)流程，如圖3所示。

2.2 幾點(diǎn)討論

在常規(guī)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，基于塑性理論下限定理，通常假定恒截面剛度（不考慮配筋、截面開裂等對截面剛度的影響，但設(shè)計(jì)的變截面要考慮），進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)下的荷載分析，然后根據(jù)計(jì)算結(jié)果 （根據(jù)相關(guān)規(guī)定進(jìn)行一定的彎矩重分配）來進(jìn)行截面配筋設(shè)計(jì)，配筋設(shè)計(jì)后通常不需要再進(jìn)行結(jié)構(gòu)實(shí)際承載能力復(fù)核，而使截面具有足夠的延性來保證結(jié)構(gòu)具有足夠的內(nèi)力調(diào)整能力。但粘貼FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)中，因?yàn)镕RP材料的線彈性以及粘結(jié)剝離破壞的脆性特征，F(xiàn)RP加固混凝土結(jié)構(gòu)不一定具有足夠的延性以保證其彎矩重分配能力，對于非靜定結(jié)構(gòu)來說，可能導(dǎo)致其實(shí)際破壞荷載降低。這一問題已有專門研究[7]，而在實(shí)際工程中尚未引起廣泛的重視。

對于溫度對FRP加固系統(tǒng)材料及粘結(jié)性能的影響，F(xiàn)RP高溫拉伸力學(xué)性能已有相對成熟的分析模型[8-11]，只是模型參數(shù)的取值大都要需要針對性的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，相較而言，溫度對粘接材料力學(xué)及粘接性能的影響雖然受到重視，研究也比較多，但目前尚未有業(yè)內(nèi)比較認(rèn)可的分析模型，這也是在理論上限制FRP在土木工程中更廣泛應(yīng)用的一大障礙。

另外，溫度場分析是個(gè)相對專業(yè)的領(lǐng)域，實(shí)際工程中可能更多的是按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的規(guī)定，基于一些假設(shè)和簡化，進(jìn)行簡單的溫度應(yīng)力分析，詳細(xì)、深入的溫度場分析對于一般結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員來說可能并不熟悉或者擅長。

現(xiàn)階段而言，上述設(shè)計(jì)理念具有一定的理想化，如何在實(shí)際工程中執(zhí)行以及實(shí)際能執(zhí)行到何種地步，可能受到設(shè)計(jì)人員的理論和技術(shù)水平、是否具備試驗(yàn)條件以及如何處理與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的關(guān)系等各方面因素的影響?？梢灶A(yù)見，理想的FRP加固系統(tǒng)設(shè)計(jì)只能隨著學(xué)術(shù)及工程應(yīng)用研究成果的不斷積累，到能夠轉(zhuǎn)變?yōu)楣こ碳夹g(shù)人員簡便易用的設(shè)計(jì)規(guī)則，從而促進(jìn)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的不斷更新來逐步實(shí)現(xiàn)。所幸的是，已經(jīng)有很多學(xué)者和工程界人士意識到了這些問題，并在積極地開展研究工作來進(jìn)一步推進(jìn)FRP加固技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用。如Del Prete等通過考慮結(jié)構(gòu)溫度場分布，研究了粘結(jié)FRP加固橋面板結(jié)構(gòu)在車輛起燃引起火災(zāi)和鋪設(shè)高溫瀝青路面兩種不同情況下的高溫性能[12]。他們考慮溫度對混凝土、鋼筋和FRP材料性能的影響，同時(shí)考慮對界面粘結(jié)比斷裂能的影響對美國和意大利相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中FRP容許拉應(yīng)變（防止剝離破壞）進(jìn)行修正，對結(jié)構(gòu)抗彎承載能力和FRP加固系統(tǒng)的有效性進(jìn)行了系統(tǒng)分析。結(jié)果表明，對于不同的橋面板厚（150mm、200mm）、不同的防護(hù)措施（0～4cm厚混凝土防護(hù)層）和不同的粘結(jié)材料（玻璃轉(zhuǎn)化溫度為45℃、80℃），結(jié)構(gòu)均滿足極限狀態(tài)（抗彎）承載能力要求，但高溫持續(xù)一定時(shí)間后會(huì)達(dá)到FRP剝離破壞的容許應(yīng)變。

3 結(jié)語

本文系統(tǒng)介紹了溫度對粘貼FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)不同方面的影響，并據(jù)此提出了考慮溫度影響的粘貼FRP加固系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程，但因?yàn)檫€存在需要考慮截面剛度變化對結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布的影響、缺乏溫度對FRP粘結(jié)材料力學(xué)及粘結(jié)性能的影響的分析模型以及很多設(shè)計(jì)人員對溫度場分析不熟悉等問題，考慮溫度影響的粘貼FRP加固系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念在現(xiàn)階段而言具有一定的理想化。

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