FRP在結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用與發(fā)展

陳喆

摘要：基于FRP具有的輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕等不同于傳統(tǒng)材料的優(yōu)越特性，經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外各項(xiàng)研究與實(shí)踐，現(xiàn)已廣泛運(yùn)用于建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域。本文將結(jié)合FRP材料的優(yōu)缺點(diǎn)及FRP混凝土結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展及應(yīng)用情況，闡述FRP混凝土在建筑結(jié)構(gòu)中的發(fā)展情況和面臨的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：FRP；FRP結(jié)構(gòu)；歐美規(guī)范；日本規(guī)范；中國(guó)規(guī)范

Abstract：Based on the superior characteristics of FRP including light weight， high strength， corrosion resistance and others which are different from other traditional materials， FRP has been widely applied in the field of architectural structure through various researches and practices at home and abroad. In this paper， the advantages and disadvantages of FRP materials and the development and application of FRP concrete structures at home and abroad are discussed， and the development and problems of FRP concrete in the construction structure are expounded.

Keywords：FRP； FRP-structure； American and Euro code； Japanese code； Chinese code

前言

從上世紀(jì)40年代開始，F(xiàn)RP已開始運(yùn)用于航空、航天、船舶、汽車、醫(yī)學(xué)、機(jī)械等高精尖領(lǐng)域，并且由于其輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕等特性彌補(bǔ)了傳統(tǒng)建筑材料的不足，近年來(lái)在橋梁工程、海洋工程、加固改造工程等土木工程領(lǐng)域成為研究與運(yùn)用的熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外在應(yīng)用的過(guò)程中都投入了一定的力量對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行研究，并制定了相關(guān)規(guī)范。

1.FRP材料的特性

FRP材料的性質(zhì)及優(yōu)缺點(diǎn)有別于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)工程中使用的材料，雖不用于完全取代現(xiàn)有材料，但擁有其不可替代的地位。

1.1概述

FRP為fiber reinforced polymer composites的簡(jiǎn)稱，中文譯為纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，指連續(xù)纖維或纖維織物及聚合物樹脂通過(guò)復(fù)合工藝組合而成的一種聚合物基復(fù)合材料，常用的纖維復(fù)合材料形態(tài)見(jiàn)圖1。按所用纖維的種類分為碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）、玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（GFRP）、芳綸增強(qiáng)復(fù)合材料（AFRP）、玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（BFRP）等[5]，由FRP材料制成的常用結(jié)構(gòu)材料包括FRP片材、FRP筋及FRP管等。

FRP片材主要應(yīng)用于結(jié)構(gòu)加固工程，由纖維布或連續(xù)纖維經(jīng)工廠樹脂浸漬固化后制成。

由單向連續(xù)纖維拉擠成型并經(jīng)樹脂浸漬固化的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制成的棒狀制品稱為FRP筋，可用于代替鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋及預(yù)應(yīng)力筋，為增加其與混凝土的粘結(jié)性，可對(duì)其表面進(jìn)行處理。與傳統(tǒng)用于鋼筋混凝土中的鋼筋性能相比，F(xiàn)RP筋抗拉強(qiáng)度高，彈性模量及伸長(zhǎng)率較低，F(xiàn)RP筋與鋼筋的主要力學(xué)性能指標(biāo)的對(duì)比見(jiàn)表1。

FRP管常以內(nèi)填充混凝土的組合形式使用，F(xiàn)RP管不僅能提供較大的環(huán)向約束力，又較傳統(tǒng)鋼管具有自重輕、耐腐蝕的優(yōu)勢(shì)。

1.2優(yōu)點(diǎn)

FRP材料具有遠(yuǎn)高于普通鋼材的抗拉強(qiáng)度，并且密度僅為一般鋼材的四分之一左右，極大程度上減輕了結(jié)構(gòu)自重，從而降低了運(yùn)輸及人工成本。輕質(zhì)高強(qiáng)的特性使其多用于橋梁及大跨度工程，提高橋梁及大跨度建筑的極限跨度。

FRP材料具有良好的抗腐蝕性，可以長(zhǎng)期使用于酸、堿、氯鹽和潮濕環(huán)境中，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)材料在該類地域使用的不足。目前在海洋、化工建筑結(jié)構(gòu)的實(shí)際運(yùn)用中已很好得證明了該優(yōu)點(diǎn)，在延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)使用壽命的同時(shí)，還降低了結(jié)構(gòu)的維護(hù)費(fèi)用[9]。

FRP材料具有很好的可設(shè)計(jì)性，可以通過(guò)使用不同種類的纖維，不同的纖維含量制造出各種強(qiáng)度、各種形式的FRP產(chǎn)品[11]。

FRP材料的塑性變形小，在達(dá)到極限抗拉強(qiáng)度之前，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系接近線性，發(fā)生較大變形后仍能恢復(fù)原狀，這對(duì)于結(jié)構(gòu)偶然超載后的變形恢復(fù)比較有利。

FRP材料為非金屬材料，具有無(wú)磁性的特點(diǎn)，使得其在一些有特殊要求的場(chǎng)合，如醫(yī)院、實(shí)驗(yàn)室、機(jī)場(chǎng)等，發(fā)揮不可替代的用處。

FRP產(chǎn)品還適合于工廠中預(yù)制，運(yùn)送至現(xiàn)場(chǎng)安裝的施工方式，可以提高勞動(dòng)效率，更好的保證工程質(zhì)量。

1.3缺點(diǎn)

FRP材料的性質(zhì)為各向異性，強(qiáng)度與彈性模量在沿纖維方向較高，垂直于纖維方向則較低，使其受力上不同于傳統(tǒng)各向同性的材料，一定程度上增加了FRP結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)難度，從而限制了它的使用。

FRP材料拉伸時(shí)的彈性模量較低，僅為鋼材的5%～50%，在實(shí)際運(yùn)用中，需采用FRP組合結(jié)構(gòu)來(lái)彌補(bǔ)剛度的不足。

FRP材料的抗剪強(qiáng)度低，大約只有其抗拉強(qiáng)度的1/20～1/2，與之相比，金屬的抗剪強(qiáng)度則能達(dá)到其抗拉強(qiáng)度的一半左右，使得連接成為FRP結(jié)構(gòu)的重要問(wèn)題[11]。

2.國(guó)內(nèi)外的發(fā)展與應(yīng)用

自上世紀(jì)70年代開始，歐美國(guó)家及日本等都加強(qiáng)了對(duì)FRP混凝土結(jié)構(gòu)研究與應(yīng)用，并制定了相應(yīng)的規(guī)范，我國(guó)于上世紀(jì)80年代開始對(duì)該領(lǐng)域的應(yīng)用研究。

2.1美國(guó)

美國(guó)于1960年首次將FRP材料運(yùn)用到了位于密西西比州的軍工試驗(yàn)站加固工程中。上世紀(jì)60年代初，美國(guó)Marshall Veag公司生產(chǎn)出GFRP筋，因此鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在近海地區(qū)及寒冷地區(qū)鹽蝕的問(wèn)題得以解決。在1991年，美國(guó)混凝土協(xié)會(huì)就成立了專門ACI 440委員會(huì)，專門對(duì)FRP材料進(jìn)行研究，于1999年出版了FRP外貼加固混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工指南，并于2001年制定了FRP筋在混凝土結(jié)構(gòu)工程中的設(shè)計(jì)與施工準(zhǔn)則，又于2003年推出了FRP筋在預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)工程中的設(shè)計(jì)指南，至今仍不斷更新修訂。

2.2加拿大

加拿大于20世紀(jì)90年代初就出版了應(yīng)用于高速公路橋的FRP筋規(guī)范，隨后還成立了ISIS專家委員會(huì)專門研究FRP增強(qiáng)及加固混凝土結(jié)構(gòu)，并于20世紀(jì)90年代末，由加拿大政府投資3000多萬(wàn)加元用于研究FRP增強(qiáng)及加固混凝土結(jié)構(gòu)并開發(fā)新型的FRP產(chǎn)品。

2.3日本

作為一個(gè)地震高發(fā)國(guó)家，為更好地提高建筑物的抗震性能，日本在上世紀(jì)70年代就開始了對(duì)FRP片材的研究，并于1984年率先使用FRP片材修補(bǔ)既有橋梁橋墩的裂縫，阪神大地震后，該技術(shù)更是大規(guī)模應(yīng)用于加固工程中，加固范圍也從對(duì)柱形結(jié)構(gòu)的加固延伸至房屋梁板的加固工程中。1993年，日本于上世紀(jì)80年代末期成立的連續(xù)纖維復(fù)合材料委員會(huì)編制了世界上第一本關(guān)于FRP加筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南[9]。1997年，連續(xù)纖維增強(qiáng)材料委員會(huì)提出了連續(xù)纖維增強(qiáng)材料混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工建議，該委員會(huì)由日本土木工程學(xué)會(huì)（JSCE）成立于1989年。

2.4歐洲

歐洲關(guān)于FRP材料的研究開始于上世紀(jì)70年代的德國(guó)，其于上世紀(jì)80年代建造了世界上第一座使用FRP后張預(yù)應(yīng)力拉索的高速公路橋。研究FRP材料及其配筋混凝土結(jié)構(gòu)性能的歐共體合作項(xiàng)目于1996年啟動(dòng)，同時(shí)設(shè)立了研究纖維增強(qiáng)塑料筋混凝土的聯(lián)合攻關(guān)組織。1997年，由歐洲9個(gè)國(guó)家斥資130萬(wàn)歐元開啟了為期4年的高性能纖維復(fù)合加強(qiáng)、預(yù)應(yīng)力、加固混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南的編寫項(xiàng)目。FRP加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南于2001年由歐洲混凝土結(jié)構(gòu)國(guó)際聯(lián)合會(huì)推出。

2.5中國(guó)

我國(guó)關(guān)于FRP材料加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)的研究開始于1996年，并于兩年后應(yīng)用于實(shí)際工程，當(dāng)時(shí)研究的材料以單向CFRP織物及片材為主，主要傾向?qū)扔薪Y(jié)構(gòu)的加固，發(fā)展趨向成熟階段并出版了相應(yīng)的技術(shù)規(guī)程包括有《碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS146）、上海地方標(biāo)準(zhǔn)《纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（DG/TJ08-012-2002）。2000年6年，我國(guó)首屆FRP混凝土結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)交流會(huì)在北京召開，主要對(duì)CFRP材料加固混凝土結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行了討論，F(xiàn)RP及FRP工程應(yīng)用專業(yè)委員會(huì)同年由中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土分會(huì)成立。2010年8月，由中冶建筑研究總院有限公司和國(guó)家工業(yè)建筑診斷與改造工程技術(shù)研究中心會(huì)同有關(guān)單位共同編制而成的與建筑用FRP材料相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《纖維增強(qiáng)復(fù)合材料建設(shè)工程應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（GB 50608-2010）頒布，并于2011年6月1日起實(shí)施，該規(guī)范以近年來(lái)我國(guó)在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料建設(shè)工程應(yīng)用領(lǐng)域的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及美國(guó)纖維增強(qiáng)聚合物鋼筋結(jié)構(gòu)混凝土的設(shè)計(jì)和施工指南及用于加固混凝土結(jié)構(gòu)的外粘FRP系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和施工指南為基礎(chǔ)進(jìn)行研究編制，內(nèi)容涵蓋材料特性、混凝土結(jié)構(gòu)加固及修復(fù)、砌體結(jié)構(gòu)加固及修復(fù)、FRP筋及預(yù)應(yīng)力FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件、FRP管組合構(gòu)件、FRP-混凝土組合梁等。隨著纖維增強(qiáng)復(fù)合材料實(shí)際應(yīng)用項(xiàng)目大量增加，生產(chǎn)制造工藝日趨成熟，使用成本得以下降，目前中國(guó)已經(jīng)成為FRP材料應(yīng)用的第一大國(guó)[4]。

3.結(jié)論

FRP材料并不用于完全取代現(xiàn)有材料，而是對(duì)傳統(tǒng)材料無(wú)法達(dá)到的性能提供一個(gè)有效的補(bǔ)充，其高強(qiáng)輕質(zhì)、耐腐蝕、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、塑性變形小、無(wú)磁性、易預(yù)制等傳統(tǒng)材料無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)都使其成為結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用及研究熱點(diǎn)。近幾十年來(lái)，各國(guó)都對(duì)FRP材料在結(jié)構(gòu)工程中的研究投入了極大的關(guān)注，并取得了明顯的成果，但仍有一些問(wèn)題及發(fā)展方向值得進(jìn)一步探究。

（1）目前中國(guó)已經(jīng)成為FRP材料應(yīng)用的第一大國(guó)，然而相比國(guó)外對(duì)其已制定的標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)在FRP在結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的規(guī)范還顯得非常不足；

（2）對(duì)于在結(jié)構(gòu)中應(yīng)用FRP材料的研究，F(xiàn)RP加固混凝土結(jié)構(gòu)方面的研究相對(duì)比較全面，F(xiàn)RP筋與混凝土組合結(jié)構(gòu)的研究還較多的集中于FRP筋與混凝土的粘結(jié)機(jī)理及FRP筋在混凝土中的錨固長(zhǎng)度，還需要更加全面深入的探究；

（3）另外，實(shí)踐項(xiàng)目較少，缺乏長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)驗(yàn)及實(shí)踐數(shù)據(jù)，也一定程度上限制了FRP受到更廣泛的關(guān)注與應(yīng)用。

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