FRP在結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用及發(fā)展

葛暢?劉廣春?王龍?黃國杰

摘要：FRP（纖維增強(qiáng)復(fù)合材料）近年來在混凝土結(jié)構(gòu)加固中得到廣泛的應(yīng)用，并作為一種新型高性能結(jié)構(gòu)材料受到結(jié)構(gòu)工程界的廣泛關(guān)注，國內(nèi)外有關(guān)研究和工程單位開展了大量的研究和實(shí)踐應(yīng)用。本文介紹了結(jié)構(gòu)工程中常用的FRP材料性能和形式，分析了其優(yōu)點(diǎn)與不足并介紹了FRP加固結(jié)構(gòu)、FPR配筋和預(yù)應(yīng)力筋混凝土結(jié)構(gòu) 、FRP結(jié)構(gòu)與FRP組合結(jié)構(gòu)以及FRP在橋梁結(jié)構(gòu)、大跨空間結(jié)構(gòu)和智能結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用與發(fā)展 以期促進(jìn)我國土建結(jié)構(gòu)工程中對(duì)這一新型高性能材料應(yīng)用和研究工作的開展。

關(guān)鍵詞：纖維增強(qiáng)復(fù)合材料;混凝土;結(jié)構(gòu)加固;組合結(jié)構(gòu);橋梁;大跨結(jié)構(gòu);智能結(jié)構(gòu)

1 概述

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（fiber reinforced polymer/plastic 簡(jiǎn)稱FRP）是由纖維材料與基體材料按一定比例混合并經(jīng)過一定工藝復(fù)合形成的高性能新型材料。這種材料從20世紀(jì)40年代問世以來在航空、航天、船舶、汽車、化工、醫(yī)學(xué)和機(jī)械等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。近年來以其高強(qiáng)、輕質(zhì)、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，開始在土木與建筑工程結(jié)構(gòu)中得到應(yīng)用并受到工程界的廣泛關(guān)注。

復(fù)合材料由增強(qiáng)材料和基體構(gòu)成根據(jù)復(fù)合材料中增強(qiáng)材料的形狀可分為顆粒復(fù)合材料、層合復(fù)合材料和纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等。FPR只是復(fù)合材料中的一種。常用的FRP的基體為樹脂、金屬、碳素、陶瓷等纖維種類有玻璃纖維、硼纖維、碳纖維、芳綸纖維、陶瓷纖維、玄武巖纖維、聚烯烴纖維、PBO纖維以及金屬纖維等。目前工程結(jié)構(gòu)中常用的FRP主要為碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維增強(qiáng)的樹脂基體分別簡(jiǎn)稱為GFRP、CFRP和AFRP。

FRP作為結(jié)構(gòu)材料出現(xiàn)于1942年，美國軍方用手糊的制作雷達(dá)天線罩。，20世紀(jì)50-60年代才開始用于民用建筑中。1961年英國的一座教堂的尖頂采用了GFRP，1968年，英國的工程師用GFRP板和鋁質(zhì)骨架在利比亞港口城市班加西設(shè)計(jì)并建造了一個(gè)穹頂，防止空氣中氯鹽對(duì)結(jié)構(gòu)的侵蝕;同年，英國又建成了一座全GFRP折板結(jié)構(gòu)的倉庫;1970年，英國建成了一座GFRP連續(xù)梁的人行天橋跨徑10m，寬5m。它們分別為文獻(xiàn)記載中較早將應(yīng)用于建筑和橋梁結(jié)構(gòu)中的實(shí)例，這些FRP結(jié)構(gòu)都是手糊工藝制成。

我國于1958年就開始探索在混凝土構(gòu)件中用玻璃纖維束代替鋼筋。到20世界70-80年代FRP在結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用與研究逐漸增多。1982年在北京密云建成一座跨徑20.7m的FRP蜂窩箱梁公路橋，設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為汽車-15、掛-80，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)，該橋?yàn)槭澜缟系谝蛔鵉RP公路橋。伺候，F(xiàn)RP，尤其是價(jià)格比較便宜的GFRP，在工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用越來越多。但這些應(yīng)用大多都是附屬性，臨時(shí)性的構(gòu)件，F(xiàn)RP材料的優(yōu)越性能沒有得到充分的發(fā)揮，即用FRP作為結(jié)構(gòu)材料也是嘗試性的，沒有形成規(guī)模。同時(shí)，多數(shù)的結(jié)構(gòu)工程師不了解FRP材料，也大大限制了它的應(yīng)用和推廣。

現(xiàn)階段很多房屋、橋梁、隧道等建筑物，由于材料老化、荷載增加、結(jié)構(gòu)部分損壞、使用功能改變、設(shè)計(jì)與施工缺陷以及地震、戰(zhàn)爭(zhēng)等原因.均會(huì)導(dǎo)致原有結(jié)構(gòu)的承載力滿足不 了要求，為此，需進(jìn)行加周和修復(fù)。常規(guī)的加固方法有增大截面加固、預(yù)應(yīng)力加固、粘鋼加固、隔震或消震加固等。由于 FRP 眾多的優(yōu)點(diǎn).在許多情況下 比傳統(tǒng)加同方法更有優(yōu)勢(shì)，并已得到越來越廣泛的應(yīng)用。本文對(duì)我國 FRP在結(jié)構(gòu)工程 中的研究、應(yīng)用情況做梗概介紹。

2 FRP材料

2.1 纖維與樹脂

FRP的材料性能與鋼材和混凝土等傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料有很大的不同，其制品形式也多種多樣。纖維是FRP中的主要受力材料，可分為長纖維和短纖維，工程結(jié)構(gòu)中使用的以長纖維增強(qiáng)為主。常用纖維的主要力學(xué)性能及其與鋼材和鋁的對(duì)比可見纖維材料的比強(qiáng)度為鋼材的20-50倍，高強(qiáng)輕質(zhì)性能十分突出;碳纖維的比模量為鋼材的5-10倍，芳綸纖維的比模量為鋼材的2-3倍，玻璃纖維的比模量與鋼材相當(dāng)。單從比強(qiáng)度和比模量來看，實(shí)際工程以碳纖維材料應(yīng)用效果最佳，但碳纖維材料的延伸率很小，因此有時(shí)需要配合其他纖維混合應(yīng)用，以取得更佳的綜合性能。

2.2 FRP材料的特點(diǎn)

材料的性能與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料有很大差別，了解和掌握FRP材料的優(yōu)缺點(diǎn)才能在工程結(jié)構(gòu)應(yīng)用中充分發(fā)揮它的優(yōu)勢(shì)，避免其不足。

FRP具有以下優(yōu)點(diǎn)

2.2.1 有很高的比強(qiáng)度，即通常所說的輕質(zhì)高強(qiáng)因此采用FRP材料可減輕結(jié)構(gòu)自重。在橋梁工程中使用FRP結(jié)構(gòu)或FRP組合結(jié)構(gòu)作為上部結(jié)構(gòu)可使橋梁的極限跨度大大增加。理論上，用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料橋梁的極限跨度在5000m以內(nèi)，而上部結(jié)構(gòu)使用FRP結(jié)構(gòu)可達(dá)8000m以上。

2.2.2 有良好耐腐蝕性.可以在酸、堿、氯鹽和潮濕的環(huán)境中長期使用。這是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料難以比擬的。在美國每年因鋼材腐蝕造成的工程結(jié)構(gòu)損失高達(dá)700億美元，近1/6 的橋梁因鋼筋銹蝕而嚴(yán)重?fù)p壞;加拿大用于修復(fù)因老化損壞的工程結(jié)構(gòu)的費(fèi)用達(dá)400億加元;我國目前因剛才銹蝕造成的損失也在逐年增加。

2.2.3 具有很好的可設(shè)計(jì)性。FRP屬于人工材料可以通過使用不同的纖維材料、纖維含量和鋪陳方向設(shè)計(jì)出各種強(qiáng)度指標(biāo)、彈性模量以及特殊性能要求的FRP產(chǎn)品。而且FRP產(chǎn)品成型方便，形狀可靈活設(shè)計(jì)。

2.2.4 具有很好的彈性性能，應(yīng)力應(yīng)變曲線接近線彈性。在發(fā)生較大變形后還能恢復(fù)原狀，塑性變形小，有利于結(jié)構(gòu)偶然超載后的變形恢復(fù)。

2.2.5 產(chǎn)品適合于在工廠生產(chǎn)、運(yùn)送到工地、現(xiàn)場(chǎng)安裝的工業(yè)化施工過程 有利于保證工程質(zhì)量、提高勞動(dòng)效率和建筑工業(yè)化。

2.2.6 其它優(yōu)勢(shì) 包括透電磁波、絕緣、隔熱、熱脹系數(shù)小等 。 使得FRP在一些特殊場(chǎng)合能夠發(fā)揮難以取代的作用，如雷達(dá)設(shè)施、地磁觀測(cè)站、醫(yī)療核磁共振設(shè)備結(jié)構(gòu)。

與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料不同，制品通常為各向異性，沿纖維方向的強(qiáng)度和彈性模量較高，而垂直纖維方向的強(qiáng)度和彈性模量很低。由于FRP的各向異性在受力性能上還有許多不同于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料的現(xiàn)象如拉伸翹曲現(xiàn)象，這些都會(huì)增加FRP結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)難度。

與鋼材相比，大部分FRP產(chǎn)品的彈性模量較低大致與混凝土和木材在同一數(shù)量級(jí)。因此FRP結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)通常由變形控制。可通過設(shè)計(jì)構(gòu)件的截面、合理地與混凝土等材料組合以及采用預(yù)應(yīng)力等方法控制結(jié)構(gòu)的變形，補(bǔ)償剛度的不足。

材料的剪切強(qiáng)度、層間拉伸強(qiáng)度和層間剪切強(qiáng)度僅為其抗拉強(qiáng)度的5%-20%，而金屬的剪切強(qiáng)度約為其拉伸強(qiáng)度的50%。這使得FRP構(gòu)件的連接成為突出的問題。FRP結(jié)構(gòu)可采用鉚接、栓接和粘接但不管哪種連接方式，連接部位往往都容易成為整個(gè)構(gòu)件的薄弱環(huán)節(jié)。因此在FRP結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，一方面要盡量減少連接，另一方面要重視連接的設(shè)計(jì)。

與混凝土相比較，一般的FRP材料的防火性能較差，主要是由于多數(shù)樹脂在高溫下會(huì)軟化，在樹脂達(dá)到軟化溫度時(shí)力學(xué)性能會(huì)大大降低，達(dá)到玻璃化溫度時(shí)性態(tài)就會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變。但在FRP的樹脂材料中可摻入阻燃劑，提高其抗火性能。目前摻入阻燃劑的環(huán)氧樹脂復(fù)合成的CFRP表面再進(jìn)行防火處理，其效果已經(jīng)可以與混凝土結(jié)構(gòu)相媲美了。

一些研究已經(jīng)表明FRP材料本身的抗疲勞性能優(yōu)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料。但值得重視的是，初始缺陷和工作環(huán)境對(duì)FRP材料抗疲勞性能的影響非常顯著。因此實(shí)際工程中的FRP結(jié)構(gòu)整體的抗疲勞性能還需要進(jìn)行深入的研究。

材料的長期性能和耐久性是很多工程師和使用者所十分關(guān)心的問題。目前許多FRP產(chǎn)品供應(yīng)商都通過快速老化試驗(yàn)來證明其產(chǎn)品的壽命在35年以上，甚至達(dá)到，70 年。但是FRP材料誕生也不過60多年，應(yīng)用于土木工程中也僅，40余年。還應(yīng)注意的是FRP耐久性不僅僅是材料老化，還包括溫度和濕度變化的影響、FRP的蠕變和應(yīng)力松弛以及FRP與混凝土堿性反應(yīng)等問題，而且在實(shí)際環(huán)境下這些因素是共同作用、相互影響的。

經(jīng)濟(jì)性也是所有工程師和使用者都很關(guān)心的問題。僅從材料價(jià)格上看FRP結(jié)構(gòu)和FRP組合結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比沒有競(jìng)爭(zhēng)力，但由于自重輕并考慮到FRP材料耐腐蝕所帶來的低廉的維護(hù)費(fèi)用采用FRP材料的綜合經(jīng)濟(jì)效益是值得重視的。

3 加固領(lǐng)域的應(yīng)用

目前，F(xiàn)RP片（布 ）材在土木工程加固領(lǐng)域中的研究是開展最早、研究最多的一個(gè)領(lǐng)域。在我國應(yīng)用也最廣泛。

3.1 抗彎加固

3.1.1 碳纖維布加固混凝土梁

我國各地研究院等單位完成了較多的 FRP加固混凝土梁的試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，CFRP加固后梁的破壞類型主要有 9種 ：（1）受壓區(qū)混凝土壓壞;（2）CFRP拉斷破壞;（3）剪切破壞;（4）端部保護(hù)層混凝土粘結(jié)破壞（混凝土粘在 CFRP上）;（5）混凝土一膠界面粘結(jié)破壞（混凝土幾乎沒有粘在 CFRP上）;（6）膠一CFRP界面粘結(jié)破壞;（7）CFRP— CFRP界面粘結(jié)破壞：（8）從梁中部彎曲裂縫處開始的粘結(jié)破壞;（9）從剪切裂縫處開始的粘結(jié)破壞。研究還指出，不同的破壞類型其承載力計(jì)算方法不同。

3.1.2 埋人式 FRP筋加固混凝土結(jié)構(gòu)

近幾年，預(yù)應(yīng)力 FRP片材加 固結(jié)構(gòu)技術(shù)受到了較多的關(guān)注。但存在一些不盡人意的地方，包括：（1）對(duì)無樹脂連續(xù)纖維進(jìn)行張拉時(shí)。初始預(yù)應(yīng)力過低 （當(dāng)初始 預(yù)應(yīng)力為極限應(yīng)力的 30%左右 就有纖維絲開始斷裂 ），再扣除錨固損失，松弛損失等.可 導(dǎo)人的有效預(yù)應(yīng)力低，加固效果不明顯，經(jīng)濟(jì)性也不好。（2）若先在連續(xù)纖維外涂刷樹脂，后進(jìn)行張拉，其張拉控制應(yīng)力可以達(dá)到極限應(yīng)力的 60%左右 ，但由于樹脂硬化以后，片材剛度和硬度均較大，很難保證與結(jié)構(gòu)表面粘貼密實(shí)，特別是在鹽害、混凝土脫落比較嚴(yán)重及梁有反拱等情況下，容易發(fā)生粘結(jié)破壞。（3）南于是外貼式的加固.其耐久性還是一個(gè)課題針對(duì)體外預(yù)應(yīng)力 FRP索和預(yù)應(yīng)力 FRP片材加 同結(jié)構(gòu)的不足。東南大學(xué)等提出了埋人式預(yù)應(yīng)力 FRP索加 固結(jié)構(gòu)新技術(shù)，并申請(qǐng)了專利。主要思路是：在混凝土內(nèi)開出槽道，在槽道內(nèi)張拉 FRP索.然后在 槽道內(nèi)灌注樹脂，等樹脂硬化后再釋放預(yù)應(yīng)力，并采取適當(dāng)?shù)亩瞬繎?yīng)力消除措施，解除端部不必要的負(fù)擔(dān)，也可采取適當(dāng)錨固措施來加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的可靠性。

3.2 抗剪加固

國內(nèi)較多單位研究了 CFRP抗剪加 固鋼筋混凝土梁后的承載力、破壞特征和機(jī)理：探討了 CFRP粘 貼方式、梁的剪跨比等參數(shù)對(duì)加固效果的影響。試驗(yàn)表明，CFRP加固后梁的受剪破壞特征類似于普通混凝土梁，粘貼在梁側(cè)面的CFRP會(huì)發(fā)生兩種破壞形態(tài)，分別為 CFRP被拉斷和粘結(jié)破壞混凝土被拉下。發(fā)生哪種破壞，主要南 CFRP的錨 固性能所決定：粱破壞時(shí).靠近支座處 的斜裂縫在梁底部，對(duì) U形條帶，該處 CFRP有較大的錨同長度，所以，往往發(fā)生CFRP被拉斷的破壞：而靠近加載點(diǎn)處的斜裂縫在梁頂部通過.該 處 CFRP錨 同長度很短，故往往發(fā)生粘結(jié)破壞?？梢?錨固性能的保證對(duì)加固效果影響很大。

3.3 FRP約束混凝土的性能

國內(nèi)外對(duì) FRP約束性 能進(jìn)行了較多的研究，結(jié)果表明：（1）FRP約束混凝土圓柱可顯著提高其強(qiáng)度和延性，但由于 FRP是線 彈性材料，其破壞有明顯的脆性，其約束性能與箍筋、鋼管等約束有明顯區(qū)別。已有的箍筋或鋼管約束混凝土圓柱的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系模型不能直接用于 FRP約束混凝土。（2）FlIP約束混凝土圓柱體后的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系曲線可能有、或無軟化段。曲線有無軟化段主要與 FRP約束混凝土的側(cè)向約束強(qiáng)度和未約束混凝土的強(qiáng)度比有關(guān)。無軟化段時(shí)的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系曲線近似由兩條上升的曲線組成.并 可以用三折線模型來確定 FRP約束混凝 土無軟化段時(shí)的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系曲線。有軟化段時(shí)的應(yīng)力一應(yīng)變曲線也可用相應(yīng)的模型確定。

3.4 FRP約束混凝土抗震性能

FRP在抗震加固方面非常有優(yōu)勢(shì) .特別是性價(jià)比和極限延性好的玄武巖纖維開發(fā)成熟，能進(jìn)一步推動(dòng)其應(yīng)用。圖3所示為玄武巖纖維加固方柱前后滯回曲線的比較，結(jié)果表明：標(biāo)準(zhǔn)柱 S一0、CL一0的峰值 荷載、極限位移很小。破壞為剪切粘結(jié)破壞;對(duì)于加固方柱，S—BF峰值荷載、極限位移分別達(dá)到 765kN、35.10ram。FRP加 固墩柱可以轉(zhuǎn)變?cè)嚰钠茐男螒B(tài)、有效改善試件的抗震性能。加固柱相對(duì)于未加固對(duì)比柱具有更好的耗能能力及更慢的強(qiáng)度退化。可見，連續(xù)玄武巖纖維 （CBF）絲柬纏繞加固墩柱為我們提供了又一種FRP墩柱抗震加固的選擇，其具有與 CFRP相似的墩柱抗震加固效果，有著耐腐蝕、質(zhì)量輕、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，更具有成本低、價(jià)格便宜等獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，其在工程上的應(yīng)用還需要進(jìn)一步的大量研究。

3.5 體外預(yù)應(yīng)力 FRP索加固結(jié)構(gòu)

由于 FRP耐腐蝕，近年來，作為鋼絞線的替代材料被施加預(yù)應(yīng)力后用于結(jié)構(gòu)的加固，該方法可以平衡掉部分恒載，較大幅度地提高結(jié)構(gòu)承載力與剛度具有一定的優(yōu)勢(shì)。日本茨城大學(xué)對(duì) CFRP索增強(qiáng) 混凝土梁的抗彎性能進(jìn)行了研究，研究包括：CFRP索的力學(xué)性能;體內(nèi) CFRP索增強(qiáng)混凝土梁的抗彎性能 （包括有粘結(jié) 、無粘結(jié)、施加預(yù)應(yīng)力和不施加預(yù)應(yīng)力 ）;以及體外 CFRP索增 強(qiáng)混凝土梁的抗彎性能。國外也已有用體外 CFRP索加 固橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)例。

4 總結(jié)與展望

雖然 FRP在土木工程 中的應(yīng)用歷史不長，但已經(jīng)得到國際工程界的普遍認(rèn)同.成為各國研究開發(fā)的熱點(diǎn) ，并已取得大量的有價(jià)值的研究成果。但我國研究與應(yīng)用歷史不長，與發(fā)達(dá)國家還有不少差距，我們認(rèn)為還有以下的不足之處和急需加以提高的：

4.1 基礎(chǔ)及應(yīng)用研究工作不夠深入

我國目前進(jìn)行的研究與國外相比還相對(duì)膚淺，特別是基礎(chǔ)理論研究還不夠深入和系統(tǒng)，以 FRP約束混凝 土抗震性能為例：近年來，國內(nèi)學(xué)者在該領(lǐng)域已做了不少的研究。但總的來說.該領(lǐng)域 內(nèi)的研究有以下幾個(gè)特征：實(shí)踐應(yīng)用超前于理論研究;試驗(yàn)研究多于理論分析;定性結(jié)論多，定量計(jì)算公式少。有關(guān) FRP約束混凝土抗震性能 的理論分析及設(shè)計(jì)方法，在我國目前的規(guī)范中還是空白。

4.2 技術(shù)規(guī)范化程度不夠

國外。很多國家在 20世紀(jì) 90年代即完成 了較多的規(guī)程，如日本，已經(jīng)有 1O多種有關(guān)材 料、設(shè)計(jì)、施工、檢測(cè)等規(guī)范和規(guī)程。從 1999年開始，我國開始 了有關(guān) FRP加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程的編制，目前已完成《碳纖維片材加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，但其它規(guī)程的編制還有大量的工作要做。

4.3 工程應(yīng)用盲目、不規(guī)范的現(xiàn)象較多

FRP具有很多的優(yōu)點(diǎn)，但也有很多不足之處，所以，我們要提倡在工程中合理、科學(xué)地選擇應(yīng)用 FRP，一方 面，現(xiàn)在 FRP的類 型和形式越來越多.我們 要選擇最合適的進(jìn)行應(yīng)用，另一方面。要避免為使用 FRP而應(yīng) 用 FRP的情況 ，很多時(shí)候用傳統(tǒng)的建筑材料、或者傳統(tǒng)的技術(shù)就能解決工程問題，就盡量不用 FRP.畢竟 ，現(xiàn)在用 FRP很多時(shí)候還不 是很經(jīng)濟(jì)。不過，我們也相信，隨著國家有關(guān)部門的重視、國家對(duì)該領(lǐng)域資助的增強(qiáng)，以及全體科技人員的努力下，我國FRP在土木工程中研究和應(yīng)用的水平會(huì)得到很大的提高。

4.4 對(duì)新材料的應(yīng)用要客觀和科學(xué)

以玄武巖纖維為例，玄武巖纖維是一種新的纖維材料，也是一種天然綠色的無機(jī)材料。我國礦產(chǎn)資源豐厚，已掌握其核心生產(chǎn)技術(shù)。我們要對(duì)其進(jìn)行深人研究，客觀地宣傳，合理地使用。發(fā)揮其價(jià)低、無機(jī)、延性好等優(yōu)點(diǎn)，特別要對(duì)部分不法施工企業(yè)以玄武巖纖維慌稱是碳纖維在工程中使用的不規(guī)范現(xiàn)象。隨著玄武巖纖維及其復(fù)合材料生產(chǎn)工藝的改善，其性能有望進(jìn)一步得到提高。應(yīng)盡快地制定規(guī)范、在研究過程中注意與其它纖維、混雜纖維的比較研究。

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