FRP材料在建筑工程結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用

韓霖

摘 要：FRP材料質(zhì)量輕、強(qiáng)度高，使得其在加固領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。對FRP材料加固技術(shù)進(jìn)行梳理，按照梁的抗彎抗剪加固、板的抗彎加固、柱的加固、節(jié)點(diǎn)加固和墻體加固五個應(yīng)用類型，以及粘貼加固、嵌入式加固、預(yù)應(yīng)力加固和復(fù)合加固四個加固方式，從多個角度對FRP材料加固技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢作了全面分析，以期對FRP材料加固技術(shù)的研發(fā)提供參考。

關(guān)鍵詞：FRP；加固；應(yīng)用類型；加固方式

中圖分類號：TU5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：2096-6903（2023）04-0022-03

0 引言

經(jīng)過長時間的使用，建筑結(jié)構(gòu)的安全、適用性和耐久度都會有所降低，建筑的使用壽命也會縮短，影響正常使用。拆除重建會造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，因此通常的做法是對建筑物進(jìn)行維修、加固，使其恢復(fù)使用性能。

傳統(tǒng)的加固方法有加大截面法、粘鋼法、外包鋼法、預(yù)應(yīng)力法、噴射混凝土法、增設(shè)構(gòu)件法等。這些加固方法雖然能夠改善結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度和抗震性，但存在明顯的不足。例如：加大截面法和噴射混凝土法加固會使得結(jié)構(gòu)自重過大；粘鋼法和外包鋼法加固又會破壞結(jié)構(gòu)的外觀，對原結(jié)構(gòu)的美觀性造成影響；預(yù)應(yīng)力法加固依賴于預(yù)應(yīng)力的施加是否到位，加固效果有待驗(yàn)證；增設(shè)構(gòu)件法加固可能會影響原結(jié)構(gòu)的使用功能。基于上述不足，需要研究一種新型的加固技術(shù)。

1FRP材料的特點(diǎn)與優(yōu)勢

FRP是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料[1]（Fiber Reinforced Plastic）的統(tǒng)稱。按高分子材料來分，F(xiàn)RP可分為碳纖維增強(qiáng)材料（CFRP）、玻璃纖維增強(qiáng)材料（GFRP）和芳綸纖維增強(qiáng)材料（AFRP）等。按材料的形狀來分，可分為片材、棒材和網(wǎng)格狀材料，其中應(yīng)用最廣泛的是片材[2，3]。

相較于傳統(tǒng)的鋼材、混凝土等結(jié)構(gòu)材料，F(xiàn)RP材料質(zhì)量更輕、導(dǎo)熱系數(shù)更小，且FRP材料幾乎沒有明顯的疲勞極限，即使有了裂縫損傷，其仍能夠繼續(xù)承擔(dān)荷載作用，力學(xué)性能優(yōu)異，能夠明顯增加結(jié)構(gòu)的耐久性和抗裂性。

相較于傳統(tǒng)的加固方法，F(xiàn)RP材料加固具有強(qiáng)度更高、施工更高效優(yōu)勢，同時對結(jié)構(gòu)的外觀影響較小。FRP的輕質(zhì)特性使得加固后的結(jié)構(gòu)不會明顯增加自重和體積。此外，F(xiàn)RP材料加固不受結(jié)構(gòu)類型和形式的影響，任何結(jié)構(gòu)構(gòu)件均能適用。

總之， FRP材料具有優(yōu)異的物理性能，同時輕質(zhì)高強(qiáng)，能夠抵抗疲憊，耐腐蝕；且FRP材料易剪裁，可以根據(jù)需要剪裁成任意形狀、任意大小以滿足加固要求，在施工中使用更加方便。因此，F(xiàn)RP材料在建筑工程結(jié)構(gòu)加固應(yīng)用中有著巨大的潛力。

2 RP材料在建筑工程結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 FRP材料在結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用類型

2.1.1 梁的抗彎、抗剪加固

在梁的受拉面內(nèi)嵌或外貼FRP材料，可以對梁進(jìn)行抗彎加固。其具體施工方式是：先對梁底的粘貼區(qū)域進(jìn)行處理，去除松動或薄弱的表層結(jié)構(gòu)，再對外露的混凝土層進(jìn)行打磨，以提高混凝土與FRP材料之間的粘結(jié)可靠度，最后使用專門的膠黏劑貼覆緊密。粘貼FRP板的鋼筋混凝土梁如圖1所示。

用FRP材料進(jìn)行梁的抗剪加固，方式主要有纏繞加固、U型箍加固、僅在梁側(cè)面貼FRP加固等。雖然方式各有不同，但其原理均是利用FRP條對梁側(cè)混凝土的緊固力，提高梁的抗剪力。

2.1.2 板的抗彎加固

與梁的抗彎加固類似，板的抗彎加固也是將FRP材料粘貼于板的受拉面。與梁的抗彎加固不同之處在于，由于混凝土板具有一定的長寬尺寸，而FRP材料通常是以條狀或者帶狀形式出現(xiàn)，故在對單向板進(jìn)行加固時，通常將FRP材料沿混凝土板的短跨方向粘貼，對雙向板進(jìn)行加固時，通常是沿橫、縱兩個方向粘貼FRP材料。粘貼FRP條帶的混凝土板如圖2所示。

2.1.3 柱的加固

FRP材料在混凝土柱的加固中，比較常用的方法是外包纖維布和條帶，纖維布可以采用單向或雙向形式，由樹脂浸潤后，粘貼包裹在柱的表面，纖維的方向沿柱的環(huán)向設(shè)置。在進(jìn)行包裹時，可以采用單層或多層纖維布完全包裹，也可以采用連續(xù)螺旋箍或間隔環(huán)箍的方式進(jìn)行局部包裹。外包FRP加固鋼筋混凝柱如圖3所示。

2.1.4 梁柱節(jié)點(diǎn)加固

對梁柱的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加固的目的主要是為了提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能，進(jìn)而延長建筑的使用壽命。在節(jié)點(diǎn)處纏繞或粘貼FRP材料，可以提高節(jié)點(diǎn)處的承載力極限，降低節(jié)點(diǎn)的裂紋發(fā)生開率。節(jié)點(diǎn)加固詳圖如圖4所示。

2.1.5 墻體加固

在設(shè)計(jì)階段，對部分砌體墻結(jié)構(gòu)往往只考慮重力載荷和風(fēng)載荷，而忽略了地震荷載的作用，因此砌體墻無法很好地滿足抗拉、抗剪及抗彎要求，抗震性能較差。為了提高墻體的抗震能力，通常是在墻體表面沿著對角線方向交錯貼設(shè)FRP材料，以提高墻體的抗彎和抗剪性能，減少裂縫的產(chǎn)生。此種方法也可以用于修補(bǔ)已經(jīng)開裂的墻體。墻體加固詳圖如圖5所示。

2.2 FRP材料的加固方式

2.2.1 粘貼式FRP加固

根據(jù)FRP材料對梁、板、柱以及節(jié)點(diǎn)的加固應(yīng)用可知，F(xiàn)RP材料在加固結(jié)構(gòu)構(gòu)件時，通常有兩種方式：一是將FRP片材沿構(gòu)件的縱向粘貼設(shè)置，以提高構(gòu)件的抗拉、抗彎性能；另一種是將FRP片材沿橫向粘貼于構(gòu)件兩側(cè)，或?qū)RP材料設(shè)置成U形箍以及環(huán)形箍，以提高構(gòu)件的抗剪、抗壓和抗震性能。上述兩種方法統(tǒng)稱為粘貼式FRP，后續(xù)又發(fā)展出了嵌入式FRP加固、預(yù)應(yīng)力FRP加固以及復(fù)合加固技術(shù)。

2.2.2 嵌入式FRP加固

嵌入式FRP加固是先在混凝土表面開槽，然后將FRP筋或FRP板條和樹脂置于槽中，以達(dá)到加固目的。

2.2.3 預(yù)應(yīng)力FRP加固

預(yù)應(yīng)力FRP加固結(jié)合了預(yù)應(yīng)力加固與FRP加固的優(yōu)勢，通過對FRP 材料施加預(yù)應(yīng)力，不僅能使FRP高強(qiáng)的優(yōu)勢能夠得到充分地發(fā)揮，還能使結(jié)構(gòu)在使用極限時的狀態(tài)能夠得到改善。

2.2.4FRP與鋼板復(fù)合加固

由于單獨(dú)粘貼FRP加固梁，會使梁的延性大大降低，而單獨(dú)粘貼鋼板加固梁，又對受拉鋼筋屈服后梁的抗彎承載力提高有限?？紤]到兩種加固方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，可以將這兩者加固方式結(jié)合進(jìn)行復(fù)合加固，使FRP材料和鋼板能夠共同協(xié)調(diào)工作，各自發(fā)揮其優(yōu)勢。

3FRP材料在建筑工程結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用發(fā)展歷程

FRP材料在建筑工程結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用研究主要集中在中國、日本和韓國。其中，日本的研究起步最早，起步于1990年，在1996—2006年間得到了快速發(fā)展，但日本對于節(jié)點(diǎn)加固申請很少，研究重點(diǎn)主要在于通過粘貼的方式加固梁、板、柱，對于嵌入式加固和預(yù)應(yīng)力加固的研究較少。韓國的研究主要集中在梁、板、柱的加固，對于梁的加固方式在粘貼加固、嵌入式加固和預(yù)應(yīng)力加固方面均有涉獵。

國內(nèi)對FRP材料在建筑工程結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用研究起步較晚，始于2000年前后，經(jīng)歷了2002—2008年緩慢增長期和2010年至今的高速發(fā)展期。這與我國2008年發(fā)生汶川特大地震，國家和政府出臺相應(yīng)的結(jié)構(gòu)修復(fù)和加固政策密不可分。相較于日韓兩國的研究范圍局限性，我國在FRP材料用于建筑工程結(jié)構(gòu)加固方面的研究所涉范圍最廣，在梁、板、柱、墻和節(jié)點(diǎn)5大應(yīng)用類型，并對各應(yīng)用類型下所采用的加固方式均進(jìn)行了研究。但是研究重點(diǎn)仍集中在梁、板、柱的加固，對于節(jié)點(diǎn)加固和墻體加固的研究較少，且對于梁、板的加固重點(diǎn)在于采用預(yù)應(yīng)力加固，而復(fù)合加固多用于柱的加固。

在FRP材料應(yīng)用于建筑工程結(jié)構(gòu)方面，粘貼加固技術(shù)出現(xiàn)最早，首次出現(xiàn)在1990年日本的專利申請中，用于加固墻體（JPH04336242A）。隨后，對于粘貼加固的研究主要集中在如何保證FRP的固定效果，并依次提出了通過釘子固定（JPH1058571A）和通過固定器固定FRP材料（JP4314163B2）。考慮到FRP材料粘貼到表面后容易剝離，日本首次提出了嵌入式加固，即在待加固結(jié)構(gòu)表面開槽，將FRP筋或FRP板條和樹脂置于其中來達(dá)到加固目的（JP2003176508A）。進(jìn)一步的，長沙理工大學(xué)提出了將嵌入式加固與粘貼加固相結(jié)合（CN101691817A），在待加固結(jié)構(gòu)表面間隔開槽，將FRP材料部分至于槽中。

在粘貼加固的基礎(chǔ)上，日本又于2002年提出了預(yù)應(yīng)力FRP加固技術(shù)（JP2003328561A），通過對FRP施加預(yù)應(yīng)力，加固后的結(jié)構(gòu)其開裂荷載、屈服荷載、極限荷載的提高幅度遠(yuǎn)大于非預(yù)應(yīng)力加固的提高幅度，并能有效改善裂縫的發(fā)展。為了保證預(yù)應(yīng)力的有效施加，同濟(jì)大學(xué)提出了對預(yù)應(yīng)力錨具進(jìn)行改進(jìn)（CN102418318A），改進(jìn)點(diǎn)在于采用卷筒法方式，實(shí)現(xiàn)對FRP布材的有效錨固，避免FRP的剪切破壞。

2011年，在嵌入式加固與預(yù)應(yīng)力加固的基礎(chǔ)上，長沙理工大學(xué)又提出了嵌入式和預(yù)應(yīng)力加固相結(jié)合的方法（CN102304958A）。在采用嵌入式加固的基礎(chǔ)上，對FRP材料施加預(yù)應(yīng)力，能夠進(jìn)一步提高加固效果。

復(fù)合加固最早是由武漢大學(xué)提出的，其采用鋼板和FRP材料綜合加固混凝土梁，使鋼板與FRP材料共同協(xié)調(diào)工作，增強(qiáng)了梁的延性，與采用單一的加固方式相比，顯著提高了梁的承載力。

從上述發(fā)展過程看出，我國在FRP材料在建筑工程結(jié)構(gòu)加固的應(yīng)用研究上，主力集中在高校層面，雖然具備一定的技術(shù)儲備，但產(chǎn)學(xué)研接合程度有待加強(qiáng)。且各高校的研究重點(diǎn)在于FRP材料的嵌入式加固、預(yù)應(yīng)力加固和復(fù)合加固，粘貼加固研究較少，這與通過粘貼方式進(jìn)行加固在國內(nèi)外研究比較成熟有一定關(guān)系。

4 結(jié)語

綜合FRP材料在建筑工程結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用發(fā)展可知，我國對FRP加固技術(shù)的研究仍有較大的可挖掘空間，為了將FRP加固技術(shù)能更加標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范地用于建筑工程結(jié)構(gòu)加固，還需要進(jìn)行更深入、更系統(tǒng)的研究。

以后研究方向主要有以下3點(diǎn)：①FRP預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)有待進(jìn)一步研究。預(yù)應(yīng)力加固的優(yōu)勢十分明顯，而將FRP材料施加預(yù)應(yīng)力后再用于加固，可以充分發(fā)揮FRP材料的高強(qiáng)度性能，可以有效提高建筑結(jié)構(gòu)的承載力和耐久性。②FRP粘貼加固的施工方法有待進(jìn)一步改進(jìn)。現(xiàn)階段，F(xiàn)RP粘貼加固主要采用人工施加膠黏劑實(shí)現(xiàn)粘貼，效率低下，且膠黏劑有刺激性，為了提高施工效率，保證施工人員的健康，需要進(jìn)一步研究機(jī)械化的施工方法。③多種纖維材料混合應(yīng)用的研究有待進(jìn)一步加強(qiáng)。FRP材料在纖維種類方面具有多樣性，而不同的纖維材料又有不同的特點(diǎn)，后續(xù)可以基于不同纖維材料在加固方面的特點(diǎn)，綜合考慮后進(jìn)行混合應(yīng)用，以提高建筑結(jié)構(gòu)的承載力，同時又兼顧經(jīng)濟(jì)性和延性改善方面的要求。

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