外贴纤维增强塑料板的混凝土结构加固技术

何　颖　胡云飞

[摘要]介绍日本对纤维增强塑料(FRP)的基本性能研究和FRP板用于混凝土梁和柱的加固情况，并对该类结构的基本破坏模式进行简要讨论。

[关键词]纤维增强塑料(FRP)混凝土结构加固现状

中图分类号：TU3文献标识码：A文章编号：1671－7597(2009)0210082－02

一、纤维增强塑料简介

(一)材料组成情况

在日本利用FRP作为预应力钢筋应用于混凝土结构已近20年时间，引起了其他国家的广泛注意。在钢筋混凝土结构中，由于氯离子等腐蚀介质的侵入使钢筋生锈，促使人们想方设法解决钢筋的锈蚀问题。一个可能的办法是利用FRP代替钢筋，因为FILP有良好的耐腐蚀性，这是开展在混凝土结构中研究应用FRP的推动力之一。目前在FRP的应用和生产领域中，日本是世界上领先国家之一。根据日本土木工程协会(JSCE)关于碳纤维增强材料(CFRM)的质量标准，FRP可分为几类(图1)。

上述材料的生产方式为：先把碳纤维拉紧，然后用环氧树脂或乙烯醇树脂把纤维相互间粘结在一起。就连续纤维的使用来看，最常用的是碳纤维，芳纶纤维居其次。这些连续纤维的材料特点示于表1。

从表1可以看出，连续纤维的强度比平常的预应力钢筋高的多。然而，因为纤维脆性的存在，如果仅把纤维简单的捆在一起就不能获得这样高的强度。这是为什么要使用粘结材料的原因。

在上述材料中，碳纤维具有很高的耐腐蚀性，在化学物质如氯离子、硫酸以及苛性钠等作用下，其强度没有明显的下降。芳纶纤维抵抗化学物质和紫外线的能力略差于碳纤维，但仍具有比钢筋强地多的抵抗能力。

(二)材料力学性能

在JSCE的碳纤维增强材料质量标准中，对FRP的力学性能有详细描述。表2是日本生产的所有FRP材料力学性能。

1．A:D＜20mm B:D≥20mm；

2．保证强度是保证承载力除以名义面积而得；

3．采用不同试验方法的暂行数值；

4．取自碳纤维增强材料(CFRM)。

从表2可知，FRP的抗拉强度与常规的预应力钢筋处于同等水平，而其弹性模量低于预应力钢筋。

FRP的应力一应变曲线示于图2，它的曲线形状表明这种材料的破坏是由于突然的脆性断裂而不是延性屈服所致。

目前对FRP的长期力学性能研究成果大致可归纳如下：

(1)对碳纤维增强塑料(CFRP)，用于计算预应力损失的名义松弛率可假设为6％，对芳纶纤维增强塑料(AFRP)，其1000小时的松弛率大约为12％。

(2)徐变破坏强度与保证抗拉强。

度的比值与作用时间对数值成线性关系。对CFRP而言，该比值大约是0.85，它比AFRP的要大。虽然在碱和氯离子作用下，FRP材料的耐久性大大优于常规钢材，但仍缺乏足够的数据来定量说明耐久性如何。

二、纤维增强塑料薄板对混凝土结构的加固应用

在外贴钢板的加固方法中存在的困难促使人们采用纤维符合薄板来代替钢板。这种新型技术具有以下优点：①施工效率高；②对不同的加固部位和加固目的具有极强的适应性；③优异的耐久性；④施工完成后就能承载。

(一)纤维增强塑料薄板用于混凝土梁的加固

由于日本政府1991年2月颁布对道路结构的设计荷载变化，桥梁设计等级需要提高，桥梁老化需进行加固等，使混凝土桥梁承载力的提高成了一个重要的问题。自那时起，外贴FRP薄板进行加固的方法被日本建设省和其他机构采纳，进入实用阶段。具体加固方法是使用环氧粘结剂把单向纤维复合薄板粘结在构件受拉面上来加固混凝土构件。近年来，通过外贴纤维增强塑料薄板来翻新和加固混凝土结构和钢筋混凝土结构已经很常见，并对梁的抗弯强度、抗剪强度和刚度的改进开展了大量研究工作。

通过试验研究表明：①上述加固方法对控制和分散混凝土裂缝，提高现有结构的承载力和刚度具有明显的作用，例如：T梁加固后的抗剪能力比加固前提高60％－150％；②关于疲劳强度，Sakai等人认为在占结构极限强度40％的最大荷载作用下，结构加载200万次未发现强度衰减，而且在200万次荷载循环下，疲劳强度可达到极限荷载强度的50－60％。

(二)用于配筋混凝土桥墩和房柱的加固

在日本自1990年初就开展了用外贴FRP薄板加固配筋混凝土柱的研究。最初的研究是抗震加固技术，即在现有RC桥梁墩柱和房柱中的纵筋切断处用FRP薄板进行包裹加固。一系列研究表明，这种新技术能防止柱纵筋切断截面周围的剪切破坏，而且使最终的破坏发生于柱基处(图3)。这种加固技术在地震多发区的应用迅速增加，用以改进抗剪特性如桥墩和房柱的延性、抗剪和抗弯能力。

试验表明，结构延性能从未加强时3－4提高到7－11，而且最有效加固区域认为是自柱基处H－28(H为柱截面高度)的范围，即塑性铰区。许多论文报道了包箍混凝土的限制作用，研究者认为尽管抗压强度无明显提高但峰值荷载作用下的软化特性和极限应变有很好的改善，对减轻地震引发的剪切脆性破坏具有明显的改善作用。

(三)隧道衬砌的加固

对该方面的加固技术及坚固性评价方案的建立，目前处于研究中，实际应用较少。

三、FRP加劲混凝土结构的破坏模式

(一)顺FRP板于混凝土接触面的粘结破坏

当结构处于受弯剪时，FRP加劲混凝土结构或配筋混凝土结构的破坏方式有若干种，其中，粘结破坏是最重要的破坏形式之一。当FRP与混凝土接触面的裂缝灾难性扩散以后，在复合薄板与混凝土的粘结处会突然破坏。经过试验，从梁的侧面看，这种裂缝扩散总是产生于梁弯曲裂缝的底端，从而使外贴于梁底的FRP薄板撕裂开，构成粘结破坏。

(二)FRP加劲后混凝土结构破坏形式的转变

除了粘结破坏，由于FRP断裂、钢筋屈服、混凝土压碎、混凝土剪切开裂，也将对FRP薄板的延性、强度和加劲构件的刚度产生不同的作用。试验表明，如果截面内钢筋和FRP面积比例都很低，那么在钢筋屈服以后就产生FRP的断裂。假若FRP面积比例较高，破坏形式可能是混凝土压碎，而钢筋可能屈服或不屈服。

此外，FRP薄板的撕裂即使没有引起大面积的粘结破坏，也极可能加速FRP薄板的断裂或降低FRP薄板的抗拉强度。而且介于FRP薄板和纵筋之间的混凝土层将发生剪切破坏，进而导致FRP加劲结构的多种脆性破坏。

故混凝土结构外贴FRP薄板进行加强以后，破坏模式可能转变，尤其对梁的弯曲破坏影响较大，使梁的脆性增加。

四、结语

目前，日本正大量进行加固技术试验研究，以掌握FRP加劲结构的力学性能和拓展该技术的应用可能。

近来更多的研究多致力于开创各类分析途径和合理设计FRP加劲混凝土结构。通过该项技术的应用研究成果来看，可以作出如下结论：

1．在决定最合适的复合材料和加固策略时，如何根据结构等级提高后的不同力学性能，来决定加固材料数量等方面，应尽可能全面考虑弯曲、剪切延性、刚度和其他局部破坏可能性的综合影响。

2．对FRP加劲结构的破坏模式如钢筋屈服FRP断裂破坏、钢筋屈服一混凝土压碎、混凝土受压破坏和FRP薄板与混凝土接触面的粘结破坏等各类破坏特性继续进行深入研究。

3．对采用FRP板的加固方法进行深入的试验研究，目的在于提高基本认识和探讨其应用可能，然而同时开展大量、系统的分析研究和数值计算研究对创立和完善这项新的加固技术也是非常必要的。