FRP在工程结构加固的应用

郭文杨 刘敬涛

（1.盘锦市建设工程招标投标管理办公室 辽宁 盘锦 123000；2.盘锦经济开发区建设工程服务中心 辽宁 盘锦 123000）

0 引言

FRP是纤维增强复合材料的统称。所谓复合材料是由增强体和基体构成，根据复合材料中增强体的几何形态，可以分为纤维增强复合材料、颗粒增强复合材料、薄片增强复合材料和叠层增强复合材料四种。FRP中的基体种类有：树脂基体、金属基体、陶瓷基体和碳素基体等；纤维种类有：玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维、聚烯烃纤维以及金属纤维等。组分不同，FRP的性能会有很大的差别。目前土木工程中常用的FRP材料主要是树脂基体的玻璃纤维(GFRP)、碳纤维(CFRP)、玄武岩纤维（BFRP）和芳纶纤维(AFRP)。它们的力学性能参数变化范围很大，因此在工程中有很大的灵活性，具有可设计性。

1 FRP材料在工程结构中应用的优势

结构工程中常用FRP的主要性能参数与钢筋的对比[1]。可知FRP的比强度(拉伸强度/密度)为钢材的20～50倍，轻质高强性能突出；CFRP的比模量(弹性模量/密度)为钢材的5～10倍，AFRP的比模量为钢材的2～3倍，GFRP的比模量与钢材相当。因此，FRP材料可大大减轻结构自重。此外，FRP还具有一些其它优点:（1）FRP具有良好的抗腐蚀性能，可以在酸、碱、盐和潮湿环境下抵抗化学腐蚀，因此，FRP材料非常适合在一些特殊工程中代替或部分代替传统建筑结构材料；（2）FRP的弹性性能好，应力—应变曲线接近线性，在发生较大变形后还能恢复原状，塑性变形很小，这对于承受较大动载和冲击荷载的结构比较有利；（3）FRP具有较好的设计性，可以通过采用不同纤维种类、控制纤维含量和铺衬方向以及成型工艺等方法设计出各种强度和弹性模量的FRP产品，以满足工程的特殊使用要求；（4）FRP产品具有绝缘、隔热、抗电磁波、不导磁、热膨胀系数小等特点。因此FRP复合材料具有传统材料(如钢材)无法比拟的优势。

2 FRP加固技术发展简介

FRP用于结构加固始于20世纪80年代日、欧、美等发达国家，1982年，Meier[2]首先在瑞士联邦材料实验室进行了CFRP加固混凝土的试验研究。随后，许多高等院校、科研机构和材料生产厂家在结构加固方面进行了大量的研究。1991年，美国混凝土协会(ACI)成立专业委员会(ACI440)，负责开展纤维增强复合材料加固结构的研究，并于1993年在加拿大温哥华召开了第一届FRP增强混凝土结构的国际会议。此后，该会议每两年举办一次。日本在FRP的研究、开发和应用中一直占领先地位，并编制了各种设计手册、施工指南和规范等。研究表明，FRP加固技术效果明显、施工效率很高。

我国有关FRP加固修复建筑结构技术的研究起步较晚。自1997年以来，以东南大学、国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心及清华大学为代表的高等院校和科研机构在FRP加固技术和设计计算理论等方面进行了大量的研究，已取得一批创新性的研究成果。此外，天津大学、四川省建筑科学研究院、中南大学、武汉大学、西南交通大学、浙江大学等多家单位也相继对其开展了研究，取得了大量的科研成果，极大推进了FRP材料在我国工程结构中的应用。目前，国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心、东南大学等单位已完成多项实际工程的加固。

为了扩大技术交流、提高技术水平，中国土木工程学会混凝土及预应力混凝土分会于2000年6月成立了“纤维增强塑料(FRP)及工程应用专业委员会”，同时在北京召开了第一届“中国纤维增强塑料(FRP)混凝土结构学术交流会”，并在以后每两年举办一次，成为我国在该技术领域的主导专题会议。在FRP加固规范的制定方面，我国已编制并颁布了中国工程建设标准化协会标准 《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》、国家标准及建设部标准《结构加固修复用碳纤维片材产品标准》和《结构加固修复用粘贴树脂产品标准》，其它规范正在编制中。这些标准对指导FRP在我国土木工程中应用起到规范作用。目前，FRP加固技术的研究及应用正在以高速度发展，已经成为全国工程界高度重视的一项课题。

3 FRP在结构加固中主要应用于以下几个方面

1）抗弯抗剪加固

抗弯抗剪加固又分为：（1）外包/外粘FRP加固混凝土结构；（2）嵌入式FRP加固技术；（3）预应力FRP加固。目前，大部份的研究与应用都集中在外包/外粘FRP加固混凝土结构，这种形式主要有FRP加固梁、板等。嵌入式FRP加固技术是近年发展起来的加固技术，该技术通过在混凝土表面开槽，将FRP筋或FRP板条和树脂置于其中来达到加固目的，是对外包/外粘FRP加固技术的一个重要发展。预应力FRP加固混凝土是另一项值得深入研究的技术，通过对FRP施加预应力，可以更加充分地发挥FRP高强的优势，同时改善结构在使用极限状态的性能。

2）混凝土结构的抗震加固

采用FRP外包混凝土柱是一种经济、有效的抗震加固方法。世界各地已进行了大量的FRP加固混凝土柱力学性能的研究与应用，国内外已有许多应用FRP加固房屋结构柱与桥柱的成功案例。为方便施工，还开发出了FRP自动缠绕系统[3-5]。

3）钢结构、砌体结构、木结构等加固

外粘FRP布或板是加固钢结构的一种理想方法，利用外粘FRP提高钢结构的抗疲劳性能，可避免在加固过程产生残余应力。此外，在砌体结构与木结构中，FRP也有成功应用。

4）复杂环境下下部结构的加固

最近几年，由于环境影响，地下基础显示出结构性能劣化与抗力衰减。该情况的产生原因复杂、大量，FRP则显现出是解决复杂环境下部结构问题的可行材料。而且FRP成功用于加固水下基础[6]。

5）特种结构加固

除上述应用领域外，FRP在桥梁、隧道、塔桅结构、储液罐、管道和烟囱结构也有加固应用的报道[7]。

4 结束语

FRP的研发以及在土木工程中的应用，己成为复合材料界与土木工程界共同研究开发的一个热点。该技术的成功研发能极大地推动现代土木工程技术的进步，为现代复合材料产业开辟出巨大的应用市场，具有非常广阔的发展应用前景。FRP加固混凝土结构在中国起步虽然较晚，但起点高，发展十分迅猛，为推进加固技术在中国的研究和发展应加强FRP在结构加固方面的研究。

［1］叶列平，冯鹏.FRP在工程结构中的应用与发展[J].土木工程学报，2006，39（3）：24-36.

［2］吴刚，吕志涛.外贴CFRP加固混凝土结构的抗弯设计方法[J].建筑结构，2000，30（7）：7-10.

［5］谭壮，叶列平.纤维复合材料布加固混凝土梁受剪性能的试验研究[J].土木工程学报，2003，36（11）：12-18.

［4］任慧韬.纤维增强复合材料加固混凝土结构基本力学性能和长期受力性能研究[D].大连:大连理工大学土木工程学院，2003.