纤维增强复合材料加固砌体结构研究进展综述

孙文彬，朱强强，雍洪宝，李保亮

(1.淮阴工学院建筑工程学院，江苏 淮安 223001;2.淮安市建筑工程检测中心有限公司，江苏 淮安 223001)

0 引言

砌体结构的出现，迄今为止已有2000多年的历史，国内外现存很多具有较高历史价值的建筑物、桥梁、水利设施、构筑物等属于该类结构形式。目前，砌体结构仍以各种实用的结构形式被广泛用于单层与多层各类建筑、拱桥和梁桥的下部结构、道路的挡土墙及水利方面的各种设施。但是，历史证实和研究表明，砌体结构对地基不均匀沉降非常敏感，墙体的抗拉、抗剪、抗弯、抗震、抗冲击等性能比较差，特别是早期使用的无筋砌体结构受各种因素影响极易出现裂缝，随着使用年限的增加、使用功能的改变、材料强度的退化，砌体结构的修复、加固问题日益突出。传统的加固方法由于施工流程复杂，现场作业时间长，对生产和生活产生一定的影响，而且，加固可能直接影响到建筑物的使用功能及建筑美观，加固费用也相对较高［1－2］。

上世纪冷战结束后，很多军用技术和产品转入民用，纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer，FRP)就是典型的代表。FRP具有轻质、高强、耐腐蚀、抗磁化、易剪裁、适应性强等优点，被应用于航空航天、船舶制造、机械制造等领域，上世纪80年代，土木工程师开始关注FRP与各种土木工程结构的共同作用性能，逐步开展了FRP在土木工程领域的应用研究，截至上世纪末，研究已经取得了丰硕成果，应用FRP加固与改造土木工程结构已经形成了许多成功案例。

国内对FRP加固土木工程结构的研究与应用，开始并兴起于上世纪90年代，随着对FRP材料优点的认识和FRP加固技术的成熟，在土木工程领域得到了广泛的研究和频繁的应用。特别是《纤维增强复合材料建设工程应用技术规范(GB50608 －2010)》［3］及《砌体结构加固设计规范(GB50702 － 2011)》［4］的制定与颁布，对国内在FRP砌体加固中的应用范围、材料选择及施工和验收等方面均做出了详细规定，为FRP材料在砌体加固领域的应用研究提供了较强的操作性技术依据，对于促进行业进步、保障工程质量、规范产品市场起到重要作用。

土木工程中最为常用FRP的有四种:碳纤维增强复合材料(CFRP)、玻璃纤维增强复合材料(GFRP)、芳纶纤维增强复合材料(AFRP)、高弹性模量碳纤维增强复合材料(HM－CFRP)，其中GFRP研究的历史最长，应用的领域最广，价格也最低，但CFRP出现后，因其更好的力学性能和耐久性立即成为土木工程界研究和应用的焦点［5］。用于土木工程结构补强加固的碳纤维材料，其拉伸强度约为钢材的7～10倍，弹性模量与建筑钢材在同一水平上并略有提高，是一种优良的结构加固用材料。采用外贴FRP对土木工程结构进行补强加固是20世纪80年代发展起来的一种土木工程结构加固与修复技术。本文回顾和评述FRP在砌体结构加固与改造方面的研究进展，重点介绍FRP在砌体结构的抗剪、抗震、平面抗弯、界面粘结性能等方面的研究成果。

1 FRP加固砌体结构的抗剪性能的研究

砌体结构往往由于抗剪承载力不够而出现墙体开裂，甚至发生破坏或坍塌，选择不同用量的FRP粘贴于结构表面进行加固补强，并采取有效的锚固方式可以提高墙体的抗剪承载力和砌体结构的整体性。

1987年Croco等采用低弹模的聚丙烯对砌体结构进行了抗剪加固试验［6］。1994年 Schweglert［7］对采取机械锚固措施的倾斜粘贴CFRP加固砖墙进行了平面内抗剪试验，结果表明:加固砖墙在最大荷载的70%以内都处于弹性阶段，开裂后裂缝分布均匀、缝宽较小，墙体受力均匀。Ehsani等［8］研究表明:粘贴GFRP可以有效提高砌体的抗剪强度和刚度，GFRP的抗拉强度和粘贴锚固长度对加固砌体的抗剪强度和破坏形式都有较大的影响，GFRP布粘贴方向对加固砌体的刚度有一定的影响，但对抗剪强度影响不大。

谢剑在CFRP加固修复砌体结构新技术指出，使用CFRP布提高砖砌体和混凝土空心砌块砌体抗剪承载力的加固方法是有效的，加固墙体的开裂荷载、抗剪承载力，以及变形性能都较未加固墙体有明显提高［9］;CFRP作用可比拟为桁架模型中的腹拉杆，且其宽度越大，加固效果越明显;其作用的发挥与两端的锚固措施和碳纤维布的粘贴质量密切相关;试件开裂后再加固，墙体的抗剪承载力和极限位移比相应开裂前贴布加固的低。

针对FRP不同粘贴方式对砌体结构抗剪性能的研究中，林磊等研究表明:水平加固方式对提高受剪承载力比较有效，交叉加固方式对控制斜向裂缝出现比较有效，砌体水平剪切破坏具有较高承载力和抗震性能，当FRP在墙体外部不能有效锚固时，宜采用水平加固方式辅助以对拉FRP进行加固［10］;当有条件锚固时，宜采用水平与交叉混合加固方式进行加固。

樊越等在比较水平粘贴 CFRP、水平粘贴CFRP且端部有竖向压条锚固、“×”形粘贴CFRP且有上下通长压条锚固等加固形式时指出，最为合理的粘贴形式为水平粘贴CFRP且有端部竖向压条锚固，墙体抗剪承载仍能维持一定的整体性［11］。

王溥等则指出:分散条形粘贴纤维布的效果好于集中单条粘贴，满贴GFRP加固砌体时，采用45°双向GFRP满贴的加固效果好，原因是45°双向GFRP其纤维丝束的受力更加直接［12］;另外普通双向GFRP布在剪压情况下容易因受压失稳而产生剥离。

2 FRP加固砌体结构抗震性能的研究

赵彤等利用CFRP布对砖砌体墙进行了抗震补强表明，CFRP布加固的砖砌体墙开裂荷载明显提高，变形能力明显改善，认为CFRP布是通过桁架模型中的受拉杆机制来改善墙体内的受力状态提高墙体抗剪承载力，且CFRP用于加固修复已开裂砖墙非常有效，已开裂墙体使用CFRP加固后的极限荷载较未加固墙体的极限荷载有明显提高，变形能力也得到了明显改善，开裂位移显著增大［13－14］。

王欣等研究表明:对地震等原因导致破坏的砌体，当未出现砖被压碎等严重破坏现象时，外贴CFRP加固的效果非常显著，CFRP可以恢复墙体绝大部分承载力，提高极限位移，改善砌体的抗震性能;当出现砖被压碎破坏时，加固效果不明显，但可以提高墙体的延性;当角部CFRP无可靠锚固措施时发生了剥离破坏，FRP作用没有得到充分发挥［15］。

孙雪梅、张祥顺等在新建墙体外贴CFRP抗震加固时指出，墙体四角端处CFRP需要进行必要的锚固，角部竖向粘贴CFRP能够很好地提高墙片的变形能力、耗能能力及承载能力，墙体的抗震性能得到有效改善［16－18］。

翁大根等研究表明:对于砂浆强度很低的砌体，GFRP加固能有效增强砌体抗震整体性，具有等效于提高砂浆强度的效果，要提高抗裂和极限承载力则GFRP的厚度应满足其抗拉能力大于砌体的抗剪能力［19］。对于到达过极限承载力破坏后的墙片，GFRP加固能使得墙片基本恢复到原有的最大承载力。而钢筋网砂浆面层加固能有效提高砌体的抗震能力。

杨曌等、卢会芳等对CFRP加固低强度带窗洞墙片的抗震性能研究表明:CFRP用于低强度带洞口墙体的抗震加固很有效;对双面“#”型粘贴加固方案与双面“#”型粘贴CFRP且四角采用斜压条锚固加固方案、斜向交叉成“×”型粘贴并在端部锚固处理的加固方式与整片粘贴CFRP板、CFRP垂直“×”型裂缝粘贴的加固与沿“×”型裂缝粘贴等加固方式进行了比较。但是强度低的砌块在加载过程中局部碎裂，CFRP发生了局部剥离，端部剥离最为严重，影响了 CFRP强度的发挥［20－21］。

潘冰等、孙绪杰等对FRP加固多孔砖、混凝土小型空心砌块砌体的抗震性试验证明:复合墙体的开裂荷载、极限承载力、极限位移均较普通砌块墙体有不同程度地提高［22－23］。

3 FRP与砌体结构界面粘结机理研究

FRP与砌体结构的界面对于FRP材料性能的发挥起着至关重要的作用，FRP通过界面传递荷载，使之与砌体结构基体形成一个有效发挥综合性能的整体。FRP与砌体结构界面的粘结强度及界面破坏，FRP剥落对抗剪承载力、抗震能力及变形能力有决定性的影响。

Aiello、黄奕辉、陈莹等对FRP与墙体界面行为研究:FRP粘结长度将对粘结效果产生影响，FRP与砖之间存在一个有效粘贴长度，当实际的FRP粘贴长度大于此长度时，极限荷载增长趋缓。而剪切粘结应力主要存在于加载端附近，随GFRP黏结宽度的增加，极限黏结荷载明显提高。黏结面上的剪应力沿黏结面横向为不均匀分布，中心区域的剪应力明显小于边缘区域的剪应力。［24－26］

刘明等通过双剪试验得出:FRP与砌体的粘结破坏主要是由于砌体自身强度不足而引起沿粘结界面剪切破坏后形成的剥离破坏，FRP类型和砂浆强度对有效黏结长度影响不大［27］。

4 FRP加固砌体结构平面外抗弯性能的研究

Ehsani等、Albert等、Tan等、Hamoush等、Velazquez－Dimas等［32］在 FRP 加固砌体结构的弯曲性能试验研究中，考察了环氧树脂、砂浆和纤维的类型、界面的处理方式和砖砌块的老化程度对砌体弯曲性能的影响，并分析了FRP加固砌体结构构件的破坏过程，研究表明:FRP加固砌体在强度、平面外刚度和延性方面都有很大的提高，FRP的加固量和FRP类型影响到墙体的刚度，而砌体构件的失效模式取决于FRP的粘贴方式和锚固方式，通过合理的界面处理和锚固措施，可以避免FRP发生剥离破坏［28－31］。FRP加固砌体结构构件的破坏过程大致分为三个阶段:沿灰缝的开裂或滑移、FRP剥离、达到极限荷载弯剪破坏和弯曲破坏。由于复合材料和砖之间的连接较弱，随着荷载的增大，FRP与墙体之间出现剥离现象，导致砌块并未出现被压坏，因此可以认为砖在整个受荷过程中完全处于线弹性状态。

此外，Bajpai等采用FRP筋加固混凝土砌体墙并对其抗弯性能进行研究，指出在能确保其充分锚固的情况下，采用FRP筋可以很好地增强砌体抵抗平面外荷载的能力［33］，这为利用其他形式的FRP制品加固砌体提供了新的思路。

5 总结与展望

采用砌体结构表面黏贴FRP的加固方式可以大大提高了墙体结构的抗剪、抗弯能力，改善砌体结构抗震性能和整体，在国内外已有许多FRP加固砌体结构成功案例，随着理论研究和技术应用的逐渐成熟，将来还有较大的发展空间。

黏贴FRP加固砌体结构的效果与性能很大程度上受制于界面粘结性能及FRP的锚固方式。黏贴质量与施工质量直接相关，因此，必须加强施工过程的工艺管理、质量监督，否则，FRP黏贴材料的剥落，既影响结构加固的效果，又影响结构加固的观感。

尽管外贴FRP加固砌体结构的研究和应用已经取得了良好的进展，但是，无论何种黏贴方式都可能严重影响结构物的外观，尤其对于具有很高历史价值的古建筑、古桥梁，这样的加固方式难以被文物保护单位接受。因此，FRP加固砌体结构的发展，还需要更多的加固方式。

国内外学者在FRP加固砌体结构的研究上取得了丰富的成果，不同的学者从不同的角度，在不同的实验条件下对不同的试样进行研究，提出了众多的计算模型，一种计算模型往往只与自己或少数研究者的实验结果吻合良好，无法准确预测更多的研究结果，大大限制和影响了应用中的模型的选择和砌体结构的加固设计。实践应用还需要更全面的基础理论研究，更适用的计算模型，更具体的操作规范、技术规程和验收标准等。

FRP通常既是一种编织材料，也是一种良好的半导体材料，如何将功能材料、微传感器和微驱动器织入FRP布，应用FRP材料加固结构力学性能的同时，将FRP并入结构健康检测(Structural Health Monitor，SHM)系统和结构控制(Structure Control)系统也是未来的研究方向和发展趋势。

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