粘贴FRP加固混凝土结构耐火及温度影响的规范比较研究

张超，张京街，林文修

（重庆市建筑科学研究院，重庆 400016）

0 引言

纤维增强复合材料（fiber reinforced polymer，FRP）自从20世纪40年代问世以来，在航空、船舶、汽车、医学、化工和体育等领域得到了广泛的应用。1991年，瑞士联邦材料科学与技术实验室（EMPA）Meier教授等人使用CFRP板代替钢板成功加固了Ibach桥，从而开启了FRP作为结构材料在土木工程中应用和研究的热潮。此后，在土木及建筑结构大规模老化损伤需要加固补强的大背景下，FRP因为其轻质、高强、施工成型方便、耐腐蚀等优点，其相关研究和应用在欧洲、美国、加拿大和日本等地得到了迅猛发展，现在逐渐成为结构加固等领域一种重要的结构材料和技术。目前FRP在土木工程中的应用研究，大致集中在以下几个领域：使用FRP片材进行结构加固、使用FRP筋/索代替钢筋/索、FRP与传统材料组合结构的开发应用以及全FRP结构开发应用[1-4]。

FRP结构加固是FRP在土木工程中研究最多、应用最广泛的一个领域，常见形式包括FRP布缠绕加固混凝土柱、在梁板受拉面粘贴FRP进行抗弯加固、梁柱构件包裹FRP提高其抗剪承载力，其中国内应用最多的是在梁、板受拉面粘贴FRP片材提高其抗弯承载力，主要是FRP重量轻、截面尺寸小、安装快捷。目前，FRP应用更多集中在室外桥梁等对耐火要求不高的结构中，主要原因就是对其耐火及耐高温性能的担忧。本文分析了高温对FRP及FRP加固系统影响的理论背景，并对国内外主要现行标准规范对火灾和温度影响的相关观点和规定进行了对比分析。

1 高温对FRP及粘贴FRP加固系统的影响

FRP通常是由纤维与树脂基体按一定的比例混合后形成的高性能材料，基体中常加入填料、催化剂等物质以改善其固化性能或环境性能。纤维材料强度高，是FRP复合材料基本力学性能（如强度、刚度）的主要来源和保障；树脂基体的主要作用是纤维定位、纤维间荷载的传递以及保护纤维不受环境损害和损伤。FRP复合材料可以根据特定的需求选用不同的纤维和基体材料，为设计提供了极大的灵活性。在土木工程应用中，常见的纤维材料有碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维，基体材料则以环氧树脂、乙烯基酯树脂和聚酯树脂最为常见。

粘贴FRP片材进行抗弯加固所用的片材，在欧洲和北美多用FRP板，在我国和日本，纤维布应用更广泛。FRP布本身由连续长纤维编织而成，使用前不浸渍树脂，用于结构加固时，用树脂浸渍后粘贴于结构表面；FRP板是将纤维经过层铺、浸渍树脂、固化成型等工序制成，本身含有浸渍树脂，使用时用粘接剂 （通常是环氧树脂或者改性环氧树脂）粘贴于结构表面。

纤维材料耐高温性能都比较好，玻璃纤维在温度达到其融化点（约1000℃）之前强度都不会有明显变化，碳纤维在温度超过大约650℃时才会开始发生氧化，对于粘贴碳纤维布加固混凝土结构来说，因为混凝土结构的热容比较大，即使纤维布在外界火焰下起燃，在外部火焰移开后便会自动熄灭，因此纤维布在实际工程中可看作是不可燃的。FRP加固系统的耐火或者耐高温性能主要取决于树脂材料，因为不论是FRP板自身的浸渍树脂还是粘接用（改性）环氧树脂，一般是可燃的，而且大都属于热固性材料，当温度升高到一定程度后，树脂会从一种坚硬、脆性状态转化为柔软、粘塑性状态，从而影响FRP材料及粘接性能，甚至导致加固系统完全失效。这个树脂材料状态转化的温度，通常称为其玻璃转化温度（Tg），因为状态转化实际是发生在一定的温度区间，玻璃转化温度就取这个温度区间的中间值。FRP加固工程中常用树脂材料的玻璃转化温度通常在45～80℃区间，不要说火灾时，就是在日常使用环境中，温度都可能接近甚至达到树脂材料的玻璃转化温度，这也就是工程界对FRP耐火或者耐高温性能的担忧所在。

2 国内外标准规范对FRP加固混凝土结构耐火及温度影响的相关观点和规定

2.1 美国混凝土协会标准（ACI 440.2R-08，2008）

对粘贴FRP加固混凝土结构的火灾考虑，ACI标准的设计理念是FRP加固系统在火灾条件下视为完全失效，既有结构在考虑持续高温对材料性能的不利影响后，其承载能力仍能满足加固后结构所要求的标准恒荷载和活荷载作用之和，保证整体结构不会坍塌。如果有确切证据表明采用改性树脂或者采取一定的耐火措施能够使FRP加固系统的耐火能力有所提高，可以考虑其对结构承载能力的贡献。标准对FRP加固系统对结构承载力提高的幅度加以限制，最大受弯承载力提高幅度不超过40%。

ACI标准对温度影响的考虑，表现在几个方面：（1）树脂材料的物理和力学性能会受温度影响，在温度达到其玻璃转化温度（Tg）时，树脂会出现软化，从而影响FRP材料及加固系统的性能，美国市场上常见的FRP系统Tg大约在60～82℃，这也是火灾设计中考虑FRP加固系统失效的原因；（2）FRP加固系统的热膨胀性与混凝土有差别，在纤维（跨度）方向，碳纤维加固系统的热线性膨胀系数几乎为0，而玻璃纤维加固系统的热线性膨胀系数与混凝土相近。有限的研究成果表明，温度变化不超过±28℃时热线性膨胀系数差别对粘接的影响不大；（3）考虑环境作用（包括温度）的长期不利影响，针对不同的使用环境和纤维类别，给出了不同FRP加固系统极限承载力的经验折减系数。

ACI标准通过限制FRP的拉应变来防止粘接剥离破坏。因为粘接剥离为脆性破坏，标准建议对粘结强度按0.5进行折减，同时考虑FRP的刚度越大，越容易发生粘接剥离破坏，引入了一个0.2～0.9之间的系数，来计算FRP拉应变的限值，标准并未涉及粘结应力计算中温度作用的影响。

2.2 国际结构混凝土联合会标准（fib Bulletin No.14，2001）

Fib标准中，火灾可以作为偶然工况考虑或对FRP加固系统进行专项耐火设计。火灾作为偶然工况考虑时，FRP加固系统视为在火灾条件下失效，要求既有结构能承担现有 （加固后）结构在偶然工况下相应的荷载作用组合，整体结构不会坍塌，这时不需要对FRP加固系统进行专门的耐火设计，但是要对FRP加固系统对结构承载力提高的幅度进行限制。如果在火灾时需要考虑FRP加固系统的承载力贡献，那么应进行专项耐火设计，所采用的分析方法应能充分考虑温度荷载的分布和效应，基于对粘接剂的温度升高进行限制（通常在50～100℃范围）进行防护措施的设计。

Fib标准专门介绍了聚合物材料玻璃转化温度 （Tg）的概念，温度达到玻璃转化温度后，聚合物会从相对坚硬、弹性、玻璃状转化为橡胶质材料，FRP加固系统的粘接性能会显著降低，构件承载能力因此降低的幅度可达30%～40%。土木工程中常用的常温固化环氧树脂粘接剂玻璃转化温度范围一般在45～80℃。需要注意的是，玻璃转化温度本身也会随温度、湿度等环境条件发生变化，在高温作用下，聚合物会进一步固化，其Tg会有所提高。为防止因为温度过高产生粘接破坏，fib标准要求粘接剂的玻璃转化温度不应小于使用环境阴凉处最高空气温度加上20℃，且不应小于45℃。

Fib标准指出要特别注意粘接FRP与混凝土之间温差过高的情况，但并未涉及粘结应力计算中温度作用的影响。

2.3 日本土木工程师协会标准（JSCE Concrete Engineering Series 41，2001）

JSCE标准对粘贴FRP加固混凝土结构的耐火设计分为4个水准：（1）水准1：纤维布加固系统在火灾中或火灾后可能失效，但整体结构不坍塌；纤维布本身可能起燃，但可燃性低，且不会助燃；（2）水准2：纤维布加固系统在火灾中或火灾后可能失效，但整体结构不坍塌；纤维布在火灾条件下不会起燃，损伤在火灾后可以修复；（3）水准3：火灾中整体结构不坍塌；纤维布在火灾过后、恢复到正常温度时不需要修复即仍能保持其加固承载能力；（4）水准4：火灾中纤维布加固系统不失效，在耐火极限时间内保持其加固承载能力。基本原则是在一般情况下，FRP加固设计要求既有混凝土结构应能承担结构恒载和其他永久荷载，而纤维布加固主要提高其活荷载及其他可变荷载的承载能力，这样即使纤维布加固系统在火灾条件下失效，整体结构并不会坍塌。

JSCE标准通过限制最大受弯开裂部位纤维布的拉应力或受弯裂缝之间纤维布拉应力差值来防止粘接剥离破坏。就温度影响而言，JSCE标准仅是将其作为环境作用的一种，长期作用下会使结构材料发生变化或是损坏，从而影响结构的耐久性，并未考虑温度对粘结应力的影响。

2.4 英国混凝土协会标准（TR 55，2004）

TR55标准要求必须考虑FRP加固系统在火灾等极端条件下可能失效的风险，要求加固前的结构能够承担现有使用条件下不考虑分项系数的结构荷载，整体结构不会因为FRP系统失效而坍塌，但是标准也指出，如果综合考虑火灾过程中时间-温度变化、防护措施以及高温对FRP和粘接剂材料性能的影响进行专项分析和设计，并不排除在火灾条件下考虑FRP加固系统对承载力贡献的可能。

考虑粘接剂的玻璃转化温度（Tg）一般在50～65℃，超过玻璃转化温度，粘结材料会从一种坚硬、脆性状态转变为粘性状态，TR 55标准要求通常情况下所选用的粘接剂应能承受最高50℃的环境使用温度，但在特殊使用条件下，如桥面板上表面要进行粘贴FRP加固，需要选用特殊的粘接剂。对于高温对粘结材料的不利影响，一些学者也开始进行无粘结端部锚固或者无机粘结材料开发等方面的研究。

TR 55标准对粘接剥离破坏的考虑分为两步，第一步是确认不会因为结构本身存在受剪裂缝或者混凝土表面不平整引起粘接剥离，前者通过限制结构最大剪力来实现，后者对粘贴FRP混凝土表面平整度进行了限制，第二步是通过限制最大FRP拉应变和FRP与混凝土之间的最大剪应力来避免粘接剥离破坏，具体要求是，在极限承载能力状态，FRP的最大拉应变不应超过0.008，FRP与混凝土之间的最大剪应力不应超过0.8N/mm2，标准未涉及粘结应力计算中温度作用的影响。

2.5 国内标准规范 （GB 50367、GB 50608、CECS 146：2003）

目前国内碳纤维加固方面的标准规范主要有三本：《混凝土结构加固设计规范》GB 50367、《纤维增强复合材料建设工程应用技术规范》GB 50608和《碳纤维片加固混凝土结构技术规程》CECS 146：2003。

GB 50608规范考虑火灾等条件下FRP加固系统失效，要求被加固结构的原承载力设计值不应低于其荷载效应准永久组合值，以保证被加固构件有足够的剩余承载力。CECS 146：2003则明确规定，加固设计时，应采取措施使原结构、构件不致因碳纤维片材加固部位意外失效而导致坍塌。为控制加固后构件的裂缝宽度和变形，同时为了保证加固后构件“强剪弱弯”，GB 50367规范要求钢筋混凝土结构构件加固后，其正截面受弯承载力的提高幅度不应超过40%，并提出当被加固构件的表面有耐火要求时，应按现行国家标准 《建筑设计耐火规范》GB 50016规定的耐火等级及耐火极限要求，对纤维复合材进行防护。

GB 50608要求浸渍树脂和FRP板粘接剂的热变形温度应大于50℃，特殊环境下使用的热变形温度不应低于60℃。与GB 50608规定材料热变形温度不同，GB 50367规范规定粘贴纤维复合材加固的混凝土结构，通常情况下其长期使用的环境温度不应高于60℃，并要求粘贴在混凝土结构表面上的纤维复合材，不得直接暴露于阳光或有害介质中。

标准对延伸长度、截断点位置及锚固等做了要求，并未对FRP和混凝土之间粘接应力计算进行专门的规定。

3 讨论及建议

3.1 各标准观点及要求对比讨论

通过对国内外主要现行标准规范对粘贴FRP加固系统火灾和温度影响的观点和要求进行对比，有以下几点发现：

（1）FRP材料在土木工程尤其是结构加固领域得到了广泛应用，但对其耐火及耐高温性能的担忧极大地限制了其在耐火要求比较高的结构和环境中的应用。总体来说，粘贴FRP加固系统的耐火设计有两种不同的理念：主流的主张是假定FRP加固系统在火灾中完全失效，要求在不考虑FRP加固系统贡献的条件下，整体结构不垮塌，这种理念的设计一般会对FRP加固系统对承载力的提高幅度进行限制，如ACI标准和我国GB 50367标准要求FRP加固混凝土结构的正截面受弯承载力提高不应超过40%；另外一种理念是把火灾看作一种特殊的设计工况，综合考虑火灾条件下的温度场分布、火灾或环境温度对材料性能的影响以及火灾条件下可能存在的荷载组合等，进行专项分析和设计，并以此提出耐火措施的要求。我国现行标准采用的是第一种理念；

（2）对FRP耐火及耐高温性能的担忧主要源于FRP加固系统中树脂材料的玻璃转化温度（Tg）较低，通常在45～80℃之间。对此，标准规范一般是规定所使用树脂材料的玻璃转化温度不低于一定的温度值，或者是限制FRP加固系统的环境使用温度，我国两部现行国家标准GB 50608和GB 50367分别采用了这两种方法；

（3）各标准都对粘接剥离破坏给予了充分的重视，有的标准对粘接剥离破坏的模式进行了详细的介绍并对防止粘结剥离破坏条件提出了相应的规定和要求，但均未涉及粘结应力计算中温度作用的影响。

3.2 后续工作的思考和建议

工程界对FRP耐火及耐高温性能的担忧，主要源于FRP加固系统中的树脂材料的热稳定性差。为推动FRP在更广阔领域的应用，对后续工作有几点思考和建议，供业内人士参考。

（1）开展高性能防火涂料的研发。FRP加固系统的防火措施要考虑两个方面，一是防护效果要能满足相应耐火极限的要求，二是防护措施应尽量节省空间，FRP加固系统一个很大的优势是体积小，对既有结构的截面尺寸影响不大，这对室内环境结构加固尤为重要，这样，高性能的防火涂料应该是比较理想的方式。

（2）进行耐高温粘结材料的研发。FRP与混凝土结构之间应力传递通过粘结材料来实现，这就要求其不仅要有必要的强度和刚度（剪切模量），有适合的适用期和胶凝时间来保证顺利施工，还要有良好的热工和耐高温性能，在保证高温工作性能的同时能满足温度作用下FRP与混凝土之间有效的内力传递。

（3）开展自然条件下日常温度作用对FRP加固系统粘结性能的影响研究。FRP加固系统的耐火及耐高温研究已经得到了工程界和学术界的广泛关注和重视，相比于火灾或高温等特殊条件，自然条件下温度会随季节、时间发生变化，如在重庆地区，夏季露天最高空气温度可达50℃以上，接近甚至超过有些粘结材料的玻璃转化温度，这种情况下，短时的高温加上交变温度对FRP加固系统的粘结性能有没有影响、影响到什么程度尚不清楚，在现有标准规范里面也未有涉及。

[1]冯鹏.复合材料在土木工程中的发展与应用[J].玻璃钢/复合材料，2014（9）：99-104.

[2]王全凤，杨勇新，岳清瑞.FRP复合材料及其在土木工程中的应用研究[J].华侨大学学报：自然科学版，2005，26(1)：1-6.

[3]吕志涛.高性能材料 FRP应用与结构工程创新[J]，建筑科学与工程学报，2005，22(1)：1-5。

[4]姚国文，刘秋松.体外粘贴FRP片材加固桥梁技术研究与应用进展[J].公路与水运，2007（12）：153-156.

[5]Guide for the design and construction of externally bonded FRP systems for strengthening concrete structures，ACI 440.2R-08，2008，American Concrete Institute，US.

[6]Externally bonded FRP reinforcement for RC structures，fib Bulletin No.14，2001，International Federation for Structural Concrete.

[7]Recommendation for upgrading of concrete structures with use of continuous fiber Sheets，Concrete Engineering Series 41，2001，Japan Society of Civil Engineers，Japan.

[8]Design guidance for strengthening concrete structures using fibre composite materials，TR55，2004，The Concrete Society，UK.

[9]GB 50367-2013混凝土结构加固设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2013.

[10]GB 50608-2010纤维增强复合材料建设工程应用技术规范[S].北京：中国计划出版社，2010.

[11]CECS 146：2003碳纤维片加固混凝土结构技术规程[S].北京：中国计划出版社，2007.

弘扬劳模精神 厚植工匠文化——三名建筑工人荣获“重庆市五一劳动奖章”

为贯彻落实十九大精神和重庆市委五届三次全会精神，建设知识型、技能型、创新型劳动者大军，弘扬劳模精神和工匠精神，实施人才兴业战略，市建设岗培中心按照市城乡建委的要求，积极推进技能人才培养，特别是通过技能竞赛等渠道，大力培养高技能人才。近日，市总工会通报了47名“重庆市五一劳动奖章”获得者名单，建设行业3名建筑工人荣获此殊荣。杨培彬（重庆建工四建塔式起重工）、何青明（重庆渝发建设有限公司管道工）、周青云（重庆大方建筑装饰设计工程有限公司手工木工）三名同志参加建设行业技能大赛，脱颖而出，分别获得各工种的第一名及技师证书，并经推荐，被市总工会授予“重庆市五一劳动奖章”荣誉称号。

重庆市建设岗位培训中心将以十九大精神为指引，在重庆市城乡建委党组的领导下，大力弘扬劳模精神和工匠精神，积极推进科教兴业、人才强业战略的实施；开展人才需求调研，不断完善行业人才培养体系和技能标准体系，将工匠精神融入职业技能培训和企业在职人员在岗教育，培养行业高素质人才队伍和建筑产业现代化技能人才队伍；推进行业教育培训信息化，实行专业人员考试信息化全覆盖，以及继续教育网络化；推进行业技能大赛规范化、常态化，鼓励企业、行业协会开展职业技能竞赛，为全市建设行业能工巧匠搭建展示技能水平和个人风采的平台，营造劳动光荣的社会风尚和精益求精的敬业精神，为城乡建设行业转型升级发展提供人才保障。

（重庆市建设岗位培训中心供稿）