粘贴FRP加固混凝土结构设计中温度影响的考虑

（重庆市建筑科学研究院，重庆 400016）

0 引言

纤维增强复合材料 （FRP,Fiber Reinforced Polymer）因其轻质、高强、施工方便、耐腐蚀、对既有结构截面尺寸和外观影响较小等优点，在土木工程尤其是结构加固等领域应用日益广泛，国内应用最多的是在梁、板受拉面粘贴FRP片材提高其受弯承载力。但是目前，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。

本文系统介绍了温度对粘贴FRP加固混凝土结构不同方面的影响，提出了考虑温度影响的粘贴FRP加固系统设计流程，并对其实施需要解决的问题进行了讨论。

1 温度对粘贴FRP加固混凝土结构的影响

温度对FRP加固混凝土结构系统的影响，主要集中在两个大的方面（如图1所示）：（1）材料热膨胀系数不同引起不同结构（材料）间的附加应力；（2）影响材料（FRP、粘接剂）及粘结性能。

1.1 温度对粘结应力的影响

图1 温度对粘贴FRP加固系统的影响

FRP材料与混凝土的热膨胀系数相差很大（见表1），在温度作用下会产生不相称变形，从而在粘结层产生附加应力。温度附加应力对于FRP复合材料来说是内部应力，如Hollaway等学者研究指出，对精心制作的FRP复合材料来说，正常使用条件下的温度波动对FRP复合材料内部结构的影响一般可以忽略不计，附加应力主要体现在FRP与混凝土结构之间的附加粘结应力[1]。根据黄龙男、王海洋、张超等人[2-4]的研究成果，附加应力的大小甚至会超过荷载本身产生的粘结应力，因此在FRP加固系统设计中必须考虑。在FRP加固金属（包括钢，生铁）结构中，温度荷载往往是FRP和原有金属结构间的粘结设计中的主要限制因素，但在目前混凝土结构FRP加固设计中温度荷载几乎完全被忽略。忽略温度对粘结应力的影响，会导致结构加固设计偏于不安全，使得加固后的结构存在安全隐患。

表1 材料典型热膨胀系数

1.2 高温对材料力学及粘接性能的影响

在我国，抗弯加固用的FRP片材通常是碳纤维（CFRP）布。纤维布本身由连续的长纤维编织而成，用于结构加固时，先用树脂浸渍，然后用环氧树脂等粘接剂粘贴于结构表面，通过粘结层来实现混凝土和FRP片材之间的内力传递。FRP纤维几乎不受高温条件影响，但浸渍树脂和粘接剂在高温条件下会发生软化和性能衰退，从而影响FRP加固系统的有效性。典型聚合材料性能随温度变化的规律在张超[5]等人的研究中有专门介绍。土木工程中常用FRP复合材料的玻璃转化温度通常在65℃～120℃，而常用结构粘接剂的玻璃转化温度通常只有45℃～82℃，不要说火灾条件，就是日常使用过程中的环境温度也有可能达到甚至超过树脂材料的玻璃转化温度，从而引起粘接性能的退化。在重庆，夏日持续高温，夏季露天最高空气温度可达50℃以上，而地表温度甚至接近70℃，已经接近甚至超过市场上一些粘结剂的玻璃转化温度了。这也是工程界对FRP加固系统耐火及耐高新性能的担忧所在。

目前国内外粘贴FRP加固混凝土结构的设计标准或导则通常是忽略火灾状况下FRP加固系统对结构承载力的贡献，从而要求原结构本身具有相应的承载能力，只有Fib标准允许FRP加固系统进行专项耐火设计，这种设计理念一定程度上限制了FRP在房屋等防火要求比较高的工程中的应用[6]。

图2 目前粘贴FRP加固系统设计的基本流程

图3 考虑温度影响的粘贴FRP加固系统设计流程

2 考虑温度影响的粘贴FRP加固系统设计

2.1 考虑温度影响的粘贴FRP加固系统设计流程

图2所示为目前粘贴FRP加固系统设计的主要步骤。在粘结应力分析中，通常未涉及温度的影响，分析模型通常基于以下假定：

（1）混凝土、粘接剂、FRP片材均为线弹性材料；

（2）结构分析基于弹性分析理论，未考虑截面刚度变化对结构内力分布的影响；

（3）FRP加固RC梁变形符合平截面假定；

（4）粘结应力不随粘结层厚度变化；

（5）FRP端部粘结应力或FRP轴向拉应变达到相应限值后发生破坏。

根据前述温度对粘贴FRP加固混凝土系统的影响，提出的粘贴FRP加固系统在火灾或高温工况下的理想设计流程，如图3所示。

2.2 几点讨论

在常规混凝土结构设计中，基于塑性理论下限定理，通常假定恒截面刚度（不考虑配筋、截面开裂等对截面刚度的影响，但设计的变截面要考虑），进行承载能力极限状态下的荷载分析，然后根据计算结果 （根据相关规定进行一定的弯矩重分配）来进行截面配筋设计，配筋设计后通常不需要再进行结构实际承载能力复核，而使截面具有足够的延性来保证结构具有足够的内力调整能力。但粘贴FRP加固混凝土结构中，因为FRP材料的线弹性以及粘结剥离破坏的脆性特征，FRP加固混凝土结构不一定具有足够的延性以保证其弯矩重分配能力，对于非静定结构来说，可能导致其实际破坏荷载降低。这一问题已有专门研究[7]，而在实际工程中尚未引起广泛的重视。

对于温度对FRP加固系统材料及粘结性能的影响，FRP高温拉伸力学性能已有相对成熟的分析模型[8-11]，只是模型参数的取值大都要需要针对性的试验数据，相较而言，温度对粘接材料力学及粘接性能的影响虽然受到重视，研究也比较多，但目前尚未有业内比较认可的分析模型，这也是在理论上限制FRP在土木工程中更广泛应用的一大障碍。

另外，温度场分析是个相对专业的领域，实际工程中可能更多的是按照相关标准规范的规定，基于一些假设和简化，进行简单的温度应力分析，详细、深入的温度场分析对于一般结构设计人员来说可能并不熟悉或者擅长。

现阶段而言，上述设计理念具有一定的理想化，如何在实际工程中执行以及实际能执行到何种地步，可能受到设计人员的理论和技术水平、是否具备试验条件以及如何处理与现行标准规范的关系等各方面因素的影响。可以预见，理想的FRP加固系统设计只能随着学术及工程应用研究成果的不断积累，到能够转变为工程技术人员简便易用的设计规则，从而促进相应标准规范的不断更新来逐步实现。所幸的是，已经有很多学者和工程界人士意识到了这些问题，并在积极地开展研究工作来进一步推进FRP加固技术在土木工程中的应用。如Del Prete等通过考虑结构温度场分布，研究了粘结FRP加固桥面板结构在车辆起燃引起火灾和铺设高温沥青路面两种不同情况下的高温性能[12]。他们考虑温度对混凝土、钢筋和FRP材料性能的影响，同时考虑对界面粘结比断裂能的影响对美国和意大利相关标准中FRP容许拉应变（防止剥离破坏）进行修正，对结构抗弯承载能力和FRP加固系统的有效性进行了系统分析。结果表明，对于不同的桥面板厚（150mm、200mm）、不同的防护措施（0～4cm厚混凝土防护层）和不同的粘结材料（玻璃转化温度为45℃、80℃），结构均满足极限状态（抗弯）承载能力要求，但高温持续一定时间后会达到FRP剥离破坏的容许应变。

3 结语

本文系统介绍了温度对粘贴FRP加固混凝土结构不同方面的影响，并据此提出了考虑温度影响的粘贴FRP加固系统设计流程，但因为还存在需要考虑截面刚度变化对结构内力分布的影响、缺乏温度对FRP粘结材料力学及粘结性能的影响的分析模型以及很多设计人员对温度场分析不熟悉等问题，考虑温度影响的粘贴FRP加固系统设计理念在现阶段而言具有一定的理想化。

参考文献：

[1]Hollaway L.C.A review of the present and future utilisation of FRP composites in the civil infrastructure with reference to their important in-service properties [J].Construction and Building Materials,2010,24（12）：2419-2445.

[2]王海洋，周芝林.碳纤维薄板增强RC梁界面温度应力理论分析[J].西南科技大学学报,2009，24：36-40.

[3]黄龙男，李地红，张东兴，等.碳纤维复合材料补强混凝土界面温度应力分析[J].材料科学与工艺，2005，13（2）：158-161.

[4]张超，张京街，林文修.粘贴FRP加固RC结构温度对粘结应力影响分析[J].重庆建筑，2018（2）：35-38.

[5]张超，张京街，林文修.FRP复合材料高温拉伸力学性能[J].重庆建筑，2018（3）：45-49.

[6]张超，张京街，林文修.粘贴FRP加固混凝土结构耐火及温度影响的规范比较研究[J].重庆建筑，2018（1）：10-13.

[7]Zhang C.Analysis and design of FRP-reinforced indeterminate structures[D].University of Bristol，Bristol，UK，2010.

[8]Bisby L.A.Fire behaviour of fibre-reinforced polymer（FRP） reinforced or confined concrete[D].Queen’s University，Kingston，Ontario，Canada，2003.

[9]Gibson A.G.，Wu Y.S.，Evans J.T.Laminate theory analysis of composites under load in fire[J].Journal of Composite Materials，2006，40（7）：639-658.

[10]MachieuxC.A.，Reifsnider.K.L.Propertymodeling across transition temperatures in polymers：a robust stiffnesstemperature model[J].Polymer，2001，42（7）：3281-3291.

[11]Wang K.，Young B.，Smith S.T.Mechanical properties of pultruded carbon fibre-reinforced polymer（CFRP） plates at elevated temperatures[J].Engineering Structures，2011，33（7）：2154-2161.

[12]Del Prete I.，Bilotta A.and Nigro E.Performances at high temperature of RC bridge decks strengthened with EBRFRP[J].Composites：Part B Engineering，2015，68：27-37.