FRP约束混凝土性能研究综述*

孙天洋，黄鑫，姜景山，郁子阳，袁红兵，沙一丹

(南京工程学院 建筑工程学院 江苏 南京 211167)

0 引言

纤维增强复合材料（FiberReinforcedPolymer/Plastic，简称FRP）是由纤维增强材料与基体材料混合成型。FRP耐腐蚀性好，比强度高且具有可设计性，采用FRP外包混凝土形成FRP约束混凝土结构能充分发挥FRP材料抗拉强度高。在工程实际中，混凝土受外界环境因素影响受到损伤，大大降低了结构本身的承载能力与耐久性，而FRP约束混凝土结构对这些不利现象有很好的解决。

1 FRP约束混凝土柱力学性能

1.1 轴心与偏心抗压强度研究

轴心抗压强度是决定结构承压能力的主要参数。计算组合构件轴心抗压强度本构模型有助于今后FRP混凝土结构工程的广泛应用。

钱春香等[1]对FRP约束混凝土的轴心抗压强度进行了研究，并建立了组合结构的本构模型

式中：

fc——无环向约束试件的轴心抗压强度；

P——FRP包裹引起的环向约束应力。

考虑到FRP与混凝土粘结界面状况的影响，胡芳芳等[2]对FRP约束混凝土圆柱体轴心抗压强度公式进行了进一步修正，经过实验提出了FRP约束混凝土圆柱体轴心抗压强度模型

A.Nanni[3]对比研究了AFRP约束混凝土结构的轴压与偏压力学性能。结果表明FRP约束混凝土对偏心受压构件强度提高程度远不及轴心受压构件。

FRP约束混凝土柱强度模型的提出过程所采用的试件远小于实际工程中的尺寸，尺寸效应不可避免的会影响模型在实际工程中应用，因此FRP约束混凝土柱轴心抗压强度模型仍需进一步修正。

1.2 疲劳性能研究

疲劳性能是FRP加固混凝土的重要研究内容，对于外贴FRP约束混凝土结构的现实应用意义，因此就外贴FRP加固混凝土的疲劳性能进行了系统的分析和综述。

骆志红[4]研究CFRP粘贴加固钢筋混凝土梁疲劳抗剪性能，研究表明，CFRP布能够通过限制斜裂缝发展而增强结构疲劳抗剪能力，随着疲劳荷载次数增加，CFRP布应变在初期增长速率较快，后期增长速率趋于稳定。CFRP加固钢筋混凝土梁的疲劳应变随着CFRP用量增大而减少。刘沐宇等[5]对损伤钢筋混凝土梁进行CFRP粘贴加固层数与未加固组对比疲劳试验，结果表明，在相同荷载作用下，CFRP布粘贴加固结构改善了混凝土应力分布情况并大幅减少混凝土结构的疲劳应变，随着CFRP布层数增加结构应变减少幅度降低。韩强 [6]研究CFRP约束混凝土柱界面粘结滑移机理，提出FRP-混凝土界面粘结强度随循环次数退化的计算公式

式中：

N——疲劳寿命；

Ec——混凝土弹性模量；

Ef——CFRP弹性模量；

tf——CFRP厚度；

εo f——CFRP应变门槛值。

并指出当CFRP的应变值小于材料容许最大应变值时混凝土粘结界面不会发生疲劳破坏。综合本小节，可以看出，FRP约束混凝土能够有效改善混凝土结构的弯曲疲劳性能，现在的研究变量多是FRP与混凝土自身性质，并没有考虑到FRP与混凝土界面受损开裂状态。实际应用中，由于FRP约束混凝土柱处于三向应力状态，混凝土界面出现较多细密裂纹，会严重影响界面粘结强度，因此对于FRP混凝土界面粘结强度公式仍需进一步修正。

1.3 抗震性能研究

20世纪80年代中期，FRP材料对混凝土柱进行抗震加固的方法出现，自此采用FRP提升混凝土柱抗震性能的方法引起广泛研究。

Yan Xiao等[7]对预制GFRP圆筒加固素混凝土柱的抗震性能进行了研究。结果表明，预制FRP圆筒能有效改善核心混凝土结构的受力情况大幅提高混凝土柱结构的延性，防止组合柱结构受到剪切破坏。Shuenn-Yih Chang等[8]研究了完好素混凝土柱与CFRP布加固已受损素混凝土柱的抗震性能。在弯曲刚度方面，CFRP布环向约束加固的已受损素混凝土柱比未受损的素混凝土柱更大。邓宗才等 [9]对HFRP布加固氯离子腐蚀混凝土柱组合结构的抗震性能展开研究。结果表明，受腐蚀混凝土柱在HFRP布的横向约束作用下，在后期加载过程中，组合结构的刚度与承载力退化较为缓慢，腐蚀柱延性得到了极大增加，其破坏形态也由塑性破坏变为延性破坏。综合本节，可以看出FRP约束混凝土可以有效提升混凝土柱尤其是已受损或已被侵蚀的混凝土柱的抗震性能。FRP加固混凝土对于框架结构建筑抗震性能的提升有很大帮助，但是关于FRP约束加固混凝土结构节点部分对于整体抗震性能的影响研究尚未涉及，需要对其进行更深入的研究。

1.4 温度对FRP约束混凝土的影响

过去研究主要集中在常温下FRP约束混凝土结构的工作性能，而对于高温或低温环境下组合结构的而强度变化研究较少。鉴于低温环境下FRP约束混凝土结构工作性能的研究将对今后冻土环境下运用FRP约束混凝土结构具有现实应用意义。

欧阳利军等[10]对高温损伤混凝土方柱进行BFRP约束对比轴压试验。试验表明，经过环向纤维布约束的高温损伤混凝土方柱应力分布较为分散，在三向应力的作用条件下显著提高混凝土方柱的轴压强度和变形能力。

卢小雨等[11]对素混凝土方柱在CFRP间隔式与环向全包式两种不同的约束方式下进行低温抗压实验。研究表明，低温条件下，环向全包式约束混凝土方柱的抗压强度提升效果远优于间隔式约束条件且体积极限应变提升幅度更大。由上可知，FRP外包面积对混凝土在低温状态下的抗压强度影响较大，在外包面积相同时，螺旋全包式与环向全包式，是否会对CFRP

约束混凝土方柱的抗压强度提升产生差异仍需进一步试验研究。

FRP与混凝土材料的热膨胀系数接近，变温环境对FRP与混凝土柱间不协调应变引起的损伤不大，由于纤维混凝土的膨胀率与素混凝土膨胀率有明显差异，因此FRP约束纤维混凝土的工作性能需要进一步考虑材料体积不协调应变引起的损伤，需要对其进行更深入的研究。

2 FRP管混凝土柱耐久性能

2.1 盐碱环境对FRP增强混凝土柱影响研究

在理想状态下，FRP管混凝土构件中，FRP管将核心混凝土与外界环境完全隔绝，可以忽略环境对混凝土的侵蚀影响。但由于FRP受盐碱环境等多种因素的影响会发生改性，所以研究者对FRP长时间受到盐碱腐蚀的性能影响进行了研究。于峰等[12]通对盐碱条件下表面涂有环氧树脂的CFRP片材与常规条件下片材的力学性能进行对比试验。研究发现，受环氧树脂涂层阻隔，CFRP片材在强碱环境下几乎不发生改性，在盐腐蚀条件下CFRP力学性能甚至略微提升，综合可见，树脂层覆面的碳纤维复合材料耐久性较好。杨坤[13]进行CFRP材料在高温高海水浓度条件下的耐腐蚀性能试验。研究发现，CFRP约束混凝土结构受CFRP材料内部缺陷影响，约束层数越多导致结构弹性模量越低。综合本小节，可以看出在理想状态下FRP约束混凝土结构受盐碱环境侵蚀影响明显减弱，但在实际工程中，在纵向没有FRP保护的混凝土结构部分会不可避免的受到盐碱侵蚀，特别是对于FRP约束纤维混凝土结构，在纵向受盐碱侵蚀的情况下结构的工作性能需要进一步研究。

2.2 冻融循环对FRP增强混凝土柱影响研究

冻融循环是FRP与混凝土之间粘结力的重要影响因素之一。目前的研究主要集中在FRP外包面积与组合结构的强度之间关系，发现外贴FRP加固混凝土受到冻融循环影响随外包面积的增大而降低。FRP管混凝土结构几乎不会受到冻融循环引起的损伤。

任慧韬等[14]对27根GFRP约束梁进行了0/25/50次冻融循环对比试验。试验结果表明冻融循环会引起混凝土内部微裂纹的产生，随着冻融次数增加内部微裂缝引起反射裂缝反作用于面层，导致GFRP与混凝土界面粘结强度降低，进而影响GFRP约束梁承载能力与耐久性的降低。刘清霞[15]研究冻融循环对碳纤维粘贴加固的混凝土试件界面粘结情况的影响。发现冻融循环对FRP约束混凝土结构的破坏主要发生在混凝土内部缺陷部位，随着冻融循环增加混凝土内部受损部位逐渐扩张而结构抗压强度也逐渐降低，但冻融循环对FRP与混凝土间极限粘结力没有影响。Green M F等[16]在冻融循环与持续荷载的耦合作用下研究FRP管混凝土圆柱的抗冻融性能。经过150次冻融循环，素混凝土柱对照组几乎无承压能力，而FRP全包混凝土柱的承压能力仅下降2%～16%。结果表明，FRP全包混凝土圆柱能较大幅度提升抗冻融性。综合本节，可以看出，FRP全包混凝土结构在冻融循环条件下对混凝土结构的保护性很好，但实际工程中由于毛细现象水分会从纵向无FRP保护部分侵入，特别是对于FRP约束纤维混凝土结构，在纵向水分侵入的情况下结构的抗冻融性能需要进一步研究。

3 结语

（1） 冻融循环对FRP约束混凝土结构内部产生破坏，且破坏形式由局部到整体，采用预应力FRP纤维布约束混凝土结构能否改善结构内部应力分布情况，延长FRP间隔约束混凝土结构的抗冻融性能。

（2） 在盐碱环境中无树脂覆层的FRP纤维布会发生变性，是否会影响FRP与混凝土粘结界面粘结强度导致FRP脱开问题。

（3） 针对FRP外包加固混凝土结构，如何评判FRP材料在实际使用过程中的老化程度与受侵蚀程度，为及时更换FRP加固部分做准备。

（4）现阶段有不少对于疲劳荷载与冻融循环下FRP加固混凝土结构的工作性能研究，但是对于疲劳荷载与冻融循环耦合作用下FRP加固混凝土结构工作性能的受影响情况仍需进一步研究。