纤维增强聚合物混凝土研究综述

2021-03-11雷霆

河南建材 2021年2期

雷霆

郑州大学护理与健康学院（450001）

0 引言

目前，传统材料本身的高自重已经不能满足结构加固的要求。由于纤维增强聚合物(FRP)的应用为此问题提供了一个可行的解决方案，因而得到了桥梁设计和建筑领域各方面的高度重视。目前，FRP主要以四种形式在土木工程中得到了广泛应用[1-3]:①以筋（FRP Rebar）和索（tight wire）的形式替代普通钢筋、预应力钢筋和钢绞线，用于各类新建结构及加固工程中；②以管状组合结构形式用于混凝土结构的新建工程中即FRP 约束混凝土组合构件（FRP shell confined concrete member）或 FRP 起约束混凝土作用的FRP 管填充混凝土构件（FRP tube filled with concrete as member）； ③ 以片材（sheet）的形式用于混凝土结构、砌体结构和木结构的加固补强；④全复合材料结构。

1 纤维增强聚合物筋增强混凝土

用于混凝土和预应力混凝土增强的复合材料构件包括 FRP 筋（FRP rebar）和预应力 FRP 筋（pre-stressed FRP tendon）。 FRP 的增强体为碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维，基体树脂为乙烯基酯树脂或环氧树脂，所形成的复合材料分别为碳纤维增强塑料（CFRP）、玻璃纤维增强塑料（GFRP）和芳纶纤维增强塑料（AFRP）。成型工艺则以拉挤工艺为主。为了增强FRP 筋与混凝土的界面结合性能，FRP 筋表面应作凹坑处理，并可以喷砂[4]。设计用FRP 构件增强的混凝土构件时需要考虑的FRP 的性能见表1。

2 纤维增强聚合物管约束混凝土

纤维增强聚合物(FRP)约束混凝土组合结构是以FRP 取代或部分取代钢筋混凝土中的钢筋所形成的一种新结构。该结构以FRP 筒体作为模板，浇筑混凝土所形成的预制结构。混凝土材料抗压能力较强，抗拉能力很低；而FRP 具有质量轻、强度高的优势，优异的耐腐蚀性能、材料的可设计性、成型方便的特点，将两者结合在一起协同工作，能充分发挥两种材料的各自特长，而且可以克服钢筋易锈蚀、混凝土暴露在腐蚀性环境中易风化的问题。

表1 设计时需考虑的FRP 增强材料的性能

2.1 纤维增强聚合物管约束混凝土组合结构的形式

FRP 约束混凝土组合结构由很多受力构件组合而成，主要受力构件有梁、柱、墩等。梁是将楼板或桥面板上的载荷传递到立柱上，以弯曲为主要变形形式。根据梁的受力情况，制作了一种混凝土填充±45°纤维交叉缠绕的GFRP 管、并在GFRP 管抗拉面粘贴CFRP 所形成的组合结构梁。其中FRP 管内的混凝土承受大部分压应力，±45°纤维交叉缠绕的GFRP 承受剪应力，抗拉面的CFRP 和GFRP 共同作用承受拉应力[5]。柱的作用是支撑桥面体系，属于受压构件，载荷有偏心时，柱受压的同时也会变弯。受压柱可分为短柱和长柱两类。极限承载力仅取决于构件的横截面尺寸和材料强度的柱称为短柱；当柱的长度比较大，受载时引起侧向变形，这时柱的极限承载能力将受此侧向变形所产生的附加弯矩影响而降低，此柱成为长柱。

2.2 纤维增强聚合物管约束混凝土工作机理

根据约束方式的不同，约束混凝土分为主动约束混凝土和被动约束混凝土两种。同样，FRP 约束混凝土也分为FRP 主动约束混凝土和FRP 被动约束混凝土。从应力-应变关系的角度来说，对于其他因素相同的两种不同约束方式，当外力也相同时，被动约束所产生的应变应该大于主动约束产生的应变。在承载过程中，核心混凝土受纵向压应力和径向的约束压应力，FRP 套箍受纵向压应力、环向拉应力及径向压应力。

3 纤维增强聚合物加固混凝土

ACI-440F 委员会根据结构加固领域中一系列试验结果，制定了FRP 材料加固设计规程[6-8]，主要内容如下:

3.1 抗弯设计

受弯区外贴FRP 加固的梁在荷载作用下的抗弯设计主要基于受压区混凝土的受压破坏、受拉区纤维的拉断以及其他几项提前破坏形式，而不像传统的钢筋混凝土梁以钢筋屈服为标准进行设计。总的设计原则是:①必须由熟悉FRP 材料及加固设计的工程师进行设计；②设计中材料断面面积的要求量应根据应力应变关系和拉区拉力的需要来确定，不能根据等量的钢筋断面面积来确定。

3.2 抗剪设计

FRP 的抗剪作用可以通过沿假定裂缝方向上纤维的应力及面积来计算分析，在设计中应满足:①计算FRP 的作用时，FRP 的受拉应变值应限制在0.4%以内，以保证此时混凝土的抗剪作用有效，并减小挠度变形；②应对黏结应力进行细致分析、以保证该加固方法的有效性；③整个抗剪约束作用之和，即FRP 对抗剪强度的提高部分与箍筋的作用之和应小于ACI318 的有关规定。

3.3 抗压及延性的提高

圆形及矩形截面的受压构件均可以采用外包FRP 的方法进行加强。FRP 的约束作用可以显著提高混凝土的极限应变及极限强度。FRP 的应变应依据应变协调原理，根据轴向压力引起的径向压应变来计算。

3.4 疲劳及徐变

由于潜在着徐变破坏的可能性，针对不同类型的FRP，应设计不同的持续应力限值。对GFRP（玻璃纤维）应使其持续应力不超过设计抗拉强度的30%，持续应力 CFRP（碳纤维）为 80%，AFRP(芳纶纤维)为70%。使用荷载作用下的最大应力应取持续应力下限值的45%，在循环荷载作用下，FRP 材料的应力应按照持续应力标准加以限制，防止出现疲劳破坏。