混凝土结构加固中FRP的应用

混凝土结构加固中FRP的应用

杨勇

【关键词】混凝土结构；纤维增强聚合物；加固技术

FRPReinforcedConcreteStructureandItsApplication

YangYong，MeiZuo-yun，YangZhao-peng

（ShandongProvincialAcademyOfBuildingResearchJinanShandong250031）

【Abstract】Inrecentyears,thestrengtheningtechniquesofconcretestructurehavebeenanimportantresearchfieldinstructureengineering.FRPisanewlightweighthigh-strengthmaterial,andtheconstructionwillbeconvenientandshortcut,andthedeadweightofstructurewillhardlybeadded.Inthispaper,themechaniccapabilityisintroduced,thestudyofreinforcedtechniqueswithFRPinChinaisanalyzed.Atlast,themechaniccharacteristicsandsomequestionsarediscussed.

【Keyword】Concretestructure;FiberReinforcedPolymer;Strengtheningtechnology

据统计，我国现存的各种建筑物总面积在100亿m2以上，其中绝大多数是混凝土结构，而且有一半以上投入使用已超过20年。由于结构耐久性差、化学腐蚀、工作荷载改变，以及设计与施工上的缺陷等原因，建筑物不断产生各种安全隐患，所以常常要求对混凝土结构进行补强加固，否则有可能产生重大的安全事故。

FRP称为纤维增强聚合物，是一种轻质、高强的新型加固材料。在上世纪90年代中期日本阪神大地震后的重建过程中，该材料在日本得到推广应用。目前FRP在欧美发达国家及亚洲部分国家已相当普及，而我国在此领域的研发工作起步较晚。

1.FRP材料力学性能

通常用于混凝土结构加固的FRP材料主要有3种：碳纤维增强聚合物CFRP、芳纶纤维增强聚合物AFRP和玻璃纤维增强聚合物GFRP，其中CFRP应用较多。与其他加固材料相比，FRP具有以下几点力学特性［2］。

（1）抗腐蚀性：FRP材料对酸、碱以及土壤等物质的化学腐蚀有很强的抵抗力。

（2）蠕变性：FRP材料蠕变量的大小主要取决于其纤维种类和承受的应力大小。

（3）疲劳性能：FRP材料的疲劳寿命与所承受的应力大小、试件形状、纤维含量、重复荷载循环次数以及频率等因素有关。研究表明，CFRP的耐疲劳性能明显优于钢材。

（4）耐火性能：在350°C时，CFRP材料仍有其正常温度下持荷能力的35%，抗拉弹性模量的40％。

（5）抗紫外线：一些FRP材料会与紫外线发生化学反应而导致其力学性能的降低。但此问题可以通过加入特殊的外加剂或在FRP材料表面涂一层防护层(如一薄层混凝土)就可以解决。

2.FRP加固技术的研究［1、3］

经FRP加固的混凝土结构，在抗弯性能、抗剪性能、抗震性能、抗压性能等各个方面都会有不同程度的改善：

2.1抗弯加固性能。二十世纪90年代，人们便开始对FRP加固梁进行了大量的试验研究和理论分析［4-6］。研究结果表明：用FRP加固的钢筋混凝土梁，其极限承载力将有明显提高，尤其是少筋梁的极限承载力提高幅度最大；用CFRP布对梁加固，则可以明显提高钢筋屈服后的刚度。同时，该技术对结构裂缝的发展也有较强的抑制作用，主要表现在：裂缝的宽度、间距、高度均变小；裂缝变细、变密、变短；抵抗弯曲裂缝的性能得到明显改善。

但是FRP加固技术可以提高试验梁受弯承载力的同时，还应该注意以下两点：(1)用量问题。因为FRP的使用会在一定程度上影响受弯构件的破坏形态。例如，当CFRP用量过多时,构件的破坏形态将由CFRP被拉断引起的破坏转变为混凝土被突然压碎。与此同时，由于CFRP为完全弹性的材料，它与钢筋的共同工作会减弱钢筋塑性性能对构件延性的影响，即构件的廷性将有所降低。(2)使用效率问题。试验发现，同样的FRP用量,分条粘贴比整条粘贴的加固效果略好。同时，随着粘贴层数的增加，其使用效率也将有所降低。

2.2抗剪加固性能。图1为CFRP对混凝土梁和柱进行抗剪加固的示意图。国内外很多学者对此结构进行了破坏机理、承载力计算等方面的研究，发现其抗剪加固的机理与箍筋相似。用CFRP包裹剪跨区的试验梁，其极限抗剪强度一般能够提高20％-40％，且CFRP的间距越小、粘贴层数越多，其增强作用也越明显，即梁抗剪承载力提高幅度越大。CFRP此贡献的大小主要取决于梁剪跨比、混凝土强度和配箍率等试验参数：剪跨比越大，补强加固效果越好；混凝土强度越高，补强加固效果越好；配箍率越低，补强加固效果越好。

图1CFRP抗剪加固CFRP加固在提高钢筋混凝土梁抗剪承载力的同时，还可以明显地改善构件的变形性能，增强构件的变形能力。试验表明，加固后梁的斜裂缝会由一条主斜裂缝转变为分布于CFRP条包裹带之间的众多微裂缝。而且在斜截面破坏之前都有CFRP条的撕裂、起鼓和起皱等破坏先兆，给人们以警告，从而改善了原有钢筋混凝土粱脆性剪切破坏的缺陷。

2.3抗震性能。我国是个多地震国家，大多数地区都处于地震区。在这些地区，对建筑结构进行抗震加固，以及对震损结构的修补常常是结构工程师的主要工作内容。同时在抗震设计中也要求对主要承重构件进行局部加强，使其满足有关的延性要求，这就需要有一些行之有效的抗震加固措施。

通过试验研究证实，沿构件横向外包CFRP，对内部混凝土能够起到很好的约束作用，提高混凝土的极限压应变值，继而推迟了受压区混凝土的破碎，充分发挥了钢筋的塑性变形性能，改善了构件的延性。该方法对混凝土的约束作用与箍筋相比，更为直接、有效。图2为CFRP约束柱加固示意图。

图2CFRP约束加固柱图3为无约束混凝土及CFRP约束混凝土的应力-应变关系曲线。从图中可以明显地看出：对无约束混凝土，应力达到峰值后即刻下降，表明其延性较差；而对CFRP约束的混凝土，当应力接近无约束混凝土强度时，混凝土发生侧向膨胀，CFRP约束力增大，直至CFRP断裂破坏，表明破坏过程延性发展充分。

图3约束后应力-应变关系2.4抗压加固性能。由于FRP为柱体结构提供了有效的横向约束，所以包裹FRP后试件的抗压强度有所提高，同时混凝土的变形性能也得到了较大程度的改善，其效果随材料用量的增加而显著增强。试验研究发现，在材料用量相同的情况下，窄条CFRP的加固效果要优于宽条FRP的加固效果，即FRP在使用时存在宽度效应影响。

2.5正截面承载力加固性能。粘贴FRP补强加固方法，对受弯破坏的钢筋混凝土柱承载力的提高是十分有效的。试验证明，沿柱轴线方向粘贴两层碳纤维织物时，柱的承载力最多可提高45％。FRP的使用同样存在尺寸效应：随着材料宽度的增加，其抗拉强度的使用效率将有所降低。一般情况下，随材料粘贴层的增加，补强加固的效果将更明显，但两者并不呈线性增长关系。

3.混凝土加固结构的受力特点［1］

采用FRP材料对混凝土结构进行加固，可以有效提高结构的各种力学性能，但不是说加固之后的结构就是万无一失的，此时仍需要注意应力、应变滞后性和结构整体性的问题：

3.1应力、应变的滞后性。由于加固前承受荷载的作用，原结构已存在一定的弯曲和压缩变形，所以新加部分必须在受新增荷载作用时才开始受力，这就导致新加部分的应力、应变滞后于原结构的应力、应变，即新旧结构难以同时达到应力峰值。因此，对应力水平指标超过一定限值的结构进行加固时，必须首先采取有效的卸载措施，否则达不到理想的加固效果。

3.2新旧部分的整体性。加固后的结构属于组合结构，新旧两部分必然存在着整体工作问题，而整体工作的关键在于结合面能否有效地传递剪力。根据中国建筑科学研究院的实验研究，混凝土加固结构结合面的受剪承载力可按下式计算：

τ≤fv+0.56ρsvfy

式中：τ——结合面剪应力设计值；

fv——结合面混凝土抗剪强度设计值；

ρsv——横贯结合面的剪切-摩擦筋配筋率；

fy——剪切-摩擦筋抗拉强度设计值。

4.结语

FRP材料具有施工方便、快捷，几乎不增加结构自重，且适用面广等优点，所以FRP加固技术将对延长21世纪基础结构设施的工作寿命以及结构的可持续建设，发挥重要的作用。中国拥有巨大的建筑市场,大量的钢筋混凝土结构急需补强与加固，FRP加固技术作为一种新兴的、技术含量较高的加固方法,具有很大的研究推广

价值和巨大的社会经济效益。

与国外发达国家相比，我国对FRP加固技术的研究和应用都不够成熟，需要积极加强产、学、研相结合，促进FRP产品的国产化；需要增进各科研院所和高等院校之间的合作，积极开拓FRP技术研究与应用的新领域；需要积极组织编制FRP及其相关产品的设计、施工与验收的技术标准和规程。这样才能真正推广FRP在我国建筑行业的应用。

参考文献

［1］张益多，刘荣桂.混凝土结构加固技术研究及应用综述［J］.江苏大学学报（自然科学版），2003，（24）：91-94

［2］谷倩，张祥顺，彭少民.新材料FRP的研究与应用综述［J］.华中科技大学学报（城市科学版），2003，（23）：89-92

［3］赵彤、谢剑等。碳纤维织物补强加固混凝土结构研究（综述）［J］.工程力学增刊，2002：758-763

［4］吴刚，安琳，吕志涛．碳纤维布加固钢筋混凝土梁抗弯加固试验研究［J］．建筑结构，2000，30(7)：3-6

［5］欧阳煜，黄奕辉，钱在兹，顾祥林．玻璃纤维片材加固混凝土梁的抗弯性能研究［J］．土木工程学报，2002，35(3)：1-6

［文章编号］1006-7619（2009）03-24-175

［作者简介］杨勇，男，山东曲阜人，山东省建筑科学研究院，国家一级注册结构工程师。