FRP加固混凝土梁研究综述

FRP加固混凝土梁研究综述

李成武

东北石油大学土木建筑工程学院，黑龙江省大庆市 163318

摘 要：由于混凝土结构长期使用，结构有时会产生不可避免的开裂，也会使结构强度、刚度及承载力降低。纤维增强复合材料(FRP)因其轻质、高强的特点，在结构加固领域中得到广泛的应用。文中概述了加固混凝土梁在国内外研究现状，并总结了一些研究不足的地方。

关键词：FRP；混凝土；加固

1  引言

随着混凝土结构长期服役，结构会不可避免地产生开裂，结构强度、刚度及承载力降低等问题。纤维增强复合材料(FRP)因其轻质、高强的特点，在结构加固领域中得到广泛的应用[1]。

2  国内外研究状况

目前，国内外许多研究员对于FRP加固混凝土梁的抗弯、抗剪能力进行了较为系统的研究，还通过数值模拟以及理论分析等工作阐述了FRP材料性能在加固混凝土中产生较为关键的作用。Jingming Cai等[2]为了验证组合梁有限元模型的有效性，利用ATENA/GID求解软件对玄武岩FRP筋加固的ECC混凝土梁和混凝土梁的抗弯性能进行了数值研究。结果表明：BFRP筋在ECC梁中比在混凝土梁中更能充分发挥其强度，且ECC梁具有较好的裂缝控制能力。紧接着王洋等[3]由于为改善GFRP筋混凝土梁裂缝宽度较大的缺陷，提出一种将GFRP筋穿入金属波纹管并灌注水泥基高强灌浆料的新型构造措施。试验结果表明：与普通拉挤GFRP筋相比，新型构造措施可减小梁在使用阶段的裂缝宽度，延缓顺筋裂缝的出现。还有邢丽丽等[4]为了今后FRP加固混凝土梁的深入研究，通过FRP加固混凝土梁的抗剪和抗弯性能的研究现状，在FRP加固形式、加固效果、影响因素及破坏机理等方面进行整理。说明了其有限元数值模拟、预应力FRP布加固混凝土梁以及各影响因素综合化、耦合化方面的研究相对较少。

随后2019年，Shuai Yang等[5]采用现代钢筋混凝土结构分析方法，结合中国现行规范，对FRP筋混凝土梁的力学特性、破坏模式和变形特性等进行了综合分析。结果表明：为提高构件的延性，可在混凝土梁的受压区放置适量钢筋。Shandy Sary等[6]采用基于玻璃钢的有限元方法建立钢筋混凝土梁的抗剪加固模型和采用计算机有限元分析(FEA)程序，对3种试验材料的变化进行了二维模型建模。结果表明：该程序可以很好地说明模拟研究产生的材料行为响应，GFRP在承受荷载方面有贡献，与混凝土在承受荷载时存在良好的相互协同作用。

2020年，吴涛等[7]通过分析了纤维掺量、纵筋类型、配筋率及纵筋直径等参数对试件承载能力、弯矩跨中挠度曲线、裂缝宽度等受弯性能的影响。研究结果表明：GFRP筋钢纤维高强轻骨料混凝土梁能够满足正常使用和承载力要求，GFRP筋与高强轻骨料混凝土具有良好的协同工作能力。Hosseini Seyyed Asgar等[8]对未受剪加固的含钢纤维和碎胎橡胶的FRP筋混凝土梁的抗剪性能进行了抗剪性能评估，然后提出了预测其受剪承载力的分析模型，得到了第一次开裂弯矩与受剪承载力之间的关系。结果表明：大多数公式高估了FRP筋梁的抗剪承载力，而目前的公式提供了更准确的结果。这些结果使得所提出的模型适用于精确设计含有钢纤维和碎胎橡胶的FRP筋混凝土梁。

2021年，张智梅等[9]从试验研究、数值模拟以及理论分析三方面对外贴FRP加固钢筋混凝土梁的抗弯疲劳性能研究进行了详细总结，并对FRP-混凝土粘结界面和锈蚀钢筋混凝土加固梁的疲劳性能进行了介绍，说明可以借助有限元软件开展多因素影响下的抗弯疲劳试验、界面疲劳粘结-滑移性能的引入、拟合得到考虑多个影响因素的加固梁疲劳寿命计算公式。

2022年，张书颖、陈适之等[10]对解决当前纤维增强复合材料(FRP)加固钢筋混凝土梁抗弯承载力预测中模型不统一、计算繁琐、精度有限等问题，建立了统一化的抗弯承载力预测模型。研究结果表明：基于XGBoost的承载力预测模型展现出了较高的预测精度，预测模型精度远优于基于传统机器学习算法SVR和ANN的预测模型。

3  结论及展望

通过了解已有FRP加固混凝土梁的相关研究，发现FRP可提高结构的受力性能、增强耐久性，对混凝土梁能够起到很好的加固作用。但还存在些许问题需要展开进一步完善和研究，对于加固混凝土梁有关抗剪性能存在着的GFRP加固钢筋混凝土梁的有限元分析可以进一步利用三维单元分析进行模拟研究，关于抗弯性能的是在外贴FRP加固钢筋混凝土梁的抗弯疲劳性能的研究主要均为试验阶段且有限元模拟研究还可以考虑FRP-混凝土界面的粘结滑移。

参考文献:

[1]杨建华,唐于凌.FRP-混凝土研究进展综述[J].黑龙江交通科技,2020,43(03):73-74.

[2]Jingming Cai,Jinlong Pan,Xiangming Zhou. Flexural behavior of basalt FRP reinforced ECC and concrete beams[J]. Construction and Building Materials,2017,142.

[3]王洋,董恒磊,王震宇.GFRP筋混凝土梁受弯性能试验[J].哈尔滨工业大学学报,2018,50(12):23-30.

[4]邢丽丽,孔祥清.外贴FRP加固钢筋混凝土梁结构性能研究进展[J].混凝土,2018(09):40-44.

[5]Shuai Yang,Xinsheng Xu. Analysis of Breaking Mode of FRP Reinforced Concrete Beam and Calculation of Bearing Capacity[J]. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science,2019,267(4).

[6]Shandy Sary,Hermanto Joni. Pre-Test Analysis on Reinforced Concrete Beams with Shear Strengthening using GFRP by Finite Element Method[J]. Journal of Physics: Conference Series,2019,1364.

[7]吴涛,孙艺嘉,刘喜,魏慧.GFRP筋钢纤维高强轻骨料混凝土梁受弯性能试验研究[J].建筑结构学报,2020,41(04):129-139+159.

[8]张智梅,陈刚,王卓.FRP筋混凝土梁的抗剪承载力[J].上海大学学报(自然科学版),2020,26(02):301-310.

[9]Hosseini Seyyed Asgar and Nematzadeh Mahdi and Chastre Carlos. Prediction of shear behavior of steel fiber-reinforced rubberized concrete beams reinforced with glass fiber-reinforced polymer (GFRP) bars[J]. Composite Structures, 2020, 256.

[10]张书颖,陈适之,韩万水,吴刚.基于集成学习的FRP加固混凝土梁抗弯承载力预测研究[J].工程力学,2022,39(08):245-256.