纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(frp) 在工程結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用

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1、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）在工程結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用肖萍（福建信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院福州，350019）摘要：介紹FRP這種新型高性能復(fù)合材料的種類、性能特點(diǎn)及對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件的加固方式，并介紹了FRP復(fù)合材料在土木工程不同領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展，展望了FRP復(fù)合材料在今后土木工程領(lǐng)域的廣闊發(fā)展前景。關(guān)鍵詞：FRP復(fù)合材料；材料性能；鋼筋混凝土構(gòu)；修復(fù)加固隨著社會(huì)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，土木工程結(jié)構(gòu)學(xué)科的發(fā)展，在很大程度上得益于性質(zhì)優(yōu)異的新材料、新技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，而纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（fiberreinforcedpolymer簡(jiǎn)稱FRP）以其優(yōu)異的力學(xué)性能及適應(yīng)現(xiàn)代工程

2、結(jié)構(gòu)向大跨、高聳、重載、輕質(zhì)發(fā)展的需求，正被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于橋梁工程、各類民用建筑、海洋工程、地下工程中，受到結(jié)構(gòu)工程界廣泛關(guān)注。1FRP復(fù)合材料的種類FRP復(fù)合材料是由纖維材料與基體材料按一定地比例混合，經(jīng)過(guò)特別的模具擠壓、拉拔而形成的高性能型材料。目前工程結(jié)構(gòu)中常用的FRP主材主要有碳纖維（CGRP）、玻璃纖維（GFRP）、及芳綸纖維（AFRP），這些材料性能如表1所示，其材料形式主要有片材（纖維布和板）、棒材（筋材和索材）及型材（格柵型、工字型、蜂窩型等）。1.1在FRP片材中，纖維布是目前應(yīng)用最為廣泛的形式，它由連續(xù)的長(zhǎng)纖維編織而成，通

3、常是單向纖維布，使用前布浸潤(rùn)樹(shù)脂，在采用FRP布加固時(shí)布的形狀可以根據(jù)被加固結(jié)構(gòu)的外形隨意調(diào)整，加上它本身沒(méi)有剛度，運(yùn)輸方便，較適用于梁與柱的抗剪、抗彎加固，柱與節(jié)點(diǎn)的抗震加固。但由于FRP布的厚度較薄，需多層粘貼才能滿足要求，所以施工工藝較繁雜，操作較為困難。而FRP板則可以承受纖維方向上的拉和壓，所以FRP板較適用于梁板柱的抗彎加固和抗剪加固。1.2在FRP棒材中，F(xiàn)RP筋是采用單向成型工藝，將單向長(zhǎng)纖維與樹(shù)脂混合為棒材；而FRP索是將連續(xù)的長(zhǎng)纖維單向編織，再用少量樹(shù)脂浸潤(rùn)固化或不用樹(shù)脂固化而制成的索狀FRP制品。FRP筋和FRP索可以在鋼筋

4、混凝土代替鋼筋和預(yù)應(yīng)力筋，特別是FRP筋用作預(yù)應(yīng)力筋時(shí)，它的高強(qiáng)度、低彈性模量和抗腐蝕性對(duì)結(jié)構(gòu)都十分有力。同時(shí)它們還可用于大跨度支撐結(jié)構(gòu)、張拉結(jié)構(gòu)和懸挑結(jié)構(gòu)，且一般可節(jié)約勞動(dòng)力和大量后期的維護(hù)費(fèi)用。但工程造價(jià)一般高于采用鋼筋的方案。1.3在FRP型材中，F(xiàn)RP格柵型材可代替鋼筋網(wǎng)或鋼筋籠，直接用作結(jié)構(gòu)中作為樓面或夾心板等構(gòu)件，同時(shí)FRP其他型材也可用于管道、樁基等尺寸較大或形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)構(gòu)件中。2FRP復(fù)合材料的基本力學(xué)性能和特點(diǎn)：2.1抗拉強(qiáng)度高，F(xiàn)RP的抗拉強(qiáng)度均明顯高于鋼筋，與高強(qiáng)鋼絲抗拉強(qiáng)度差不多，一般是鋼筋的兩倍甚至達(dá)十倍。但FRP材料

5、在達(dá)到抗拉強(qiáng)度前，幾乎沒(méi)有塑性變形產(chǎn)生，受拉時(shí)應(yīng)力－應(yīng)變呈線彈性上升直至脆斷，因此FRP復(fù)合材料在與混凝土結(jié)構(gòu)共同作用的過(guò)程中，往往不是由于FRP材料被拉斷破壞，而是由于FRP－混凝土界面強(qiáng)度不足導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)界面被剝離破壞，所以，F(xiàn)RP－混凝土界面粘結(jié)性能問(wèn)題成為今后工程應(yīng)用的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)。2.2FRP復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)與混凝土相近，這樣當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，F(xiàn)RP與混凝土協(xié)調(diào)工作，兩者間不會(huì)產(chǎn)生大的溫度應(yīng)力。2.3與鋼材相比，大部分FRP產(chǎn)品彈性模量小。約為普通鋼筋的25％～75％。因此，F(xiàn)RP結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)通常由變形控制。2.4FRP的抗剪強(qiáng)

6、度低，其強(qiáng)度僅為抗拉強(qiáng)度的5％～20％，這使得FRP構(gòu)件在連接過(guò)程中需要研制專門的錨具、夾具。也使得FRP構(gòu)件的適度成為研究突出的問(wèn)題。2.5FRP材料抗腐蝕、抗疲勞性能好，可以在酸、堿、氯鹽和潮濕的環(huán)境中長(zhǎng)期使用，因而可提高結(jié)構(gòu)的使用壽命，這是結(jié)構(gòu)材料難以比擬的。但同時(shí)，與一般混凝土相比較，F(xiàn)RP復(fù)合材料的防火性能偏差，這也制約了該類結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的推廣應(yīng)用，成為今后要解決的問(wèn)題之一。2.6自重小、施工方便，其重量一般為鋼材的20％，沒(méi)有濕作業(yè)，不需大型施工機(jī)具，無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)固定設(shè)施，施工占用場(chǎng)地少，可降低勞動(dòng)力費(fèi)用。材料種類密度Kg/m3彈性模量Mpa

7、抗拉強(qiáng)度Mpa極限應(yīng)變%普通鋼筋78502.1x10540010.0高強(qiáng)鋼絲78502.0x10518004.0GFRP≈2000≈5.1x104≈1670≈3.3CFRP≈1500≈1.5x105≈1700≈1.1AFRP≈1300≈6.4x104≈1610≈2.5表1FRP復(fù)合材料力學(xué)性能比較3FRP復(fù)合材料在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件中的加固方式3.1梁的受彎、受剪加固FRP對(duì)混凝土簡(jiǎn)支梁進(jìn)行受彎加固時(shí)，首先應(yīng)現(xiàn)將梁底粘貼FRP的區(qū)域進(jìn)行處理，去除表面的薄弱層，露出表面的混凝土層并打磨平整，以保證混凝土與FRP之間的可靠粘結(jié)，如圖一所示。同時(shí)在普通

8、混凝土梁的受剪加固中，F(xiàn)RP對(duì)于不同截面形狀及角部的廣泛適用性，也是其突出的優(yōu)勢(shì)。3.2FRP可用于板的受彎加固采用FRP材料對(duì)板進(jìn)行加