作者：王新剛¹  崔長(zhǎng)中²

單位名稱：陜西壓延設(shè)備廠 

電話：13992344507郵編：711711

    纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（fiber reinforced polumer/plastic，簡(jiǎn)稱FRP）是由纖維增強(qiáng)材料和基體材料按一定比例混合并經(jīng)過(guò)一系列工藝流程復(fù)合形成的高性能新型材料。FRP有著高強(qiáng)、輕質(zhì)、耐腐蝕等特點(diǎn)，近年來(lái)在建筑工程結(jié)構(gòu)中得到應(yīng)用，并受到工程界的廣泛關(guān)注。目前工程結(jié)構(gòu)中常用的FRP主要為碳纖維（carbon fiber）、玻璃纖維（glass fiber）和芳綸纖維（aramid fiber）增強(qiáng)的樹(shù)脂基體，分別簡(jiǎn)稱為GFRP、CFRP和AFRP。近十年來(lái)，尤其是美國(guó)北嶺地震和日本阪神地震后，F(xiàn)RP材料（主要是片材）加固補(bǔ)強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)在工程中得到了很好的應(yīng)用，F(xiàn)RP材料的輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕、施工性能好等優(yōu)越性能逐漸被工程界認(rèn)可，F(xiàn)RP開(kāi)始以各種形式應(yīng)用于各類土木建筑結(jié)構(gòu)工程中。

    用于建筑工程結(jié)構(gòu)的FRP主要采用長(zhǎng)纖維增強(qiáng)為主，主要的產(chǎn)品形式有：片材（纖維布和板）、筋材和索材、網(wǎng)格材和格柵、拉擠型材、模壓型材等。纖維布是目前應(yīng)用最廣的形式，主要應(yīng)用于結(jié)構(gòu)工程加固，使用前不浸潤(rùn)樹(shù)脂，加固時(shí)用樹(shù)枝浸潤(rùn)后粘貼于結(jié)構(gòu)表面。

 

    FRP材料的性能與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料有很大差別，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：

    （1）比強(qiáng)度很高：即通常所說(shuō)的輕質(zhì)高強(qiáng)，因此采用FRP材料可減輕結(jié)構(gòu)自重。在橋梁工程中，用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料，理論上的極限跨度在5000m以內(nèi)；如果上部結(jié)構(gòu)使用FRP，極限跨度可達(dá)8000m以上。在建筑工程中，采用FRP材料的大跨空間結(jié)構(gòu)體系理論極限跨度比傳統(tǒng)材料結(jié)構(gòu)大2~3倍。因此，F(xiàn)RP結(jié)構(gòu)和FRP組合結(jié)構(gòu)是獲得超大跨度的重要途徑。在抗震結(jié)構(gòu)中，F(xiàn)RP材料可減輕結(jié)構(gòu)自重，減小地震作用，且可顯著提高結(jié)構(gòu)的耐疲勞性能。

 

    （2）良好的耐腐蝕性：FRP可在酸、堿、氯鹽和潮濕環(huán)境中長(zhǎng)期使用。在化工建筑、鹽漬地區(qū)的地下工程、海洋工程和水下工程中，F(xiàn)RP材料良好的耐腐蝕性能得到實(shí)際工程的證明。國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家每年因鋼材銹蝕而造成的橋梁和結(jié)構(gòu)工程老化損壞修復(fù)費(fèi)用極高，我國(guó)目前因鋼材銹蝕而造成的損失也在逐年增加，因此，在寒冷地區(qū)和近海地區(qū)的橋梁、建筑中采用FRP結(jié)構(gòu)或FRP配筋混凝土結(jié)構(gòu)以抵抗除冰鹽和空氣中鹽分的腐蝕，可極大地降低結(jié)構(gòu)維護(hù)費(fèi)用，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)使用壽命。

   

    （3）良好的可設(shè)計(jì)性：FRP屬于人工材料，可根據(jù)工程需要采用不同纖維材料、纖維含量和鋪陳方式等不同工藝設(shè)計(jì)出不同強(qiáng)度指標(biāo)、彈性模量及特殊性能要求的FRP產(chǎn)品，且FRP鏟平形狀可靈活設(shè)計(jì)。

   

    （4）良好的彈性性能:FRP材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線接近線彈性，塑性變形小，有利于解雇偶然超載后的變形恢復(fù)。

   

    （5）工廠化生產(chǎn)，現(xiàn)場(chǎng)安裝：有利于保證工程質(zhì)量、提高勞動(dòng)效率和建筑工業(yè)化。

   

    （6）其他優(yōu)勢(shì)：絕緣、隔熱、熱膨脹系數(shù)小及透電磁波等，因此可用于一些特殊場(chǎng)合如雷達(dá)站、地磁觀測(cè)站、醫(yī)療核磁共振設(shè)備結(jié)構(gòu)等。

   

    與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料不同，F(xiàn)RP材料通常為各向異性材料，沿纖維方向強(qiáng)度和彈性模量較高，而垂直纖維方向的強(qiáng)度和彈性模量很低。因此，其受力性能復(fù)雜，增加了FRP結(jié)構(gòu)的分析和設(shè)計(jì)難度。FRP產(chǎn)品的彈性模量大致與混凝土和木材同一數(shù)量級(jí)，因此，F(xiàn)RP結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)通常為變形控制。因其彈性模量相較于鋼材較低，可通過(guò)合理與混凝土材料組合及采用預(yù)應(yīng)力等方法控制結(jié)構(gòu)的變形，以補(bǔ)償剛度不足。FRP材料的剪切強(qiáng)度、層間拉伸強(qiáng)度和層間剪切強(qiáng)度僅為其抗拉強(qiáng)度的5%~20%，因此，F(xiàn)RP結(jié)構(gòu)的連接部位往往容易成為整個(gè)構(gòu)件的薄弱環(huán)節(jié)，因此，在FRP結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，一方面要盡量減少連接，另一方面要重視連接的設(shè)計(jì)。與混凝土相比，一般FRP材料防火性能較差，樹(shù)脂在高溫下達(dá)軟化溫度時(shí)力學(xué)性能大大降低，目前可在FRP的樹(shù)脂材料中摻入阻燃劑，提高其抗火性能。另外，初始缺陷和工作環(huán)境對(duì)FRP材料抗疲勞性能的影響非常顯著。

     

    目前，單從材料價(jià)格上比較，F(xiàn)RP結(jié)構(gòu)和FRP組合結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，價(jià)格很昂貴。但由于自重輕，耐腐蝕，維護(hù)費(fèi)用低廉，因此，采用FRP材料的綜合經(jīng)濟(jì)效益值得重視。

    將FRP片材粘貼于構(gòu)件表面受拉，可增強(qiáng)構(gòu)件的受力性能。我國(guó)從1998年后對(duì)FRP加固技術(shù)開(kāi)展一系列研究，在一些重大工程的加固改造中推廣應(yīng)用FRP加固技術(shù)，于2000年頒布我國(guó)FRP片材加固設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)程。近年來(lái)我國(guó)還開(kāi)展了FRP片材加固砌體結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)的研究與應(yīng)用。目前以加固混凝土結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用最多。

   

    2.1 FRP片材加固混凝土結(jié)構(gòu)

    （1）FRP布纏繞加固混凝土柱：這是FRP布加固混凝土最有效的加固形式。通過(guò)約束混凝土以提高混凝土強(qiáng)度和變形能力，并可提高柱的抗剪能力。但FRP對(duì)混凝土柱的約束效應(yīng)與截面形狀有很大關(guān)系，對(duì)矩形截面柱，受壓承載力的提高有限，一般不超過(guò)25%，主要提高變形能力和抗剪能力。因此加固時(shí)可考慮將截面形狀適當(dāng)處理，形成一定弧度，則可顯著提高受壓承載力。FRP包裹纏繞圓形混凝土柱可大大改善其延性，經(jīng)加固的混凝土柱軸壓比限值可適當(dāng)提高。但CFRP布延伸率較小，用于纏繞加固混凝土柱時(shí)其破壞為突然的脆性破壞，須引起設(shè)計(jì)重視。

   

    （2）梁、板受拉面粘貼FRP片材

    可提高梁、板的受拉承載力，并有效控制裂縫。但存在以下問(wèn)題：FRP片材的受拉作用僅在受拉鋼筋屈服后才能得以有效發(fā)揮，而此時(shí)梁、板的撓度變形已很大，故用于受拉加固的FRP片材僅為一種安全儲(chǔ)備；加固后受彎承載力提高程度與加固前梁、板原有配筋量有很大關(guān)系；FRP片材用于受彎加固時(shí)易發(fā)生剝離破壞。因此，在梁的側(cè)面粘貼FRP條帶，以控制梁腹配筋不足導(dǎo)致裂縫過(guò)大，這應(yīng)成為FRP在梁、板加固中的主要應(yīng)用。

   

    目前，F(xiàn)RP片材加固混凝土結(jié)構(gòu)得到廣泛應(yīng)用，但仍有很多問(wèn)題值得深入研究，如：界面粘接性能和剝離、疲勞性能，防火問(wèn)題，環(huán)境影響等。

   

    2.2.FRP加固修復(fù)鋼結(jié)構(gòu)

    FRP加固修復(fù)鋼結(jié)構(gòu)是采用FRP板（或布）粘貼到鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷部位，提高或改善其受力性能，主要有以下幾種形式：（1）在梁的受拉面粘貼FRP片材，提高其抗彎承載力和抗彎剛度，該種加固形式國(guó)內(nèi)外研究應(yīng)用較大，也比較有效；（2）在梁腹板粘貼FRP片材，提高其抗剪承載力；（3）對(duì)疲勞損傷鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，提高剩余疲勞壽命；（4）FRP布環(huán)向纏繞鋼管柱，避免鋼管的局部失穩(wěn)，提高柱的抗壓承載能力；（5）對(duì)鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的加固。

   

    2.2.1 受彎構(gòu)件的加固

    FRP用于加固無(wú)初始損傷缺陷的鋼梁，其承載能力有一定提高，但剛度沒(méi)有明顯變化。對(duì)于存在損傷的受彎構(gòu)件加固，剛度基本能恢復(fù)到未損傷狀況下鋼梁剛度的90%以上，極限承載力的提高隨加固量和損傷程度的不同而不同。對(duì)損傷鋼梁采用FRP加固后，F(xiàn)RP材料在損傷部位與鋼梁將發(fā)生剝離破壞，損傷越嚴(yán)重，剝離破壞越明顯，從而使FRP材料的高強(qiáng)作用得到充分利用。但過(guò)早發(fā)生剝離破壞，對(duì)極限承載能力的提高作用有限，因此，應(yīng)采取措施延緩或避免剝離破壞的發(fā)生。

   

    2.2.2 受拉（壓）構(gòu)件的加固

    用FRP布加固受拉構(gòu)件，可有效提高鋼構(gòu)件的屈服荷載和極限荷載，且破壞模式基本為FRP布被拉斷，且多為斷面附近或FRP布端部的脫膠破壞。脫膠的位置和程度不同，極限承載能力不同，因此，F(xiàn)RP用于受拉構(gòu)件的加固中，膠粘劑起著十分重要的作用。、

   

    FRP對(duì)于受壓構(gòu)件的加固中，采用沿柱子環(huán)向粘貼FRP布比沿縱向粘貼的加固效果更好，極限承載力可提高15%~18%。且采用環(huán)向FRP布加固，不會(huì)發(fā)生FRP布與鋼構(gòu)件之間的剝離和FRP布斷裂的現(xiàn)象，最后破壞模式為鋼柱局部屈曲破壞；采用縱向加固，破壞模式則為FRP布與鋼構(gòu)件之間的剝離破壞。

   

    FRP用于鋼結(jié)構(gòu)的加固應(yīng)用還有好些方面。如采用FRP加固后，存在疲勞損傷的鋼結(jié)構(gòu)的剩余疲勞壽命均成倍增長(zhǎng)，加固效果十分明顯。但對(duì)FRP加固鋼結(jié)構(gòu)，應(yīng)注意到，采用FRP加固后，原有的受力狀態(tài)發(fā)生變化，原來(lái)全部由鋼結(jié)構(gòu)承受的荷載在加固后通過(guò)膠粘劑的傳遞，由鋼結(jié)構(gòu)和FRP共同承受，因此，膠層對(duì)于荷載的有效傳遞是很重要的問(wèn)題。FRP與鋼結(jié)構(gòu)間的膠層存在剪應(yīng)力或正應(yīng)力，尤其是在不連續(xù)的區(qū)域（鋼結(jié)構(gòu)存在損傷裂紋、膠層存在漏膠缺陷、FRP端部等區(qū)域），膠層的剪應(yīng)力或正應(yīng)力存在應(yīng)力集中，容易引起膠層的破壞。為了避免膠層的剝離破壞，可采用把FRP板兩端做成45^。角以有效減小膠層的應(yīng)力；也可才有那個(gè)鋼夾具把FRP布兩端固定，以抵抗端部較大的正應(yīng)力和剪應(yīng)力。同時(shí)，開(kāi)發(fā)高性能低成本、適用于鋼結(jié)構(gòu)加固的膠粘劑材料是FRP加固鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)的關(guān)鍵。

   

    FRP筋中纖維體積含量可達(dá)60%以上，重量約為普通鋼筋的1/5,強(qiáng)度為普通鋼筋的6倍，輕質(zhì)高強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，且具有抗腐蝕、低松弛、非磁性、抗疲勞等優(yōu)點(diǎn)。目前用FRP筋代替鋼筋可利用其良好的耐腐蝕性，避免銹蝕對(duì)結(jié)構(gòu)帶來(lái)的損害，降低結(jié)構(gòu)的維護(hù)費(fèi)用。還可用作預(yù)應(yīng)力筋和預(yù)應(yīng)力索。作為混凝土構(gòu)件中配筋的FRP筋要通過(guò)表面砂化、壓痕、滾花或編織等工藝增強(qiáng)其與混凝土間的粘結(jié)力；用作預(yù)應(yīng)力FRP筋的索一般較柔軟，具有一定的韌性。因FRP筋直到拉斷均表現(xiàn)為線彈性，沒(méi)有普通鋼筋的屈服平臺(tái)，因此構(gòu)件破壞帶有一定的脆性，對(duì)FRP筋的設(shè)計(jì)不能簡(jiǎn)單類同于鋼筋的計(jì)算，必須針對(duì)其性能采用合理的設(shè)計(jì)方法。此外，F(xiàn)RP筋較難現(xiàn)場(chǎng)成形，用于箍筋等形狀復(fù)雜的配筋需事先設(shè)計(jì)好并在加工廠加工。

     

    FRP—混凝土組合梁、板是一種合理的FRP與混凝土組合的機(jī)構(gòu)形式，上部為混凝土主要受壓，下部為FRP主要受拉，它們之間通過(guò)剪力連接件使二者協(xié)同工作以充分利用，并獲得較大的剛度；同時(shí),FRP可兼為模板，方便施工。工作原理與鋼—混凝土組合梁、板相同。

    

    將混凝土澆筑入預(yù)制的FRP管中形成的FRP管混凝土組合構(gòu)件，F(xiàn)RP管對(duì)內(nèi)部混凝土起約束作用，并兼作模板，可極大地提高混凝土的強(qiáng)度和變形能力，同時(shí)混凝土也可防止FRP管的屈曲破壞。FRP管混凝土受力性能好，施工方便，并具有良好的耐腐蝕性，因此在結(jié)構(gòu)工程中得到較廣泛的應(yīng)用。

   

 4、FRP空間結(jié)構(gòu)

    由于FRP材料的輕質(zhì)高強(qiáng)和耐腐蝕的優(yōu)點(diǎn)，特別適合用于大跨度空間結(jié)構(gòu)。FRP制成桿件，可用于網(wǎng)架或網(wǎng)殼等結(jié)構(gòu)中，但因FRP彈性模量低，節(jié)點(diǎn)處理困難，因此在大跨度的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中很難發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。目前在建筑工程中，大多為采用FRP板填充網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格以部分受力，或采用FRP構(gòu)件代替部分鋼構(gòu)件的網(wǎng)架或網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。近年，日本成功開(kāi)發(fā)帶有鋁合金接頭的CFRP卷管，桿件由CFRP片材以不同角度層疊粘貼而成，桿端采用鋁合金的錐頭與球節(jié)點(diǎn)連接，應(yīng)用于空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中。CFRP網(wǎng)架結(jié)構(gòu)重量?jī)H為鋼網(wǎng)架的1/5~1/4,施工周期短，耐腐蝕性好，可避免凝露，維護(hù)費(fèi)用低，線脹系數(shù)小，大跨度溫度效應(yīng)小，非常適合于在超大跨度的空間結(jié)構(gòu)和環(huán)境比較惡劣的大跨結(jié)構(gòu)。

    

    FRP可制成波紋板、帶肋板、空心板或夾芯板，組成各種形狀的拱、殼、折板以及穹頂?shù)瓤臻g結(jié)構(gòu)，可用于雷達(dá)天線罩、娛樂(lè)設(shè)施、工業(yè)廠房等結(jié)構(gòu)中，具有色澤鮮亮，耐腐蝕，成形容易，施工方便，重量輕，保溫性好等優(yōu)勢(shì)。

     本文介紹了FRP材料的功能特點(diǎn)及其在建筑工程中的應(yīng)用情況及應(yīng)注意的問(wèn)題。FRP作為一種新型的高性能材料，必將成為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料的重要補(bǔ)充，給建筑工程結(jié)構(gòu)帶來(lái)新的發(fā)展契機(jī)，并將顯示不可忽視的綜合效益。目前，我國(guó)FRP的應(yīng)用主要以結(jié)構(gòu)加固為主，且主要用于結(jié)構(gòu)正常使用狀況的加固較多，其他方面工作相對(duì)滯后。因此，對(duì)于FRP在建筑工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用和研究，有著很大的工程應(yīng)用和經(jīng)濟(jì)效益前景。

 

1.楊允表，石洞.復(fù)合材料在橋梁工程中的應(yīng)用【J】.橋梁建筑，1997，（4）：1—4

2.中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì).碳纖維片材加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程【S】

3.馬建勛，宋松林，賴志生.粘貼碳纖維布加固鋼構(gòu)件受拉承載力實(shí)驗(yàn)研究【J】。工業(yè)建筑，2003，33（2）：1—4

4.彭福明，郝際平，岳清瑞等。FRP加固修復(fù)鋼結(jié)構(gòu)的荷載傳遞效果分析【J】。工業(yè)建筑，2003，35（8）：26—30

5.馮鵬，葉列平。GFRP空心板靜載試驗(yàn)研究及分析【J】。工業(yè)建筑，2004，34（4）15—18