纤维增强材料补强混凝土结构技术应用研究

纤维增强材料补强混凝土结构技术应用研究

作者：纪铭

来源：《科技创业月刊》 2016年第2期

纪铭

（鄂尔多斯市筠泰建设监理有限责任公司内蒙古鄂尔多斯０１７０００）

摘要：纤维增强材料（ＦＲＰ）由于其优异的性能而在混凝土结构加固补强中极具发展潜力，纤维增强材料补强混凝土结构技术已成为土木工程界研究与应用的热点。阐述了纤维增强材料的性能、特点以及纤维增强材料加固混凝土结构技术的研究及应用现状、发展态势。

关键词：ＦＲＰ；混凝土结构；加固补强

中图分类号：TU377.9

文献标识码：Ａ

ｄｏｉ：１０．３９６９/ｊ．ｉｓｓｎ．１６６５－２２７２．２０１6．02．０46

收稿日期：２０１5－11－25

目前，纤维增强复合材料（ＦｉｂｒｅＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＰｏｌｙｍｅｒ／Ｐｌａｓｔｉｃ，简称ＦＲＰ被广泛应用于混凝土结构及其它结构的加固中。世界各地对基础设施加固、修复和改造的巨大要求，以及ＦＲＰ材料耐腐蚀、轻质、施工便捷等优点是该技术得以迅速发展的两个主要原因。当然，价格的持续下降也促进了该项技术的发展。ＦＲＰ加固混凝土结构是２０世纪８０年代在日、美、瑞士等发达国家兴起的一项新技术。该技术自１９９７年引入我国以来，立即成为土木工程界研究与应用的热点。ＦＲＰ材料由于其优异的物理力学性能在混凝土结构加固中具有极大的发展潜力。笔者根据自己的研究及工作实践，总结了ＦＲＰ加固补强混凝土结构技术的研究及应用成果，并指出了该技术的发展态势。

１材料特性

１．１ＦＲＰ材料的成型工艺

ＦＲＰ材料由连续纤维和树脂基体复合而成。根据纤维的种类不同可将ＦＲＰ材料分为３类：玻璃纤维增强复合材料（ＧＦＲＰ）、碳纤维增强复合材料（ＣＦＲＰ）和芳纶纤维增强复合材料（ＡＦＲＰ）。常用树脂有环氧树脂、聚脂树脂和乙烯脂树脂。在钢筋混凝土结构加固中，ＦＲＰ材料的成型工艺主要有两种：第一种工艺为湿粘法，即将纤维做成布状在现场用树脂浸润粘粘；第二种工艺是将ＦＲＰ材料预制成各种型材，用于受弯构件的拉挤成型板材和用于柱子加固的细丝缠绕成的壳。

１．２ＦＲＰ材料的力学性能

ＦＲＰ复合材料在混凝土结构加固补强中已经得到了广泛的应用。表１为单向纤维ＦＲＰ材料的有关性能指标，可以看出，ＦＲＰ材料的强度和弹性模量变化范围非常大。尽管纤维的种类和成型工艺不同，三种ＦＲＰ材料的应力—应变关系是相同的，受拉时线弹性上升直至脆

断，这是ＦＲＰ材料的一个主要特性。在进行材料结构加固时，ＦＲＰ的脆性性能会对结构性

能产生以下两点影响：第一，ＦＲＰ材料不像钢筋那样具有延性，其脆性性能会限制加固后钢

筋混凝土结构的延性；第二，ＦＲＰ材料的脆性性能限制了应力的重分布。

１．３树脂类粘结材料

采用ＦＲＰ材料对混凝土结构进行加固修复时，应采用配套的树脂类底层树脂、找平材料、浸渍树脂或粘贴树脂进行加固修复。底层树脂的作用是增强加固表面混凝土与找平材料或粘贴

树脂界面粘结强度。找平材料的作用是使加固表面平整度符合规定要求，并与底层树脂及浸渍

树脂具有可靠的粘结强度。浸渍树脂是粘贴ＦＲＰ片材的主要粘结材料，而粘贴树脂是粘贴Ｆ

ＲＰ板材的主要粘结材料，其作用是ＦＲＰ与混凝土得到充分的粘结，使其共同承受结构的作用。粘贴树脂的力学性能指标，主要包括正拉粘结强度、拉伸强度、拉伸剪切强度、弯曲强度。

２ＦＲＰ材料在国内外的发展应用状况

２．１国外发展及应用状况

ＦＲＰ加固混凝土结构始于20世纪８０年代日本、美国、瑞士等发达国家，８０年代末到２０世纪９０年代初，日本的众多学者、科研机构、材料生产厂家等相继进行了大量的ＦＲＰ

用于混凝土结构加固补修的研究。ＦＲＰ优异的力学性能、简便的施工工艺与优秀的加固修补

效果得到了普遍赞同。目前，国外科研机构和高等学校已对ＦＲＰ加固修补混凝土结构，尤其

是抗震动加固的性能与效果进行了大量的研究，并在此基础上形成了自己的行业标准和规范。

在瑞士ＥＭＰＡ实验室，德国ＩＢＭＢ研究院，最早开始了不同的ＦＲＰ材料加固混凝土结构

的研究，并用于桥梁的补强加固工程。美国也是世界上最早利用复合材料的国家之一，但将Ｆ

ＲＰ材料用于加固混凝土结构是在２０世纪８０年代后期，在１９９１年ＦＲＰ应用于桥面板

补强加固中。英国在１９９４年启动了ＲＯＲＵＳＴ（ＳｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇｏｆＢ

ｒｉｄｇｅＵｓｉｎｇＰｏｌｙｍｅｒｉｃＣｏｍｐｏｓｔｉｔｅＭａｔｅｒｉａｌｓ），用于研究ＦＲＰ加固修复钢筋混凝土桥梁和预应力桥梁。由于近２０年的研究与实践，这项技

术在国外已近成熟，并形成了自己的设计和施工准则。目前，国外ＦＲＰ在土木工程中的应用

主要包括以下几个方面：短纤维加入新混凝土中制成ＦＰＲ混凝土用于新结构，已有一定的工

程实例；用棒状ＣＦＲＰ代替钢筋制成ＣＦＲＰ筋混凝土，用于海洋结构及对电磁波有特殊要

求的结构，国外已有研究并开始应用；把ＦＲＰ加工成绳状用于土木工程的拉索或悬索结构，

但锚具问题尚未很好地解决；在新建结构中与混凝土一起制作成预制混凝土板，具有强度高、

重量轻、耐腐蚀等特点，已有部分工程应用；应用公路工程中，可以极大地提高公路的质量和

耐久性，已有较多的工程实例；做成织物状（如ＣＦＲＰ布）用于混凝土结构（高于Ｃ２０）

加固修补，有很多的工程应用。

２．２国内发展及应用状况

ＦＲＰ加固修补混凝土结构技术在我国起步较晚。从１９９７年开始，国家工业建筑与改

造工程技术中心对纤维材料在土木工程中的应用进行了较为系统的研究，同济大学、武汉大学、东南大学等高校的一批学者对该技术进行了大量的研究并取得了很多的应用成果，使得该技术

得以在建筑领域推广。目前，有关ＦＲＰ材料加固混凝土技术的研究成果主要以加固修补混凝

土结构为主，并大多以论文的形成，散布于各种学术期刊与论文集中。我国在２００３年由中

国工程建设标准化协会推出了《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》（ＣＥＣＳ：２００３），但我国在ＦＲＰ材料加固混凝土结构中，研究受弯构件的较多，很多都是重复性实验，

研究内容大多集中在加固机理、加固方法与设计原则等内容；另外国内研究工作中多数为从事

结构工程方面工作的。在研究过程中，没有结合具有丰富复合材料研究经验的人员，所以不能

将先进的复合材料制造技术融入加固技术中，不能及时注意到加固中出现的复合材料性能的问题，也就不能充分发挥复合材料的优异性能。目前在我国的应用主要包含以下几个方面：

（１）梁的抗弯加固。采用ＦＲＰ对钢筋混凝土受弯加固的通常做法是在梁底面粘贴ＦＲ

Ｐ板或片材。在粘贴ＦＲＰ材料之前，首先将梁底粘贴区域进行表面处理，适当的表面处理的

目的在于去除混凝土表面的薄弱层，露出坚实的混凝土层并打磨平整，以保证混凝土与ＦＲＰ

粘结可靠，使之与混凝土构件共同承受荷载，以提高构件受弯承载力，为了达到不同的加固强度，可以根据具体情况确定所需ＦＲＰ的面积与层数。

（２）梁的受剪加固。当钢筋混凝土梁的受弯承载力不足，或者受弯加固后梁的受剪承载

力小于受弯承载力时，就需要进行受剪加固。在受剪加固中，在ＦＲＰ的粘贴方式有多种，包

括仅在梁两侧面粘贴ＦＲＰ，在梁侧和受拉面Ｕ形粘贴ＦＲＰ以及沿整个梁截面封闭缠绕ＦＲＰ，既可间隔粘贴，也可以连续满贴。

（３）板的受弯加固。采用ＦＲＰ材料对板进行受弯加固的基本方法是将ＦＲＰ条带和纤

维布粘贴于板的受拉面。已有的研究中既有将ＦＲＰ粘贴于板表面的部分区域，也有将ＦＲＰ

覆盖板的整个表面。覆盖整个板底的做法不利于检查粘贴质量，并且阻止了潮气从板中间向外

自由扩散，加大了出现粘结破坏的可能。在ＦＲＰ加固量相同的情况下，由于宽度大的条带能

够使ＦＲＰ与混凝土板具有更大的接触面积而减小剥离破坏的可能，所以应尽量选择较宽的Ｆ

ＲＰ条带。

（４）柱的承载力和延性加固。ＦＲＰ加固柱最常用的方法为现场粘贴纤维包裹柱。在这

种方法中，采用单向或双向纤维布由树脂浸润粘贴包裹柱表面，使主纤维方向沿柱环向。柱可

由单层或多层纤维布完全包裹，也可用ＦＲＰ条带形成连续的螺旋箍或间接的环箍进行部分包裹。在地震荷载作用下，桥梁和建筑物的混凝土柱受往复水平荷载的作用，通常还同时受轴向

力作用，抗剪强度、抗弯强度或者延性不足都有可以能引起柱的破坏。因此，柱的能量吸收能

力比承载能力更加重要。采用ＦＲＰ材料对钢筋混凝土柱进行抗震加固时，ＦＲＰ提供的横向

约束可以防止混凝土保护层的剥落，抑制纵向钢筋的屈曲，从而改善柱的延性并使柱能够承受

更大的塑性变形。当前，抗震加固的主要方法是ＦＲＰ套箍，也可采用连续纤维约束的缠绕法，ＦＲＰ应沿横向布置。

3 ＦＲＰ发展及展望

ＦＲＰ加固混凝土技术在我国起步虽较晚，但起点高，发展迅猛。中国拥有巨大的建筑市场，大量的构筑物及桥梁、涵洞、隧道结构中，混凝土结构占有相当的比例。在这些混凝土建

筑物中，很多由于设计施工的缺陷和长期使用的过程中的损伤、老化和灾害，造成混凝土结构

开裂、抗震性能不良、承载力不足等诸多影响安全和使用功能的问题，急需有效、耐久、施工

简便的高新材料与加固修补的施工技术，所以目前国内加固维修市场庞大，ＦＲＰ加固混凝土

结构技术的应用前景相当广阔，ＦＲＰ的发展前景主要有以下几个方面：ＦＲＰ在国内虽有一