FRP在土木工程结构加固应用中的研究进展
FRP材料的力学性能分析及研究现状
FRP材料的力学性能分析及研究现状摘要：纤维增强复合材料(简称FRP)是一种高性能材料，其在建筑结构加固技术中的应用优势显著。
重点介绍了FRP材料的力学性能，并对FRP材料的研究现状作了综述性的概括。
关键词：FRP 力学性能研究进展如何提高钢筋混凝十结构的耐久性、增强使用寿命是土木工程中迫在眉睫的问题。
鉴于上述方面的需要，由于纤维增强聚合物(FRP)具有轻质、高强、耐久性好等优点，日本、美国、欧洲等发达国家很早就开始对其研究，探索其替代预应力高强钢筋(钢绞线)的可行性。
现在FRP材料在混凝土结构中的应用受到越来越多的国家学者的关注，已成为国际混凝土领域的一大热点。
1、FRP的组成根据FRP纤维种类的不同，FRP可分为碳纤维CFRP、玻璃纤维GFRP、芳纶纤维AFRP以及近来国外新开发的PBO-FRP复合材料和DFRP等复合材料，还有国内最近投入生产的连续玄武岩纤维CBF等。
FRP筋是以纤维为增强材料，以合成树脂为基本结合材料，并掺入适量的辅助剂，采用挤拉成型技术形成的一种新型复合材料。
FRP复合材料的物理力学特性与纤维种类、纤维含量、粘结基体、表面处理以及成型工艺等因素有关，不同成分的FRP筋性能差别很大。
2、FRP筋的特点及力学性能FRP复合材料具有抗拉强度高、质量轻、不锈蚀、热膨胀系数低、无磁性以及抗疲劳性能好等特性。
如CFRP的抗拉强度可达到3000MPa以上，比强度高(比钢材高lO～15倍)；CFRP和AFRP的抗疲劳性能较好，大大优于钢材，其疲劳极限可达静荷载强度的70％～80％，但GFRP的疲劳性能低于钢材。
与钢筋不同，FRP筋是各向异性材料，FRP筋的应力-应变关系呈线性关系，与钢材应力-应变关系比较如图1所示。
FRP在达到极限抗拉强度之前无塑性交形，且FRP筋的极限应变比钢筋小。
FRP材料与普通钢材的性能比较见表1。
新型FRP产品PBO-FRP除具有与高强CFRP有相近的力学性能外，还表现出更好的物理性能，如良好的柔韧性等；DFRP冲也具有优异的物理力学性能，抗拉极限应变可达3.5％，延性良好[1]。
纤维增强复合材料(FRP)在结构加固中的应用
防烈 度 提高 而 使原 有按 低 烈度 设 防 的建 筑 又不 能
满 足 相应 抗震 要 求 的情 况 。建 筑 物 的使用 寿 命 一
般 不 能保 证 ５ ０年 ． 数 建筑 物在 ２ — ０年 左 右就 多 ０３ 必 须进 行 大修或 维修 加 固。此 外 ． 由于 结构用 途改 变 、 载增 加 、 荷 自然 灾 害 的作 用 、 计 存 在 失 误 或 设 标 准 较 低 、 工 质 量 差 、 境 侵 蚀 及 维护 不 善 、 施 环 材
Ｋｅ ｒ ｓ ｎ ｃ ｍｐ ｓｔ ｔ ｒ ｌ， ｉ ｉ ｅ ｇｎ ｅ ｉ ｇ ｓｒ ｃ ｕ ａ ｔｅ ｇ ｈ ｎ ｇ ｙ ｗｏ ｄ ： ｏ ｏ ｉ ｍａ ｉ ｓ ｃｖ ｌ ｎ ｉ ｅ ｒ ， ｔｕ ｔ ｒ ｌ ｒ ｎ ｔ ｅ ｉ ｅ ｅ ａ ｎ ｓ ｎ
引言
随着 经 济高 速发 展 和 技术 飞 速进 步 ．世 界 各 国对 土木 工程 的要求 越 来越 高 ． 有 些条 件 下 ． 在 传 统 建 筑材料 很难 满足 这种 发展要 求 。例 如 ． 长期 以
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２０ ０ ７年 １ 月 ２
三
明
学
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报
Ｄｅ ． ２ ０ ｃ ０７ Ｖｏ ．４ ＮＯ． １ ２ ４
第２ ４卷
第 ４期
Ｊ ＯＵＲＮＡＬＯＦ Ｓ ＡＮＭＩ ＮＧ ＵＮＩ ＶＥＲ Ｉ Ｙ ＳＴ
浅议纤维增强复合材料(FRP)在土木工程中的应用
浅议纤维增强复合材料(FRP)在土木工程中的应用摘要：21世纪以来，FRP结构发展势头迅猛。
无论是单独使用FRP材料作为建筑结构，还是与传统的建筑材料混合使用都取得了良好的成效。
FRP作为一种优质的建筑材料，以其特有的优势，受到越来越多的关注。
通过对FRP材料的特性以及应用进行系统的整理，进一步探讨了FRP发展的趋势。
关键词：FRP-混凝土预制板；FRP材料；GFRP筋；结构加固纤维增强复合材料(FRP)是由基体材料与纤维材料经过混合并加工形成的高性能材料。
这种材料首先在航空、航天领域得到的应用。
其中比较常用的FRP有碳纤维(CFRP)、玻璃纤维(GFRP)和芳纶纤维(AFRP)[1]。
20世纪50-60年代开始应用于土木与建筑工程结构，随后以其轻质高强，耐腐蚀性强，可塑性强等优点，迅速得到了工程师们的青睐。
一、FRP材料及结构的特点（一）FRP的优点1．轻质高强。
这是FRP材料最为突出的特点，钢材的比强度只是FRP的1/20-1/50。
因此，充分利用这一特性，可用于大跨度桥梁桥面板的结构。
2.可塑性高。
由于FRP材料属于纤维和树脂复合的材料，看可以通过改变纤维或者树脂的种类及数量生产出适合于不同环境的FRP产品。
改变生产工艺也是一个较为成熟的方法。
3.耐腐蚀性好。
FRP可以在酸，碱，冻融状态等环境下长期使用。
（二）FRP的特性在工程中的不足1.各向异性。
因为FRP材料是由纤维为主要受力结构，所以与纤维垂直的方向抗拉强度极小，与之相反，沿着纤维方向的抗拉强度极大。
此外，这也带来了与传统的钢筋混凝土材料不同的拉伸翘曲现象。
2.紫外线对CFRP与混凝土的粘结性能的影响。
混凝土结构的加固作用需要有CFRP片材的帮助，那么CFRP与混凝土之间有足够的的粘结性就显得尤为重要。
试验表明紫外线会对粘结性产生影响。
3.FRP结构连接处力学性能不强。
FRP抗拉强度好，抗挤压刚度不足，然而该材料不同于钢材，FRP材料抗剪性能不高，使得高强度FRP复合材料预应力筋或拉索在锚固处需要注意的问题变得特别的多。
FRP在土木工程中应用的新进展
Hale Waihona Puke 实用性 和耐久性 的要求不 断提高等原 因 ， 许多 砌体结构需要 者的力学与物理性 能， 并提高它们的使用 价值和耐久性。其理 沦基 全性 、 础来源于 “ 纤维阻裂机理 ”， 称纤维间距理 论）和“ ｆ 或 复合材料机理 ” 维修加 固。近年提 出采用 Ｆ Ｐ加固砌体结构的新 型技 术 ， Ｒ 既适用于 … 用碳 纤 维 取 代 钢 筋 或 钢 丝 ， 可以 可消 除 钢 筋混 凝 土 的盐 水 降 解 和 劣 化 墙体局部开裂的加固又适用 于墙体 承载力不足情况下的加 固， 作用 ， 使建筑构件重量减轻 ， 安装施工方便 ， 缩短建筑工期 。碳纤维 避 免 传 统 砌 体 结 构 补 强 方法 的缺 点 。 技 术 主 要 有 建 筑 空 间 利 用率 该 耐久性好 、 不增加结 构的 自重和体积 、 施工 方便快捷 、 修复加 固 还具有震 动阻尼特性 ， 可吸 收 震 动 波 ， 防地 震 能 力 和 抗 弯 强 度 提 高 、 使 高 十几 倍 。有 研 究 表 明 ［ 只 要在 水 泥 混 凝 土 巾 混 入 ０５ ３ ２ １ ， ．％一 ％的 碳 效 果 明 显 等 特 点 。当前 研究 、 发 和 应 用 Ｆ Ｐ材 料 进 行 砌 体结 构加 开 Ｒ 纤 维 ， 可 以有 效 地 改 善 混 凝 土 的力 学 性 能 ， 就 其抗 压 、 托 、 弯 强 固是 发 展 的 趋 势 。 抗 抗 度均有很大提高。 Ｆ Ｐ加 固 可 改 善结 构 的抗 震 性 能 ， 要 是 由于 Ｆ Ｐ约 束 墙 体 而 Ｒ 主 Ｒ 阻止了裂缝 ， 改善 了墙体的受力状态 。Ｆ Ｐ的作用相 当于桁架模型 Ｒ １ ． 能 ／ 能 混 凝 土 ２功 智 随着 人 类 社 会 和 科 技 的 发 展 ，混 凝 土 材 料 不 仅 要 承 受 荷 载 ， 还 巾的受拉杆 ，在加载过程 巾屈 曲稳定 ，Ｒ 的存 在使滞 回环饱 满 ， ＦＰ 要 适 应 多 功 能 和智 能 建 筑 的 需 求 。纤 维 复合 材料 应 用 于功 能 ／ 能 面积增大 ， 智 变形能力得到加强 ， 延性增加 ， 骨架 曲线下降段平缓 ，从 混 凝 土 主要 有 ： 蔽 磁 场 水 泥 基 复 合 材 料 、 泥 基 屏 蔽 电磁 波 复 合 而改善了整体结构 的抗震性 能 ， 屏 水 避免了 由于砖砌体 的脆性破坏而导 材 料 、 变 自感 应 混凝 土 、 电水 泥 基 复 合 材 料 、 差水 泥 基 复 合 材 致 整 体结 构 的 突然 破 坏 。 应 导 温 ３ Ｆ Ｐ在 桥 梁 工 程 中 应 用 新 进展 Ｒ 料 、 伤 自诊断混凝土 、 损 温度 自调 节混凝 土等 。具体 介绍详见 文献 ｌ ３１Ｆ Ｐ筋 在 桥 梁 工 程 中 的 应 用 ． Ｒ ２ Ｆ Ｐ在 加 固 工 程 中 的应 用 Ｒ Ｆ Ｐ复合 材料筋 （ Ｆ Ｐ筋 、 Ｆ Ｐ筋 、Ｆ Ｐ筋 ） 桥梁丁 程 巾 Ｒ ＧＲ ＡＲ ＣＲ 在 Ｆ Ｐ复合材料具有高强 、 Ｒ 轻质 、 耐腐 、 抗疲 劳等优 于建筑 钢材 的 应 刖广泛 ， 可用作悬索桥 及斜拉桥 的缆索 、 应力混凝土桥 中的预 预 特 点 。因此 ， 土木 建 筑 工 程 结 构 加 固中 采 用 新 型 高级 的 Ｆ Ｐ 比采 应 力 筋 ， 至 可 以用 到整 个 桥 梁 体 系 。 在 Ｒ 甚 用 钢 板 或 其 他 传 统 加 同 方 法 具 有 非 常 明显 的 优 势 。 除 了上 述 Ｆ Ｐ Ｒ １８ ９ ６年德国在杜塞尔 多夫建成 了世 界上第一座 采用玻璃纤 维 材料 本 身 的优 良性 能外 ， 有 以 下 优 点 ： 需 笨 重 的 机 械 设 备 ， 人 复 合 力筋 的 预应 力 混 凝 土 公 路 桥 一 ｌ ｂｒ ｔ ｓ 桥 。桥 梁 荷 载 等 还 不 省 Ｕｅ ｅｇＳｒ ｓ ｎ ａ 工 ， 受 施 工场 地 大 小 限制 ， 工 便 捷 ， 期短 ， 结 构 功口 对 象 １ 级 为 ６ ／０级 重 交 通 荷 载 ，上 部 结 构 为 两 跨 ２ ． ＋ ５６ 不 施 工 对 固 正 ０３ １ ０ ２． ３ ０米 的后 拉 常使 用 功 能 的 影 响小 ， 乎 不 会 增加 结 构 尺 寸 ， 固综 合 费用 低 ， 几 加 加 预 应 力 混 凝 土 连 续 实 体 板 ， 宽 １．０米 ， １ ４米 ， 使 用 ５ 根 板 ５ ０ 厚 ． ４ 共 ９ 同后 基 本 不需 维护 等 ｆ ｑ 。 ＨＬ Ｖ力筋 。 每根力筋的工作荷载为 ６ ０ Ｎ， １ ０ Ｋ 由 ９根直径 ７５毫米 的 ． ２１ 梁 的加 固 ． Ｅ玻璃纤维 复合材料筋组成 。全桥共使用玻璃纤维复合材料 ４吨。 Ｆ Ｐ加固钢筋混凝 土梁正截面抗 弯强度 的方 法与传统 的粘钢 Ｒ １８ ９ ８年 ，他 们又 在柏 林 Ｍａ ｅｆ ｄ ｒ ｎｅ ｅ公 园 修建 了 一座 跨 径为 ｉ ｌ 加 固方法基本相 同， 即用粘结材料将 Ｆ Ｐ粘贴到梁 的受拉表面 。粘 ２ ．３ ２ ． Ｒ ７６ ＋ ２９ ５米 的预应 力？ 昆凝土人行桥 ， 是德 国 自 １４ 这 ９ ５年以来修 贴前 ， 混凝土表面需 打磨 、 修补 、 整平 、 清灰和干燥等处理 ， 证混凝 建的第一 座体外预应 力桥梁 。 保 土粘 贴 面坚 实 、 整 和 干净 。 当采 用 预制 Ｆ Ｐ时 ， 贴 前 的 Ｆ Ｐ表 平 Ｒ 粘 Ｒ 进入 ２ ０世纪 ９ ０年代后 德 国和奥 地利又修 建 了ｊ座复合 材料 面应 按制 造 商 要 求 作 必 要 的处 理 。 筋 预应 力混凝土公路桥 ， 并在其上部结构 中布 设了计算机长期监测 在 实 际加 固工 程 和试 验 与理 论 研 究 中 ，非 预应 力 Ｆ Ｐ板 的 应 系统 。 Ｒ 用最 为广 泛 ， 应 力 Ｆ Ｐ （ 加 预 拉 应 力 后 再 粘 贴 到混 凝 土 表 面 的 预 Ｒ 施 日本 Ｓｉ ｍ ａｔ ａ大 学 和东 京 绳 索 株 式 会 社 开 发 出一 种 称 为 Ｃ Ｃ ａ ＦＣ Ｆ Ｐ的应用非常有限 Ｒ） 。前者施工简单便捷 ， 不需任何特殊设 备 ， １ 的碳纤维复合力筋 ， 由搓捻的高强连续碳纤维浸渍树脂 而成。他 它 期短； 后者则相反 ， 可减小裂缝宽度 ， 但 提高 Ｆ Ｐ的材料利用率。 Ｒ 们 已 采 用 Ｃ Ｃ 修 建 一 座 跨 径 ７米 的 预 应 力 混 凝 土 工 型 梁 桥 ＦＣ 钢筋混凝土粱抗剪承载力的加 固形式多种多样。 按粘贴构造不 Ｓ ｉ ｕ桥 。 ｈｎ ｇ 同可分为 以下 三种 ：．Ｉ 型” 固法 ， ａ“Ｉ 加 即仅存 梁的两侧面粘 贴 Ｆ Ｐ Ｒ ； 德 国 １９ ９ １年在路德维 希港建成一座采用 Ｃ Ｒ Ｆ Ｐ筋 柬施加部分 ｂ“ ． Ｕ型 ” 同法 ， 加 即在 梁的 两侧 面 和底 面围粘 Ｆ Ｐ ｃ“ 裹 ” 固 预应力的全长 ８ Ｒ ；．包 加 Ｏ米的预应力混凝土桥梁。 筋束制作程序是 ， 把碳纤 法， 即在 可 能 的情 况 下把 梁 的全 截 面 用 Ｆ Ｐ包 裹 起 来 。对 前 两 种 方 维束浸渍 环氧树脂 ， Ｒ 拧成直径 １ ． ２５毫米 的索 ， 再把 １ ９股索挤 成预 法， 宜在 Ｆ Ｐ 的 自由端 采 取 适 当 的 锚 固 措施 以 防过 早 发 生 剥 离 。 Ｒ 应力力筋 。其碳纤维 的比重 只为钢 的 １ ， 但价格为钢的 ７ 。 倍 ２２柱 的加 固 ． 加 拿大的泰 勒大桥全长 １５ 分 ５个等跨 ， ６ ｍ， 每跨有 ８ “” 的 个 Ｉ型 对钢筋混凝 土柱进行修 复加 固时 ，Ｒ Ｆ Ｐ纤维 沿柱子环 向缠绕 ， 预制 预 应 力 混 凝 土 梁
FRP在建筑结构工程加固施工中的应用
FRP在建筑结构工程加固施工中的应用摘要FRP是一种新型的轻质、高强度、耐腐蚀、耐久性强的建筑材料，属于复合材料的一种。
由于其施工简单、对建筑物外观影响小等优点，在建筑加固领域得到了广泛的应用，经过多年的研究和工程应用，国内外科学家在FRP增强工程结构稳定性等领域进行了大量的试验研究和理论分析，取得了许多研究成果，但对FRP整体性加固结构的研究较少。
本文针对FRP在建筑结构施工中的应用现状，着重研究工程施工中的加固问题，全面了解FRP在加固结构的整体工作能力，为工程的应用和推广提供理论依据。
1.加固技术实际的工程建设施工中，FPR应用于施工加固具有很多的有点，其本身重量轻所以结构自重不增加，构件尺寸不增加使用后维护少，可大大降低维护成本，而且无需大型机械设备进行施工辅助，工作强度低，该结构适用于有限的空间范围中，因为其同时也具有切割方便、应用灵活的良好性能，它可以应用于特殊构件的表面，如圆形表面和曲面，而不改变原结构的形状和外观。
这与传统的加固方法需要的施工手段不大相同。
传统的加固方法需要对原结构进行钻孔，施工过程中会减小构件的横截面，从而产生新的张力来源，对于修复局部损伤和受到腐蚀的建筑结构不甚方便。
传统的施工方式，不允许在特殊环境下使用明火，如气罐、油罐等物品，还有地下施工的时候会很不方便，影响施工效率，而应用FRP 进行加固施工则不会有这些麻烦，这种复合材料的的许多优点都具有进一步研究的价值。
FRP结构加固技术自上个世纪以来，无论是在科研上还是在实际应用上都有了快速的发展。
将这种新的加固技术与高强混凝土结构相结合，对钢筋混凝土结构的强度和结构都会有大幅的提升效果。
但缺点是明显的，高强混凝土的韧性比普通强度混凝土差。
随着强度的增加，高混凝土的韧性越低，而高强混凝土的抗拉强度和尖锐度也随着压力的增加而增加，降低了混凝土的质量，对于整个运输、铸造和维护过程中的环境条件等因素要求很严格。
随着FRP与混凝土结合的使用，对生产和施工工艺的要求也越来越高，因此，在使用中必然存在养护和维修问题。
FRP片材加固钢筋混凝土梁的研究进展
2008年第11期总第125期福 建 建 筑Fujia n Architecture &Constr uctionNo112008Vol 125FRP 片材加固钢筋混凝土梁的研究进展陈绪军1,2 杨勇新1 胡玲1 戴木香2(11华侨大学土木工程学院 362021;21九江学院土木工程学院 332005)摘 要:80年代以来,FR P (纤维增强复合材料)作为一种高性能的新型混凝土结构加固补强材料受到科研院所和工程界的广泛关注[1]。
迄今为止,国内外关于FR P 片材加固钢筋混凝土结构研究的试验和理论研究已相当丰富,并在工程界得到大量实践应用。
本文着重介绍了F RP 片材加固钢筋混凝土梁的抗弯性能、抗剪性能、以及裂缝、刚度研究,以期为FRP 片材的进一步研究和应用提供参考。
关键词:FRP 片材 钢筋混凝土梁 抗弯性能 抗剪性能 裂缝、刚度中图分类号:TU32313 文献标识码:A 文章编号:1004-6135(2008)10-0043-03Pr ogress in st udies of RC bea ms st rengthened w ith FRPChe n Xujun 1 Y ang Y o ngxin 1 Hu Ling 1 Dai Muxia ng 2(11College of Civil Engineering ,Hua qiao Univer sity 362021;21Colle ge of Civil Enginee ring ,Jiujiang Univer sit y 332005)Abstract :Since1980s ,FRP ,a s a kind of new strengthe ning material with high perfor ma nce ,ha s received wide spread atte ntionf ro m scientif ic resear ch institute a nd engineering a rea 1Nowadays ,t her e are quite rich experimental a nd t heor y re searches in the field of r einforced concrete structure st rengthened wit h F RP sheets at home a nd a broad 1And it obtains massive practice application in the engineering area 1This paper introduced the re searc h of reinfor ce d concrete bea ms strengt hened with FRP sheets wit h e mpha 2size on the flexural perf ormance ,shear perfor ma nce ,a s well as t he crac k and rigidit y ,which can p rovide ref erence s to the f urther resea rch a nd applica tion of FR P sheets 1K eyw or ds :F RP sheet s r einforced concre te beam f le xural pe rfor mance shea r pe rfo rmance stiff ness crack作者简介:陈绪军,1979年10月生,男,汉族,研究生,主要从事结构耐久性与加固研究。
FRP复合材料及其在土木工程中的应用研究
浅析FRP复合材料及其在土木工程中的应用研究摘要：在一定的环境条件作用之下，传统意义上的木结构可以为新型frp复合材料所替代。
并且，在多股纤维材料力学优势的作用之下，所制备而成的frp复合材料能够具备突出的抗拉性能、施工优势、低温度应力、以及高使用寿命等特点，因而得到了土木工程建设领域的特别关注与重视，在其中得到了极为广泛与深入的应用。
本文依据这一实际情况，首先简要分析了frp复合材料的基本特性及其优势，进而详细研究了frp复合材料在土木工程中的应用情况。
关键词：frp复合材料特性优势土木工程应用分析中图分类号：tb33 文献标识码：a 文章编号：不难发现：土木工程学科的全面发展在很大程度上来说是受到了新型技术、材料、以及设备的影响。
其中，frp复合材料对其影响是极为深入与彻底的。
特别是在土木工程加固过程当中，frp复合材料所表现出的综合优势极为突出，基本成为加固材料中的不二选择。
更加关键的一点在于：同常规意义上的扩大截面加固方法、以及粘结钢板加固方法相比，应用frp复合材料进行结构加固更加的灵活、简便、有效。
而这完全取决于frp复合材料所表现出的特性及其优势。
本文试针对以上相关问题做详细分析与说明。
1 frp复合材料特性及其优势分析在当前技术条件支持下，包括玻璃纤维、阿基米德纤维、以及碳纤维在内的多种纤维材质均属于多股连续性纤维。
而frp复合材料则正是由此类多股连续性纤维材质，配合诸如环氧树脂、或者聚乙烯树脂一类材料进行胶合反应之后，并在特殊的模具挤压作用之下，拉拔并最终成型的负荷材料。
从frp复合材料的制备角度上来说，因前期所选用的多股纤维材质类型在力学性质方面存在比较明显的差异，因此导致所制备而成的frp复合材料在力学性能表现方面也不完全相同。
其中，以玻璃纤维所制备而成的frp复合材料弹性模量基本为6.6×104，抗拉强度基本为2890mpa，极限应变基本为2.4％；以阿基米德纤维所制备而成的frp复合材料弹性模量基本为2.0×105，抗拉强度基本为3600mpa，极限应变基本为1.6％；而以碳纤维所制备而成的frp复合材料弹性模量基本为1.2×105，抗拉强度基本为3500mpa，极限应变基本为2.8％。
浅议碳纤维等FRP在土木工程施工中的应用.doc
浅议碳纤维等FRP在土木工程施工中的应用(1)有很高的比强度，即通常所说的轻质高强，因此采用FRP材料可减轻结构自重。
在桥梁工程中，使用FRP结构或FRP组合结构作为上部结构可使桥梁的极限跨度大大增加。
理论上，用传统结构材料桥梁的极限跨度在5000m以内，而上部结构使用FRP结构可达8000m以上[7]，有学者已经对主跨长达5000m的FRP悬索桥进行了方案设计和结构分析[8]。
在建筑工程中，采用FRP材料的大跨空间结构体系的理论极限跨度要比传统材料结构大2～3倍，因此，FRP 结构和FRP组合结构是获得超大跨度的重要途径。
本书作者提出的“FRP编织网大跨结构体系”就是一种利用其轻质高强性能的新型结构形式[9]。
在抗震结构中，FRP材料的应用可以减轻结构自重，减小地震作用。
另外，FRP材料的应用也能使结构的耐疲劳性能显著提高。
(2)有良好耐腐蚀性，FRP可以在酸、碱、氯盐和潮湿的环境中长期使用，这是传统结构材料难以比较的。
在美国每年因钢材腐蚀造成的工程结构损失高达700亿美元，近1/6的桥梁因钢筋锈蚀而严重损坏;加拿大用于修复因老化损坏的工程结构的费用达490亿加元;我国目前因钢材锈蚀而造成的损失也在逐年增加。
而在化工建筑、盐渍地区的地下工程、海洋工程和水下工程中，FRP材料耐腐蚀的优点已经得到实际工程的。
一些兴旺国家已经开始在寒冷地区和近海地区的桥梁、建筑中较大规模地采用FRP结构或FRP配筋混凝土结构以抵抗除冰盐和空气中盐分的腐蚀，极大地降低了结构的维护费用，延长了结构的使用寿命。
(3)具有很好的可设计性。
FRP属于人工材料，可以通过使用不同的纤维材料、纤维含量和铺陈方向设计出各种强度指标、弹性模量以及特殊性能要求的FRP产品。
而且FRP产品成型方便，形状可灵活设计。
(4)具有很好的弹性性能，应力应变曲线接近线弹性，在发生较大变形后还能恢复原状，塑性变形小，有利于结构偶然超载后的变形恢复。
(5)FRP产品适合于在工厂生产、运送到工地、现场安装的工业化施工过程，有利于保证工程质量、提高劳动效率和建筑工业化。
FRP在土木工程结构加固应用的研究
１ Ｆ Ｒ Ｐ在建筑结构加 固中的研究现状
１ ． １ Ｆ Ｒ Ｐ的抗 弯加 固性 能
１ ． ２ Ｆ Ｒ Ｐ的抗 剪加 固性 能
在土木工程 中通常使用 的受剪 Ｆ Ｒ Ｐ加 固的方法有 Ｕ型黏 贴 Ｆ Ｒ Ｐ的对砌体 的结构 的加 固，经研 究得到 ，进过 Ｆ Ｒ Ｐ加 固 Ｆ Ｒ Ｐ 、 侧面黏贴 Ｆ Ｒ Ｐ和包裹黏贴 Ｆ Ｒ Ｐ这三种 黏贴 方法 ， 这三种 方 后， 墙体的破坏形式由脆性剪切性破坏 ， 变成 了延性弯 曲性破坏 ， 法中 ， 包 裹黏贴的效果是最好 的。工程 中， 在混凝 土梁 的受剪 区 Ｆ Ｒ Ｐ的加 固， 大大的增 强了墙体 的变形能力、 延性和强度。 改善了 域的侧面黏贴 Ｆ Ｒ Ｐ能够极大的提 高梁 的抗 剪性 能。 结构 中整体 的抗震性能， 增强 了砌体的成在城 里。
１ ． ８ Ｆ Ｒ Ｐ的钢 结构加 固性 能
１ ． ４ Ｆ Ｒ Ｐ的抗 疲 劳加 固性 能
使用 Ｆ Ｒ Ｐ对 结 构 进 行 加 固开 始 于 ２ Ｏ世 纪 ８ ０年 代 的发 达 国 混凝土原有 的抗 疲劳程度相关 ，还 与 Ｆ Ｒ Ｐ与混凝土接触面 的抗 家 。 日本 在 １ ９ ９ ３年 颁布 了世界 第一个 关于 Ｆ Ｒ Ｐ的加 固指南 ， 疲劳能力相 关。经过研究表 明， 接触面在重复和 移动 的负载作用 １ ９ ９ ６ 年 发 布 了关 于 Ｆ Ｒ Ｐ的设 计 施 工 规程 ； 美国在 １ ９ ９ ９年 也 发 布 下， 粘结能力可能会下降。 了关于 Ｆ Ｒ Ｐ对混凝土结构加固的技术 指南 。中国的 Ｆ Ｒ Ｐ加 固技
行 了阐述 ， 提 出了再施 工 中Ｆ ＲＰ的应 用和 需要 注意的问题 ， 希望对土木 工程 中的施工给予一定的借鉴 意义。 关键词 ： 加强 纤维复合材料 ； 特 点； 研究； 应用 中图分类号 ： Ｔ Ｕ ３ １ ２ ． ３ 文献标识码 ： Ｂ 文章编号 ： １ ６ ７ ３ — ０ ０ ３ ８ （ ２ ０ １ ３ ｝ ２ ０ — ０ １ ３ ９ — ０ ２ 结的耐久性、 混凝土构件耐久性 的研究等 。
FRP在土木工程结构加固中的应用
FRP在土木工程结构加固中的应用摘要：土木工程的发展在很大程度上取决于新的、高效的材料以及新技术的应用和发展。
在改造和加固现有结构方面，不仅需要材料本身经济美观易于制造，而且原结构在加固施工后的承载能力也要有大幅提高。
FRP复合材料有其独特的机械特性，其中玻璃纤维复合材料主要包括碳纤维(CFRP)、芳纶纤维(AFR)和玻璃纤维(GFRP)。
其材料形式主要包括板材、棒材和型材。
FRP的优点包括重量轻、强度高、弹性模量小、耐疲劳性强、耐腐蚀性和耐久性强以及热膨胀系数低等。
此外，FRP复合材料可节省材料、自由切削和快速制造。
虽然初期投资很大，但维护成本低，长期经济效益显著。
因此，FRP(片材复合材料)在加固土木工程结构方面具有很大的应用潜力。
关键词：FRP复合材料；土木工程；结构加固；应用；前言概述了FRP的特点，比较了FRP加固与粘钢加固的异同，分析总结了FRP结构加固领域的最新研究成果和工程应用，并着重指出了以下几项关键加固技术：FRP加固设计技术、FRP加固施工技术及FRP控制评价技术。
本文进一步研究了玻璃纤维结构加固、加强玻璃纤维结构加固材料研究开发、玻璃纤维结构加固预应力实施方法，并对碳纤维加固结构的发展提出建议和展望。
对FRP复合材料增强结构长期性能的研究和应用表明：维修成本低、施工便利、交通干扰低和可持续性好的FRP将在今后结构加固方面发挥越来越重要的作用。
一、FRP复合材料的概述和特点1.科学技术的发展和新材料的使用为土木工程的发展奠定了基础。
新的高性能材料在土木工程结构加固方面具有很广阔的应用前景，这取决于材料自身的特点。
FRP复合材料具有以下特点：FRP复合材料的抗拉强度高于传统材料；适合腐蚀环境，钢与玻璃纤维复合材料相比耐蚀性低，使用寿命长，使用复合材料可以延长结构的寿命，即使在高腐蚀环境中也是如此；轻便，施工方便快捷钢的密度是玻璃纤维复合材料的四倍，其自身重量较低，便于在建筑结构中使用；可以方便施工，节省劳动力成本；对于旧结构的维护和加强，效益更明显，效果更好；低热膨胀系数，FRP的热膨胀系数与混凝土几乎相同。
FRP复合材料及其在土木工程中的应用研究
较高、或是温度较低的高寒地区，由于施工难度大，人力资源 有限，因此高寒地区的基础设施维护费用很高，急需要一套高
质量的免维护系统。所以，为了进一步提升以后陆续开建的 工程的质量与寿命，应当通过使用ＦＲＰ符合材料来降低维护 成本，是当前高寒地区土木工程建设的核心所在。 （３）海洋环境中ＦＲＰ复合材料的应用。海洋资源是人类最 可能利用的资源之一，要想深度开发海洋资源，就要建设开发 海洋资源的基础设施，这些设施的建设难度较高，是海洋开发
为了保证良好的防腐性能，当前的海洋开发设施会建造厚度
高达１５０ＭＭ的混凝土保护层，以确保完全、长期地隔绝海水， 即便采取了这样的防腐处理，设施内部的钢筋也只能保证最
长１５年的防腐效果，无法良好的支撑起高强度的海洋开发工
作。利用ＦＲＰ复合材料来开展海洋基础设施建设，能够有效
延长这些设施的工作寿命。
三、结语 人类社会的不断发展改变了人们的生活习惯，随着经、社
基础设施建设过程中的关键。为了保证长期的正常使用，结
海洋开发设施的防腐问题一直是阻止人类开发海洋的难题。
因此在土木工程施工中的使用量最大。如何通过不同复合材
料之间的组合、连接来进一步提升工程的完整性与安全性，是 当前ＦＲＰ复合材料应用的核心问题，也是新型土木工程施工 中急需解决的问题。只要找到了复合材料与传统建筑材料之 间的契合点，人类的建筑施工技术必将迎来质的飞跃，未来前 景不可限量。 ２．高性能ＦＲＰ复合材料关键配套材料和设备研究开发 不同的土木工程所要面临着的施工环境不同，也给复合 材料的广泛运用带来了难度。当前土木工程施工中要解决的 是复合材料种类、数量的选择，并将不同的复合材料有机地结
合在一起，建立起完善的复合材料配套使用措施，解决复合材
料使用中的技术问题。 二、关键的应用技术 １．如何进行结构加固补强处理 近些年来，ＦＲＰ复合材料越来越多的被使用到建筑关键 结构加固中。尤其是在外国的土木施工当中，由于施工工艺 简便，技术要求较低，因此ＦＲＰ复合材料技术应用广泛，其加 固效果得到了土木工程行业的一致肯定。尤其是ＣＦＲＰ、 ＡＦＲＰ这两种复合材料，大量的土木工程结构补强工作都用到 了它。在长时间的应用与研究之后，ＦＲＰ材料的研究已经取 得了一定的成果，总结并推广了一些基于该技术的施工方法， 未来还有很多技术难题需要攻克，但是ＦＲＰ复合材料的应用 前景总体是美好的。 ２．如何将新技术应用到建筑工程当中
FRP复合材料及其在土木工程中的应用研究_王全凤
第26卷第1期华侨大学学报(自然科学版)Vol.26No.1 2005年1月Journal of Huaqiao University(Natural Science)Jan.2005文章编号1000-5013(2005)01-0001-06FRP复合材料及其在土木工程中的应用研究王全凤¹杨勇新¹岳清瑞º(¹华侨大学土木工程学院,福建泉州362021;º国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心,北京100088)摘要FRP复合材料(Fiber Reinforced Plastic,FRP)及其在现代土木工程中应用,这是土木工程领域的前沿课题之一.对于这一领域的研究工作,目前国内刚刚起步.文中在综合有关资料的基础上,综述了国内外对FRP 复合材料及其在现代土木工程中应用的研究.介绍FRP复合材料在现代土木工程中应用的关键技术,并展望FRP应用前景.关键词FRP复合材料,土木工程,工程应用中图分类号TU599文献标识码A1FRP复合材料1.1FRP复合材料特性复合材料(Composite Material)是指两种以上的材料组合在一起形成的非均匀材料.事实上,自然界中绝大多数物体都可视为复合材料.在土木工程界,最典型的复合材料是混凝土.在现代工业界,复合材料是指人工制造合成的二相或多相材料,通常一相为加强材料(Reinforce),另一相为基质(Matrix).常用的加强材料有玻璃(Glass)、铜(Carbon)、石墨(Graphite)或碳化硅(Polymer).常用的基质材料有各类聚合物(Polymer),如高分子聚合物、低分子聚合物、热固性聚合物和金属、陶瓷等.加强材料通常采用纤维(Fiber)或颗粒(Particle)两种形式.在工业界最常采用的复合材料是加强纤维复合材料(Fiber Reinforced Plastic,FRP).复合材料的发展历史很短,最早的复合材料产生于1939年,是玻璃纤维复合材料(Glass/ Epoxy Fiber Reinforced Plastic,GFRP).从1959开始,工业界开始生产和应用复合材料.1.2FRP复合材料在土木工程中应用的优势复合材料产生和发展的基本思想是充分发挥加强材料和基质的不同材料特性,并将其有机组合,使复合材料具有传统材料所不具备的物理化学及力学特性.这种思想类似于钢筋混凝土的特性,利用钢筋承担大部分受拉应力,利用混凝土承担大部分受压应力.所不同的是,在复合材料中,绝大部分应力均由具有较高强度的纤维承担,而基质主要起传递剪力和包裹纤维的作用.正是复合材料可以有机组合不同性质的材料,因此复合材料具有传统材料(如钢材)无法比拟的优点.复合材料最重要的优点是具有非常高的强度对重量比(Strength to Weight Ratio)及刚度对重量比(Stiffnes to Weight Ratio),因此复合材料广泛应用在航空、航天等要求轻质高强结构的领域.此外,复合材料还具有抗疲劳、抗腐蚀、磁电屏蔽及使用寿命长等优点.2FRP复合材料在土木工程中应用的技术现状及趋势FRP在土木工程中的应用比其它产业滞后,主要有两个原因.第一个原因是建筑物造价不能过高;另一个原因是缺少工程经验.工程师面对的许多实践性问题就是关于这种FRP加强结构的预期或先见效果的设计.对混凝土结构和钢结构有一系列规程和标准及丰富的设计理论和工作经验,然而对于收稿日期2004-04-09作者简介王全凤(1945-),男,教授,博士,主要从事土木工程的研究.E-mail:qf wang@基金项目国家/十五0863计划基金资助项目(2001AA336010)2华侨大学学报(自然科学版)2005年FRP加强结构设计的标准和研究还相当匮乏.但从90年代早期,尤其从1996年开始,在土木工程中的一些特殊领域,FRP的使用已经有了巨大发展.在最近10年中,有许多文献报道了FRP在土木工程中的应用.第二届复合材料在桥梁和结构进展的国际会议上,有来自20个国家的247位作者提交119篇文章涉及到FRP复合材料的应用,这表明了FRP复合材料的应用正在引起广泛注意.2.1国外技术发展现状由于FRP复合材料特性奠定了FRP在土木工程领域应用的巨大技术优势.美国材料咨询委员会(NMAB)1987年的年度报告中指出,有253000座混凝土桥存在不同程度的损伤,且以每年35000座的速度在增加.1991年用于修复由于耐久性不足而损坏的桥梁,耗资910亿美元112.英国为解决海洋环境下钢筋混凝土构筑物的腐蚀与防护问题,每年就花费将近20万英镑.英国英格兰岛中部环形线的快车道有11座混凝土高架桥,建于1972年,建造费用为2800万英镑.建成两年后就发现有因钢筋锈蚀使混凝土发生顺筋裂缝的现象,在1974~1989年的15年期间,修补费用已高达4500万英镑,为造价的1.6倍,估计以后15年还要耗费1.2亿英镑,累计接近造价的6倍122.日本引以为豪的新干线使用不到10年,就出现大面积混凝土开裂、剥蚀现象.我国混凝土工程的耐久性问题也十分突出,据统计我国既有的公路桥梁中危桥约占35.4%,北京市的多座高架桥都存在程度不同的耐久性损伤.从最早期的FRP材料应用开始,国外FRP材料在土木工程中的研究和应用的历史已有近30年.20世纪60年代,美国即生产出早期的GFRP筋用于混凝土结构.80年代,日本、美国和欧洲发达国家的有关高等学校、科研机构和材料生产厂家在FRP材料用于工程结构加固方面投入了许多研究力量,在土木工程领域进行大量的研究和广泛应用,取得了一批富有成效的成果.特别是90年代,由于在欧美一些国家,特别是美国,有大量的结构接近设计寿命或承载能力不足,如何有效快速进行结构补强或置换成为学术研究的热点. 1995年日本阪神地震,采用GFRP对混凝土结构进行抗震加固,由于GFRP现场加固技术具有高强高效、施工便捷、耐久性好等优点,为抗震救灾和震后恢复重建工作赢得了时间.在FRP筋混凝土方面,FRP筋最主要的优势是不锈蚀和高强度.FRP筋可以替代普通钢筋,解决普通钢筋容易锈蚀的问题.另外,它们很轻,没有磁性,而且拥有非常好的抗疲劳性.据美国西弗吉尼亚(West Virginia)大学研究GFRP筋的报告,高强度FRP筋混凝土梁比使用传统钢筋的梁显示出极大的抗弯强度.美国在1986年建成了第一座配置FRP筋的预应力混凝土桥梁.1983年荷兰研制出芳纶纤维(AFRP)预应力筋,与普通钢筋混凝土构件相比,采用这种AFRP预应力筋不需要混凝土保护层,从而可以减小构件截面尺寸.1994年加拿大建成了第一座采取GFRP预应力绞线的公路大桥.1996年在美国西弗吉尼亚建造了第一座使用FRP筋的大桥.目前,采用FRP筋混凝土结构实例不多,技术也不完全成熟.其FRP筋材料均为单一品种的AFRP、碳纤维(C FRP)或GFRP,没有应用混凝土改性的FRP筋.其应用领域,也大多局部于桥梁或有较高防腐要求的结构.在研究与应用的规范与标准化方面,各国也给予了相当的重视.1999年日本土木学会成立FRP加固委员会,并完成了使用FRP片材的混凝土维修、加固技术草案.1991年美国混凝土协会成立了ACI440委员会,负责开展FRP加固混凝土与砌体结构的研究;ACI423委员会负责开展FRP的研究,目前已推出了有关设计指南(草案).1993年ACI在加拿大主办了第一届国际FRP专题会议,此后每两年举办一次.欧洲5高性能FRP加固混凝土结构设计指南6项目于1997年12月开始启动,目前已完成.我国在FRP加固的规范制定方面还是比较落后,到目前为止我国仅仅制定了一本关于碳纤维加固混凝土结构的规程5碳纤维片材加固混凝土结构技术规程6132.近年来,国外某些发达国家不仅已将CFRP材料成功地应用于各种新建及已建的建筑与土木工程领域,而且其它FRP材料(GFRP和AFRP)也已得到成功地应用.许多发达国家都十分重视和积极推广FRP在土木工程中的研究和应用.据统计仅CFRP每年应用数量即达600~700t,在土木建筑方面的应用产品已达数十种,并已标准化、规范化.2.2国外技术发展趋势国外在进行FRP在现代土木工程中应用技术的研究中,明显的有以下发展趋势.(1)在对单一品种高性能FRP复合材料研究与应用的基础上,更加重视与强调由不同种类高性能FRP复合材料混杂与复合后的改性问题.目的在于克服材料本身弱点,使之更适用于现代土木工程的特点,并满足实际需要.(2)为更好利用高性能CFRP与AFRP高强的特点,更强调采取预应力的方法给予充分利用.(3)为抢占海洋工程的制高点,国外,特别是日本投入了大量资金进行该方面的应用材料与应用技术的研发,以期在今后的海洋工程建设中占据技术统治地位.(4)土木工程中应用的高性能FRP 复合材料的品种已越来越多元化.随着经济的发展、材料性能的提高,以及成本的下降,越来越多的FRP 复合材料被应用于土木工程的各个方面.如从最初的GFRP 发展到CFRP 和AFRP,再发展到PBO 纤维、超高强聚乙稀纤维和玄武岩纤维等.2.3 国内技术现状及特点我国在土木工程中对FRP 材料应用技术的研究与开发,基本是从20世纪90年代中期开始的.1997年开始引进CFRP 片材加固混凝土结构技术,并开始进行相关研究.由于其巨大的技术优势,在很短的时间内就形成研究及其工程应用的热点.目前已有冶金工业部建筑研究总院(国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心)、清华大学、东南大学、华侨大学等数家单位开展了FRP 应用与材料技术的研究.迄今已完成几十项研究项目,发表研究论文100多篇.其在FRP 加固技术和设计计算理论等方面,已取得一批创新性的研究成果142.同时,已完成FRP(主要是CFRP 片材)加固工程数百项.中国土木工程学会于2000年6月成立了/纤维增强塑料(FRP)及工程应用专业委员会0,并同时在北京召开我国首届纤维增强塑料(FRP)混凝土结构学术交流会.使得该项研究更有组织性与系统性,提高了研究效率.随着CFRP 片材加固混凝土结构技术在我国研究和应用的迅速开展,中国工程建设标准化协会标准5碳纤维布加固修复混凝土结构技术规程6已经发布实施.其它两个材料产品标准和国家级5高性能复合材料应用规范6,也在编制当中.高性能FRP 复合材料加固修复技术的研究和应用已在我国逐渐展开,且正在以高速度发展.我国土木工程应用高性能FRP 复合材料的进展很快,但起步较晚.C FRP 片材的应用才刚刚进行,且仅用于结构加固修复技术方面.在高性能FRP 复合材料材料方面,C FRP 片材基本还依赖进口.其它纤维的FRP 研究和应用,也还落后于国外发达国家水平.GFRP 国内有较成熟的生产技术,但用于土木工程的研究和应用尚较少,未形成规模也不配套.这在某种程度上也制约其发展.而AFRP 的材料生产、研究和应用均很少,没有自己的主导产品.FRP 筋/索和FRP 预应力混凝土的研究工作刚刚起步,相关的技术(如锚具、张拉设备等)研究国内目前还很少.至于其它FRP 应用领域的研究,如FRP 组合结构、FRP 筋、索、型材的应用和研究方面基本是空白.这种情况严重制约了该领域材料及技术的发展,远远满足不了国民经济发展的需要.3 FRP 在土木工程中应用的几个特殊领域152目前,FRP 在土木工程中应用有以下几个特殊领域.3.1 FRP 在复杂环境下部结构(Infrastructure)中的应用在最近几年,由于环境影响,水边码头地下基础显示出结构性能劣化与抗力衰减的缺陷得到了广泛的关注.由于这种情况的产生原因是复杂的、大量的,土木工程师们越来越意识到FRP 复合材料作为一种解决复杂环境下部结构中存在一些问题可行材料的优势.例如,增加FRP 材料的层数以加强一个现有结构,或者用GFRP 加强筋替换一些钢筋,这些新材料的使用将会比原始结构的结构性能有极大地改进.3.2 FRP 加强筋FRP 加强筋可以替代普通钢筋,解决容易锈蚀的问题.另外,它们很轻,没有磁性,而且拥有非常好的抗疲劳性.3.3 FRP -混凝土组合结构受钢-混凝土组合结构应用成功的启发,当考虑经济因素时,一个混凝土和FRP 组合的新概念变成了一个有潜力的可行解决方案.当前这个领域的研究聚焦在用FRP 外包混凝土上,类似钢管混凝土.Seible 研究了这个结构体系162,使用GFRP 的外壳填充混凝土替换桥的主梁,支撑由FRP 制作的桥面板.这种FRP -混凝土组合梁,组合柱,很好利用了FRP 和混凝土的最好性能.FRP -混凝土组合结构强度高、重量轻和刚度高、价格低的特点将改变影响FRP 在推广应用中建筑造价的因素.3.4 全FRP 复合材料大型结构3第1期 王全凤等:FRP 复合材料及其在土木工程中的应用研究4华侨大学学报(自然科学版)2005年FRP复合材料的多功能性、可制造性,提供给工程师们很多机会在一些功能要求抗腐蚀或磁电屏蔽的特殊建筑结构中,去开发应用这种独特的FRP复合材料.比如用于电磁试验操作的建筑结构,或者是感光电路金属板房间.第一个全GFRP建筑是美国苹果计算机公司的电磁干涉实验室,另一个工程例子是IB M计算机公司电路板车间的5层上部结构.3.5FRP桥面板的优势桥梁结构性能劣化与抗力衰减的一个根源是侵蚀.在传统设计中,冬季使用防冻剂会恶化结构中钢筋.FRP是解决这个问题的可行方法,因为FRP有非常好的抗腐蚀性能.由于大多数结构性能劣化与抗力衰减的桥梁都处于重要的交通路线中,所以迅速地替换那些桥梁,避免交通的长期中断是极其重要的.使用FRP桥面板替代那些结构性能劣化与抗力衰减的桥面板是个很省时的办法,因为这些桥面板可以在工厂中生产,现场安装过程只需要很短的时间.在多地震地区,因为FRP复合材料重量轻,在地震过程中会减小惯性力的作用,使用FRP桥面板将会减少地震的损害.由于FRP桥面板与传统桥面板相比有太多的优势,在近几年里,人们致力于开发研究这种由FRP制成的高性能、轻质和造价经济的桥面板系统.4FRP在土木工程中应用的关键技术4.1关键的材料技术4.1.1高性能FRP复合材料改性技术研究FRP复合材料与土木工程常用建筑钢材相比具有高强、轻质、耐久、耐疲劳、易施工与可设计等诸多优点,不同的FRP复合材料与传统建筑钢材相比有不同的特点.但也有一定的弱点,如与钢材相比,其韧性差,破断延伸率较低(钢材破断延伸率约为15.0%~26. 0%,而CFRP为1.5%,AFRP为1.5%~2.0%,GFRP为2.5%~3.0%的破断延伸率),破坏时没有屈服台阶.土木结构对材料韧性的基本要求是2.5%~ 3.0%.所以,C FRP和AFRP的强度高,但韧性差.GFRP 可以满足韧性要求,但模量和强度低,这就使得其在土木工程中的应用效果大大降低.因此,如何通过对各有特点的不同纤维材料的复合改性,使其具有高性能(高强、高模、高耐久性及良好的韧性等)同时又具有低成本、良好的环境亲和性,是影响现有高性能FRP复合材料在现代土木工程中应用的关键材料技术问题.该问题一旦获得解决,将会给现代土木工程材料技术带来革命性的变革,也会为复合材料领域带来一个巨大的潜在市场与更大的发展机遇.4.1.2高性能FRP复合材料关键配套材料和设备研究开发由于土木工程用FRP复合材料形式是多种多样的,其应用环境、应用方法也多种多样.因此,仅仅解决FRP复合材料改性技术,并生产出适合于土木工程应用特点的材料还不够,还必须解决其配套的关键材料与设备技术问题.主要包括以下两方面内容:(a)特种粘贴树脂基体结构设计及材料合成技术;(b)高性能FRP复合材料筋/索锚具及预应力张拉设备研制.4.2关键的设计技术1524.2.1新的工程力学分支)))复合材料力学由于材料的非匀质性(Anisotropic),由复合材料制成的板、壳及薄壁杆件的力学性能不同于传统材料制成的结构构件.因此基于匀质材料(Isotropic)的经典弹塑性力学及板壳理论,不适用于分析复合材料结构构件.最典型的例子是复合材料可能出现弯拉耦合(Bending-Stretching Coupling)、弯翘耦合(Bending-Twisting Coupling)及拉剪耦合(Stretching-Shear Coupling).例如,板在平面应力作用下会产生平面外弯曲及翘曲.正是这些不同的力学性能给学术界提出挑战,并产生新的工程力学分支)))复合材料力学.从70年代开始,在美国国家宇航局(NASA)的资助下,越来越多的工程力学界学者转向复合材料力学研究,至今已经出现许多激动人心的学术成果.4.2.2设计参数的选择尽管复合材料具有如此多的优点,但在工业界中的应用还仅限于航天、航空、汽车及造船领域,在土木工程中还鲜有应用.限制复合材料广泛应用的原因除了采用复合材料的结构造价昂贵外,另一个原因是设计的复杂性,和传统材料结构相比,复合材料结构设计参数非常多.例如,设计一块承重板,采用传统的匀质材料,设计参数主要有拟选用材料的类型及板的厚度;而采用复合材料叠合板结构(Laminated Plate),需要确定的设计参数有加强筋的材料类型、基质的材料类型、板的厚度、薄层板的数量,各薄层板中纤维方向等.这些设计参数必须仔细选择,不同的设计参数组合可以导致结构力学性能的极大差别.4.2.3 快速有效的优化设计 由于复合材料结构造价昂贵,在设计过程中必须考虑优化,以降低结构自重,减少材料用量.而如前所述,复合材料结构设计变量多,优化搜寻次数多,特别是当几何尺寸变量变化时,有限元模型(几何形状,网格划分)必须重新建立,使优化设计成为非常冗长复杂的过程.因此如何快速有效地进行优化设计成为学术研究的重要课题,华侨大学在这方面作了一些有益的前期工作17~102.一个直接可行的方法就是在详细设计前,进行初步设计,并且采用简化方法进行分析,以避开复杂的有限元计算.从而,得到较接近优化设计的初步设计方案,减少详细设计中的优化搜寻次数,因而大大减轻详细设计的工作量和难度.4.2.4 FRP 复合材料加固补强设计方法 采用FRP 复合材料对已有结构进行加固补强,应充分考虑其材料的差异、工艺的差异,以及环境的影响.4.3 关键的应用技术4.3.1 结构加固补强的关键技术 与传统加固形式形成鲜明对比的是近年来在国际兴起的FRP 加固现有结构技术,其简便的施工工艺及优良的加固效果得到土木工程界的普遍赞同111,122.FRP 复合材料,尤其是高性能C FRP 与AFRP 复合材料目前在现代土木工程中应用最广泛的是在基础设施的结构加固补强方面.尽管该项工作已取得很多成果,并得到广泛应用,但仍有很多课题尚待解决,制约着其发展与更广泛应用.主要包括两个方面,一是界面受力性能研究;二是预应力加固补强技术研究.4.3.2 在新结构中应用的关键技术 高性能FRP 复合材料在现代土木工程中应用的一个最广阔领域,即是应用于新建结构中的应用技术.由于其材料特点,可以为现代土木工程建设带来革命性的变化.采用FRP 材料代替原有混凝土结构的钢材,会使原有的设计理论与设计方法发生较大改变.而针对FRP 混凝土及FRP -混凝土组合结构的新设计理论与设计方法的建立,即成为FRP 应用的技术关键.FRP 材料在土木工程中应用,其连接锚固性能与构造要求一直是其应用的关键.4.3.3 特殊条件下应用的技术 (1)海洋环境下FRP 材料应用技术研究.任何海洋资源的开发都离不开对海洋基础设施的建设,而在所有海洋基础设施的建设中,结构防腐问题一直是一个最突出的问题.目前在建的海洋钢筋混凝土结构,采用最厚的混凝土保护层(一般为150mm 左右,相当于陆地混凝土结构保护层的5倍以上)及防腐措施,其对内部钢筋防氯盐腐蚀也仅有15年左右,这与永久或半永久性的海洋结构耐久要求相距甚远.采用FRP 混凝土或FRP -混凝土组合结构就可以从根本上解决海洋工程中的钢筋(钢材)腐蚀问题,其重大意义不言而喻.(2)高寒环境下免维护应用技术研究.高寒环境下,基础设施建设与维护费用昂贵,建设周期过长.因此,对于再建或拟建的各种基础设施项目(主要是公路与铁路等交通项目),提高其建设质量,减少维护费用是一个重大的技术问题.用FRP 筋代替钢筋,做成免维护复合材料混凝土结构,从而达到提高基础设施耐久性与延长寿命的目的.(3)地质灾害防治中永久锚固支护技术研究.对山体与边坡滑移治理最有效的办法就是采用预应力锚固支护技术.到目前为止,预应力锚固支护均采用预应力钢绞线锚杆.这对于临时支护或半永久支护尚可以应用,但对于永久支护项目因钢筋锈蚀等问题对长期使用带来相当大的隐患.如现在的长江三峡库区2003年开始蓄水后,一部分山体与边坡将埋于水底,不可能再对其使用状况进行检测与再加固.几十年或百年以后,一旦由于预应力钢绞线锈蚀而使山体或边坡锚固支护失效发生滑移,结果将是灾难性的.4.3.4 高性能FRP 复合材料检测评价的技术 材料的试验检测、评价技术是一切材料工程应用的基础.目前,世界范围内还没有建立一套大家公认的土木工程用高性能FRP 复合材料试验检测与评价技术体系,而我国在该方面的成果则更少.5 FRP 应用展望随着经济高速发展和技术飞速进步,世界各国对土木工程的要求越来越高.在有些条件下,传统建筑材料很难满足这种发展要求.FRP 复合材料,具有轻质、高强、耐腐蚀、抗疲劳、耐久性好、多功能、适用面广、可设计和易加工等多种优点.在重要的土木工程中,如超大跨、超高层、地下结构、海洋工程、高耐久性的应用,以及特殊环境工程、永久性工程、结构加固修复、大型工程结构的在役监测等的应用,都具着巨大的优越性.它可以满足现代土木工程,对新型建筑材料提出更新、更高的要求.FRP 复合材料作为5第1期 王全凤等:FRP 复合材料及其在土木工程中的应用研究6华侨大学学报(自然科学版)2005年一种新型的有发展潜力的建筑材料与技术,并不是要取代传统的建筑材料-钢材与混凝土,而是做为传统建材的一个重要补充.FRP复合材料在土木工程中的应用技术与材料研究开发,在当今世界上已成为复合材料界与土木工程界共同研究开发的一个热点.该技术研究开发成功后,将会极大地推动现代土木工程的技术进步.它还将为现代复合材料产业开辟出巨大的应用市场,因而具有非常广阔的发展应用前景.参考文献1Dunker K F,Rabbat B G.Why American bridges are cru mbling[J].Scientific American,1993,(3):31~372罗福午.建筑结构缺陷事故的分析及防止[M].北京:清华大学出版社,1996.4~123中国工程建设标准化协会编.CECS146碳纤维片材加固混凝土结构技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社,2003.1~334岳清瑞.我国碳纤维增强塑料(CFRP)加固修复技术研究应用现状与展望[J].工业建筑,2000,30(10):23~265何毅鸿.纤维加强的井字肋核芯复合材料夹层板受弯简化分析方法[D]:[学位论文].泉州:华侨大学土木工程系, 2000.6~86Seible F.Advanced composites materials for bridges in the21st cen tury[A].In:Elbadry M M,eds.Advanced Composi te Materials Bridges and Structures[C].New York:Elsevier,1996.17~407Wang teral buckling of thin-walled open members with shear lag using optimization techniques[J].Int.J.of Solid and Structures,1997,34(11):1343~13528李育凯,王全凤.不需要计算机的建筑结构优化概念设计[J].工业建筑,2001,31(10):21~239郑浩,王全凤.基于Hop field神经网络的结构优化分析[J].四川建筑科学研究,2002,28(2):52~5510徐玉野,王全凤.遗传算法在工程结构优化中的应用研究[J].基建优化,2002,23(6):50~5211岳清瑞.纤维增强塑料(FRP)在土木工程结构中的应用技术的进展[A].见:岳清瑞主编.第二届全国土木工程用纤维增强复合材料(FRP)应用技术学术交流会议论文集[C].北京:清华大学出版社,2002.18~2212冯鹏,叶列平.FRP结构和FRP组合结构在结构工程中的应用与发展[A].见:岳清瑞主编.第二届全国土木工程用纤维增强复合材料(FRP)应用技术学术交流会议论文集[C].北京:清华大学出版社,2002.51~63FRP Composite Material and Its Application toC ivil EngineeringWang Quanfeng¹Yang Yongxin¹Yue Qingruiº(¹College of Civil Engineering,Huaqiao Universi ty,362021,Quanzhou,China;ºNational Di agnos is and Rehabili tation of Indus trial Engineering Research Center,100088,Beijing,China)Abstract FRP(fiber reinforced plastic)composite material and its application to civil engineering is one of topics i n forward posi tion. The study of this topic starts just now in our country.Based on the summary of releveant studies at home and abroad,the authors present key technology concerning FRP composi te material and its application to modern civil engineering;and look forward to the prospect of FRP application.Keywords FRP composite materials,civil engineering,application。
纤维增强复合材料(FRP)加固混凝土结构技术综述
纤维增强复合材料(FRP)加固混凝土结构技术综述【摘要】纤维增强复合材料（FRP）加固混凝土结构技术已经成为结构加固领域的重要研究方向。
本文从FRP加固混凝土结构的原理与机制、FRP 材料的分类和特点、施工工艺、性能评价以及应用范围等方面进行了综述。
通过对该技术的研究和应用实例的分析，揭示了FRP加固混凝土结构技术在提高结构抗震性能、延长结构使用寿命等方面的优势。
也指出了该技术在设计规范、成本、耐久性等方面的局限性。
展望了FRP加固混凝土结构技术的未来发展趋势，为相关领域的研究和实践提供了参考和借鉴。
【关键词】FRP、增强复合材料、混凝土结构、加固技术、原理、特点、施工工艺、性能评价、应用范围、发展趋势、优势、局限性。
1. 引言1.1 FRP加固混凝土结构的背景FRP加固混凝土结构技术的发展源远流长，最早可以追溯到20世纪70年代。
最初，人们主要使用碳纤维、玻璃纤维等材料进行混凝土结构加固，通过在混凝土结构表面粘贴或缠绕FRP片材或布带，以提升结构的承载能力和抗震性能。
随着材料合成技术和加固技术的不断改进，FRP加固混凝土结构技术逐渐成熟，已经被广泛应用于桥梁、建筑物、水利工程等领域。
1.2 FRP在结构加固领域的应用1. FRP加固桥梁：在桥梁结构中，FRP可以有效地提高桥梁的承载能力和耐久性，延长桥梁的使用寿命。
通过在桥梁梁段或墩柱部位进行FRP包裹或加固，可以有效提高桥梁结构的受力性能。
2. FRP加固建筑：在建筑领域，FRP可用于加固柱、梁、楼板等结构件，提高建筑物的抗震能力和承载能力。
通过在建筑结构表面粘贴或包裹FRP材料，可以有效改善结构的整体性能。
3. FRP加固管道：在工业管道等设施中，FRP被广泛应用于加固和修复受损管道，提高管道的耐腐蚀性能和抗压能力。
FRP材料具有良好的耐腐蚀性和耐磨性，适合在恶劣环境下进行管道加固。
4. FRP加固海洋工程：在海洋工程领域，FRP可以用于加固海洋平台、码头、堤坝等结构，提高其抗风浪、抗冲击等性能。
FRP复合材料在土木工程中应用的研究进展
２ １ 年 第 ２ 期 （总 第 ２ ８ 期 ） ０２ ６
Ｎｕ ｅ ０ ２ Ｔ ｔ ． ８ ｍｂ ｒ ｉ ２ １ （ ０ａ Ｎｏ２ ） ２ｎ Ｊ ６
混 ’ 凝
Ｃｏ ｒ ｔ ｎｃ ｅｅ
土
理
论
研
究
ＴＨＥＯＲＥＴＩ ＣＡＬ ＲＥＳ ＥＡＲＣＨ
ｄ ｉ１．９９ ．ｓ． ０ －５ ０ ０ ２ ２０４ ｏ ：０３ ６ ￣ｉ ｎ１ ２３ ５ ． １． ．０ ｓ ０ ２ ０
述 了主要结构部件如梁 、 和梁柱联 合体 在加固后的弯曲、 柱 剪切 、 耐久 、 延展性等性质 ， 简要讨论 了这些构件 的轴 向、 地震 等结构行为 。 最 后， 对将来可能的研究方 向作 了评述 。
关键词 ： Ｆ Ｐ复合材料 ；混凝土 ；加固 ；修复 Ｒ
中图分类号 ： Ｔ ２ ．１ Ｕ５ ８０ 文献标志码 ： Ａ 文章编号 ： １０ — ５ ０ ２ １ ）２ ０ １－ ７ ０ ２ ３ ５ （０ ２ ０ — ０ １０
０ 引 言
过 去几十年来 ， 由于高级复合材 料较好 的工 程性质 ， 高 如 比强度 系数 、 比刚度系数 、 密度、 高 低 高耐疲劳度 、 腐蚀 、 阻 抗 高 尼、 沿纤维方 向的低热膨胀率等 ， 使得这 种材 料在航 空 、 海洋 和 汽车工业中得到 了广泛的应用 。 最近 ， 土木工程师和建筑工业科 研人员在处理基础设施 的退化 问题 时 ， 开始认识到复合材料作 为加强 材料 的潜力 。 近十几年来 ， 由于 良好的工程特性 ，Ｒ Ｆ Ｐ复 合材料越来越多地应用在建筑工业 中。 而且 由于成本 的不断下
FRP在土木工程中应用的新进展
要根据不 同施 工用途 ， 同环 境特 点 ， 不 在兼顾 经济效 益 的情 况下选 择合适 的外加 剂 ， 在使 用过 程 中要注 意 比例 搭配 ， 合理 地
土优异 的施 工性能和高密实 度 ， 并通 过减 小水灰 比、 提高强度 、 增 利用外加剂能充分提高混凝 土的性能。 我 国混凝 土外加剂通过 过去开发研究 ， 满足 了国内经济建设 大 弹性模量等提 高混凝 土的耐久性 能 ； 引气剂 可改善混凝 土和易 的要求 ， 随着不断 的发展 ， 我国外加剂产 品提出 了更高 的要求 ， 对 性， 增大混凝 土坍 落 度 ， 少泌 水离 析 现象 ， 可 改善 内部孔 结 减 并 因此我们要继续开发 新产 品 ， 不断 地提 高产 品质量 ， 国也需 要 我 构， 降低混凝 土孔 隙率 ， 减少有 害孔 ， 使孔 径均匀 分布 ， 以及 提高 尽快更新传统 的混凝土技术 观念 ， 强意识 ， 增 为改善混凝土性能 ， 混凝土抗渗性 、 冻融循 环性能等耐久性 。 抗 节约资源和能源 ， 保护环境 ， 促进建筑业 的可持 续发展而努力。 对抗冻融性 能要求高的混凝 土 ， 所用 的外加剂最好是 同时具 参考文献 ： 有高效减水 和引气性 能的复合 型产 品。若混凝 土在 低温下施 工 ， ［ ］ 陈建奎 ． １ 混凝土 外加 剂原理与应 用 ［ ． ２版 ． Ｍ］ 第 北京 ： 中国 则选用 的外加剂 除有 引气 、 减水成分外 ， 还应 有防冻和早强成分 。 对抗渗要求 高的混凝土 ， 应该用减水 率高的外加剂来 减少混
凝土用水量 ， 提高密实度 ， 同时加入 引气成分 ， 使混凝土 中形成大 量微小气泡 ， 减少泌水通道 ， 提高抗渗性 能。 混凝土 的碳化 与钢筋 锈蚀 有着 密不 可分 的关 系。通 过在 混
FRP板加固混凝土结构研究新进展
Ｆ ＲＰ板 加 固 混 凝 土 结 构 研 究 新 进 展 ＊
邓 宇 杨 宝 山 梁炯 丰
摘 要 ： 国内外 Ｆ Ｐ板 加固混凝 土结构的最新研究成果进行 了较为 系统 的综述 与分析 ， 对 Ｒ 并展望 了今 后的发展趋 势， 以
提高人们 对 Ｆ Ｐ板加 固混凝土结构 的认识 ， Ｒ 推广 Ｆ Ｐ板加 固技术 的应用 。 Ｒ 关键 词 ：Ｒ Ｆ Ｐ板 ， 混３ 卷 第２ ４ ２期
２ ００ ８ 年 ８ 月
山 西 建 筑
Ｓ ＨＡＮＸＩ ＡＲｃＨＩ （ ＴＥ 『 ＲＥ
Ｖｌ． ４Ｎｏ． ２ ０ ３ Ｊ ２
Ａ ｇ ２０ ｕ． ０８
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文 章 编 号 ：０９６ ２ ｛０ ８ ２ —０ ５０ １０ —８ ５ ２０ ｝２０ １ —２
固方法无法 比拟 的， 尤其 是一 些重要 的结 构加 固工程 如桥 梁 、 桥 土剪 压破坏 等不同的破 坏类型 。 墩、 桥板以及一些大型 的筒体 和壳体 ， 采用传 统 的加 固方 法是 不 １ ２ 剪切 破 坏模 型 及 受力分 析 ． 可能 的， 而采用 Ｃ Ｒ Ｆ Ｐ加 固便 可顺 利 实现 ； 另外 ， Ｆ Ｐ还 具有施 ＣＲ Ａ ｒＭ． ｌ ｍｉ Ｍａ ｋ等通过试 验研 究 ， 出了加 固梁 的应 力计算 ｅ 提 工便捷 ， 效高 ， 工 没有湿 作业 ， 不需要 大型 机具 ， 占用 大范 围的 方法 和 Ｃ Ｒ 不 Ｆ Ｐ板在裂缝 出现前后 的剪 力计算方 法 ， 两种方法考 这 施工空 间的特点 。碳纤维 布质地 柔软 ， 以把它卷成 筒状 ， 可 方便 虑 了 Ｃ Ｒ Ｆ Ｐ板 的各项异性 的材料 性质 ， 同时假设 Ｃ Ｒ Ｆ Ｐ材料与混 运输 ， 以就地任意裁剪 ； 可 由于其质 量轻 ， 用一般 的脚手架 可以 凝土粘结 良好 ， 使 无相 对滑 移 ， 并应 用 了 Ｃ ＲＰ与 混凝 土 的应变协 Ｆ 进行手工粘贴 。Ｃ Ｒ Ｆ Ｐ片材所 具有 的上述优 势为它应用于结构加 调关 系， 设的正 确性 通过 与 有 限元 分析 结果 的对 比得 到 了印 假
FRP材料的力学性能分析及研究现状
FRP材料的力学性能分析及研究现状FRP材料的力学性能分析及研究现状FRP材料的力学性能分析及研究现状摘要：纤维增强复合材料(简称FRP)是一种高性能材料，其在建筑结构加固技术中的应用优势显著。
重点介绍了FRP材料的力学性能，并对FRP材料的研究现状作了综述性的概括。
关键词：FRP力学性能研究进展如何提高钢筋混凝十结构的耐久性、增强使用寿命是土木工程中迫在眉睫的问题。
鉴于上述方面的需要，由于纤维增强聚合物(FRP)具有轻质、高强、耐久性好等优点，日本、美国、欧洲等发达国家很早就开始对其研究，探索其替代预应力高强钢筋(钢绞线)的可行性。
现在FRP材料在混凝土结构中的应用受到越来越多的国家学者的关注，已成为国际混凝土领域的一大热点。
1、FRP的组成()根据FRP纤维种类的不同，FRP可分为碳纤维cFRP、玻璃纤维GFRP、芳纶纤维aFRP以及近来国外新开发的PBo-FRP复合材料和dFRP等复合材料，还有国内最近投入生产的连续玄武岩纤维cBF等。
FRP筋是以纤维为增强材料，以合成树脂为基本结合材料，并掺入适量的辅助剂，采用挤拉成型技术形成的一种新型复合材料。
FRP复合材料的物理力学特性与纤维种类、纤维含量、粘结基体、表面处理以及成型工艺等因素有关，不同成分的FRP筋性能差别很大。
2、FRP筋的特点及力学性能FRP复合材料具有抗拉强度高、质量轻、不锈蚀、热膨胀系数低、无磁性以及抗疲劳性能好等特性。
如cFRP的抗拉强度可达到3000mPa 以上，比强度高(比钢材高lo～15倍)；cFRP和aFRP的抗疲劳性能较好，大大优于钢材，其疲劳极限可达静荷载强度的70％～80％，但GFRP的疲劳性能低于钢材。
与钢筋不同，FRP筋是各向异性材料，FRP筋的应力-应变关系呈线性关系，与钢材应力-应变关系比较如图1所示。
FRP在达到极限抗拉强度之前无塑性交形，且FRP筋的极限应变比钢筋小。
FRP材料与普通钢材的性能比较见表1。
FRP复合材料在结构加固工程中的应用
领域
２ 民用建筑、 ． １ 桥梁及工业厂房
ＦＰ复合 材料 因其优 异 的力学 性 能 ， 民用 建筑 及 Ｒ 在
工业 厂房 的加 固中应用 很 多 ， 要有 ： 主 ①梁 加 固。 固的 加 作 用包 括抗 弯 和抗 剪 。 在进 行抗 弯 加 固 时， Ｒ Ｆ Ｐ复合 材 料 的纤 维方 向与梁 的轴 向一致 ，一 般贴 在梁 的受拉侧 ， 已提高梁 的 承载 能力 。据有 关试 验 得 出 ， 要该 梁 不是 只 超 筋梁 ， 贴一 层 Ａ 一 ０可 以提 高 承 载力 ３ 左 右 ， 两 Ｋ６ ０ 贴 层 可 以提 高 ４ 左右 ；在进 行抗 剪加 固时 ，Ｒ ０ Ｆ Ｐ复合 材
２Ｒ Ｐ复合材料在 结构加 固工程 中应用 最 佳 的选 择 。 Ｆ
材料名称 碳 纤维 芳纶 纤 维 玻 璃 纤 维 型号 Ｌ ０ － ２ ０Ｃ Ａ－０ Ｋ ６ Ｓ Ｆ － ３ ＣＷ４０ 拉伸 强度 （Ｐ ） Ｍａ ３ ５ ５０ ２６ ００ ２０ ８０ 拉伸模量 （Ｐ ） Ｇ ａ ２５ ３ １８ １ １２ ０
一
１Ｒ Ｐ复合材料的基本特性 Ｆ
随着 增 强 纤维 材 料 的 发展 ， 纤 维 、 纶 纤维 及 玻 碳 芳
—
般只 需要 ｌｍ 右 ， Ｏ ｍ左 一般 不 需打 磨 ， 而碳 纤维 则 需要
ａ 若采 用 芳纶纤 维就 可 以节约 很 多工 时。 璃纤 维 已经成 为 当前 结构 工程 中加 固补 强 的重 要材 料 。 ３ ｒ ０ ｍ左右 ， 些典型的 Ｆ Ｐ Ｐ｝ ） Ｒ （ｇＪ复合材料的基本力学性能见下表 。 ￣
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新型材料
广东建材 ２０ 年第 ８ ０６ 期
Ｆ Ｐ复合材 料在结 构加 固工 程 中的应用 Ｒ
FRP材料在土木工程中的应用发展之浅析
FRP材料在土木工程中的应用开展之浅析FRP材料在土木工程中的应用开展之浅析【摘要】本文综述了国内外对FRP复合材料及其在现代土木工程中应用的研究，文中在综合有关资料的根底上，介绍FRP复合材料的优良技术特点以及在现代土木工程中应用的关键技术，并展望FRP应用前景。
【关键词】FRP；土木工程；特性；趋势FRP，是Fiber Reinforced Polymer的缩写，意为纤维增强塑料，是对胶合后的连续纤维材料经过一定的加工工艺后而组成的复合材料。
相对于早期的加固方法，FRP由于具有轻质、适用面广、高强、抗疲劳、耐腐蚀、耐久性好和易加工等优良的技术特点，近年来，已经越来越多地应用在土木工程领域，尤其是结构的补强加固领域中。
一、FRP种类及特性在建筑领域中常用的FRP材料主要包括碳纤维、玻璃纤维以及芳纶纤维等。
这几类纤维材料的物理力学性能十分优越，如拉伸强度与比重的比值，即我们所说的“比强度〞是钢材的几十倍，轻质高强的特点十分突出。
它们的拉伸模量与比重的比值，即我们所说的“比模量〞也明前高于钢材。
CFRP的比模量是钢材的10倍，AFRP的比模量是钢材的2～3倍。
除上述提到的种类外，还有一种叫做混杂复合纤维，它是由两种或两种以上不同纤维、不同基体、不同形状的纤维材料混合加工而成的。
混杂纤维兼具各组成成分的优点。
总之，与钢材等传统的加固材料相比，FRP材料具有明显的优势，具体表达在以下几个方面：比强度较高，即具有轻质高强特性。
与传统的钢材加固相比，采用FRP材料能有效减轻结构自重；耐酸、耐碱、耐潮湿、抗疲劳性能好；可设计性强，通过使用不同类型的纤维材料、含量和铺设方向设计出不同强度指标、弹性模量以及其它特殊性能要求的FRP产品，满足不同角度的需求；具有良好的线弹性性能，应力应变曲线接近线弹性；具有易于加工、运输及储藏等优点，FRP的成型产品还特别适合工业化施工，这极大提高了加固工程的质量、促进了劳动效率和建筑工业化。
FRP在结构工程中的应用及发展
FRP在结构工程中的应用及发展FRP（纤维增强复合材料）近年来在混凝土结构加固中得到广泛的应用，并作为一种新型高性能结构材料受到结构工程界的广泛关注，国内外有关研究和工程单位开展了大量的研究和实践应用。
本文介绍了结构工程中常用的FRP材料性能和形式，分析了其优点与不足并介绍了FRP加固结构、FPR配筋和预应力筋混凝土结构、FRP结构与FRP组合结构以及FRP在桥梁结构、大跨空间结构和智能结构中的应用与发展以期促进我国土建结构工程中对这一新型高性能材料应用和研究工作的开展。
标签：纤维增强复合材料;混凝土;结构加固;组合结构;桥梁;大跨结构;智能结构1 概述纤维增强复合材料（fiber reinforced polymer/plastic 简称FRP）是由纤维材料与基体材料按一定比例混合并经过一定工艺复合形成的高性能新型材料。
这种材料从20世纪40年代问世以来在航空、航天、船舶、汽车、化工、医学和机械等领域得到广泛的应用。
近年来以其高强、轻质、耐腐蚀等优点，开始在土木与建筑工程结构中得到应用并受到工程界的广泛关注。
复合材料由增强材料和基体构成根据复合材料中增强材料的形状可分为颗粒复合材料、层合复合材料和纤维增强复合材料等。
FPR只是复合材料中的一种。
常用的FRP的基体为树脂、金属、碳素、陶瓷等纤维种类有玻璃纤维、硼纤维、碳纤维、芳纶纤维、陶瓷纤维、玄武岩纤维、聚烯烃纤维、PBO纤维以及金属纤维等。
目前工程结构中常用的FRP主要为碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维增强的树脂基体分别简称为GFRP、CFRP和AFRP。
FRP作为结构材料出现于1942年，美国军方用手糊的制作雷达天线罩。
，20世纪50-60年代才开始用于民用建筑中。
1961年英国的一座教堂的尖顶采用了GFRP，1968年，英国的工程师用GFRP板和铝质骨架在利比亚港口城市班加西设计并建造了一个穹顶，防止空气中氯盐对结构的侵蚀;同年，英国又建成了一座全GFRP折板结构的仓库;1970年，英国建成了一座GFRP连续梁的人行天桥跨径10m，宽5m。
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混凝土的黏结力比未经受冻融循环影响的ＦＲＰ与混凝土的黏结力有较大幅度的下降１４ｌＪ。
３）ＦＲＰ外部加固混凝土构件的耐久性国内外对ＦＲＰ加固混凝土构件的耐久性能开展了多项内容的试验研究，研究参数包括构件类型（梁、柱）、ＦＲＰ类型（ＡＦＲＰ，ＣＦＲＰ，ＧＦＲＰ）、粘贴方式（环向、轴向）、环境类型（室温、干湿、冻融）、树脂类型等１４２－４３１。
研究表明，在恶劣环境下ＣＦＲＰ比ＧＦＲＰ性能好．干湿作用下．ＣＦＲＰ约束试件的强度与延性没有降低，刚度得到提高，而ＧＦＲＰ约束试件的强度与延性都降低了。
刚度未受影响；冻融循环作用下，ＣＦＲＰ和ＧＦＲＰ约束试件的强度与延性显著降低，刚度未受影响。
与室温及干湿循环作用下试件相比。
受冻融作用试件的破坏方式更具灾害性１４３１。
海水腐蚀后。
普通钢筋混凝土梁、柱与ＣＦＲＰ加周钢筋混凝土梁、柱的承载力都降低，但ＣＦＲＰ加固混凝土梁的刚度几乎未受到任何影响㈣。
冻融循环对ＦＲＰ加固混凝土梁的受力性能有不利影响【４１Ｊ。
１．７砌体结构加固性能国外大量文献研究了ＦＲＰ片材加固混凝土砌块墙与砖墙的抗剪性能、平面外与平面内抗弯性能、沿通缝的抗剪性能１４５－４６１、单调荷载作用下的短期力学性能［４７１、低周往复荷载试验ｉ，ｕ＿ｏｌ以及模拟地震荷载试验［５０ｌ，并给出了ＦＲＰ加固砌体结构的设计建议ｐ－－５２１：对采用ＦＲＰ缠绕加固砖柱的力学性能［５３－５４１、砖拱和穹顶的加固性能也进行了研究［５９。
试验结果表明．墙体的破坏形式由加同前的脆性剪切破坏变成了加固后延性弯曲破坏，极大提高墙体的变形能力、强度和延性。
能有效减小剪切变形．改善结构整体的延性与抗震性能，提高砌体结构的承载力。
从国内研究现状看，大部分的内容集中在ＦＲＰ加同后的墙片在平面内水平低周反复荷载作用下的抗震性能研究上．研究结果表明，ＦＲＰ加固能够明显提高墙体的平面内水平抗剪强度，增强变形能力，改善结构的延性湖。
１．８钢结构加固性能ＦＲＰ除了用于钢结构的防腐蚀、防老化及其他一般性的加同外．对钢结构建筑及钢制品等的加固方法革新也越来越成为人们所关心的问题。
目前研究重点主要围绕ＲＩＰ对钢结构的失稳加固、界面黏结性能及荷载的传递效应、承载力计算方法以及加固后抗疲劳性能等方面开展１５㈨ｌ。
１．９其他加固性能面对以爆炸为主的恐怖主义以及人为灾害日趋严重的威胁．结构抗爆逐渐成为研究的热点，ＦＲＰ由于其众多优越性，在结构抗爆中有广阔的应用前景。
已有的研究成果表明，ＦＲＰ用于抗爆加固可有效提高构件和结构的抗爆性能抗冲击以及抗人为灾害性能１６ｚ－６，３。
国内外一些学者对ＦＲＰ加固火灾后混凝土结构［６４１、ＦＲＰ加固结构的抗扭性能、可靠性以及加固木结构、节点、隧道等特种结构均做了一些研究。
２ＦＲＰ在结构加固中应用外贴ＦＩＬｅ用于结构加固始于２０世纪８０年代日、美等发●ｅＶｌｅＷ臣墨Ｚ盈豳达国家。
日本在ＦＲＰ的研究、开发和应用中一直占据领先地位。
１９８９年．日本土木工程学会设立了连续纤维增强混凝土委员会．１９９３年日本建筑研究院颁布了世界上第一本关于ＦＲＰ加固的设计指南，１９９６年正式颁布《连续纤维材料补强加固混凝土结构物的设计及施工规程》等规程，促使这一新型加同技术在实际工程中得以大规模应用．加固对象也由初期的柱型结构的抗震加固转为房屋、桥梁的梁板结构的补强加固。
１９６０年。
美国开始对ＦＲＰ进行开发，１９９１年，美国混凝土协会成立了ＦＲＰ专业委员会．并于１９９９年推出了ＦＲＰ加固钢筋混凝土结构技术指南。
加拿大１９９０年才开始研究ＦＲＰ加固修复混凝土结构技术，但在这一领域的研究发展很快．己经处于领先地位．加拿大桥梁设计规范将ＦＲＰ新型结构加同技术纳入其中。
１９９７年。
来自瑞士、奥地利、意大利、比利时、希腊、法国和德围等欧洲９国启动《高性能纤维复合材料加固混凝土结构设计指南》项目，经过４年的共同努力终于完成．促进了该技术在欧洲的应用。
ＦＲＰ加固技术自２０世纪９０年代后期引入中国以来．已成为结构工程领域的研究热点，２０００年６月成立了“纤维增强塑料（ＦＲＰ）及其工程应用专业委员会”，并于２００３年颁布了《碳纤维片材加同混凝土结构技术规程》技术标准，促进了该技术在中国的发展。
目前，ＦＲＰ在结构加固中主要应用于以下几个方面。
１）抗弯抗剪加固抗弯抗剪加固又分为：①外包／外粘ＦＲＰ加固混凝土结构；②嵌入式ＦＲＰ加同技术；③预应力ＦＲＰ加固。
目前，大部份的研究与应用都集中在外包／外粘ＦＲＰ加固混凝土结构。
这种形式主要有ＦＲＰ加固梁、板等。
嵌入式ＦＲＰ加同技术是近年发展起来的加固技术，该技术通过在混凝土表面开槽．将ＦＲＰ筋或ＦＲＰ板条和树脂置于其中来达到加固目的。
是对外包／外粘ＦＲＰ加固技术的一个重要发展。
预应力ＦＲＰ加固混凝土是另一项值得深入研究的技术。
通过对ＦＲＰ施加预应力。
可以更加充分地发挥ＦＲＰ高强的优势．同时改善结构在使用极限状态的性能。
２）混凝土结构的抗震加固采用ＦＲＰ外包混凝土柱是一种经济、有效的抗震加固方法。
世界各地已进行了大量的ＦＲＰ加固混凝土柱力学性能的研究与应用。
国内外已有许多应用ＦＲＰ加固房屋结构柱与桥柱的成功案例。
为方便施工，还开发出了ＦＲＰ自动缠绕系统ｌ镧。
如图ｌ所示。
图１ＦＲＰ布自动缠绕系统Ｆｉｇ．１ＡｕｔｏｍａｔｉｃｗｒａｐｓｙｓｔｅｍｏｆＦＲＰｓｈｅｅｔ●ｅＶｌｅＷ臣墨墨互２墨囝３）钢结构、砌体结构、木结构等加同外粘ＦＲＰ布或板是加固钢结构的一种理想方法，利用外粘ＦＲＰ提高钢结构的抗疲劳性能，可避免在加固过程产生残余应力。
此外，在砌体结构与木结构中，ＦＲＰ也有成功应用。
４）复杂环境下下部结构的加固最近几年，由于环境影响，地下基础显示出结构性能劣化与抗力衰减。
该情况的产生原因复杂、大量，ＦＲＰ则显现出是解决复杂环境下部结构问题的可行材料。
如图２所示，ＦＲＰ成功用于加固水下基础嘲。
图２ＦＲＰ用于加固水下基础Ｆｉｇ．２ＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎｉｎｗａｔｅｒｗｉｔｈＦＲＰ５）特种结构加同除上述应用领域外，ＦＲＰ在桥梁、隧道、塔桅结构、储液罐、管道和烟囱结构也有加固应用的报道网。
３ＦＲＰ在结构加固研究与应用中亟需解决的关键技术３．１ＦＲＰ材料技术１）高性能ＦＲＰ改性技术ＣＦＲＰ和ＡＦＲＰ的强度高，韧性差。
ＧＦＲＰ可满足工程结构韧性要求，但模量和强度低。
如何通过对不同纤维材料的复合改性，使其具有高性能（高强、高模、高耐久性，以及良好的韧性等）的同时又具有低成本和良好的环境亲和性，是一项影响ＦＲＰ在土木工程中应用的关键材料技术。
该技术一旦获得解决，将给土木工程材料技术带来革命性的变革。
２）高性能ＦＲＰ关键配套材料和设备开发除解决ＦＲＰ复合材料改性技术．生产出适合于土木工程应用特点的材料外．还须解决相配套的关键材料与设备技术问题，主要包括特种粘贴树脂基体结构设计、材料合成技术、高性能ＦＲＰ复合材料筋／索锚具及预应力张拉设备的研制。
目前已有科学工作者关注到这一点，但研究成果很少。
３．２ＦＲＰ加固设计技术由ＦＲＰ材料制成的板、壳及薄壁杆件的力学性能不同于传统材料制成的结构构件。
基于匀质材料的经典弹塑性力学及板壳理论，不适用于分析复合材料结构构件，越来越多的学者转向复合材料力学研究。
与传统材料结构相比，复合材料结构设计参数非常多。
不同的设计参数组合可以导致结构力学性能的极大差别。
目前绝大部分的研究成果还停留在试验研究阶段。
缺少快速有效的加同设计技术，虽然有学者做出了有益的尝试．但是还很不够，离应用还有很大距离。
３．３ＦＲＰ加固施工技术近年来在国际兴起的ＦＲＰ加同现有结构技术，其简便的施工工艺和优良的加固效果得到土木工程界的普遍好评。
尽管ＦＲＰ在结构加固补强方面已取得很多成果，并得到广泛应用，但仍有很多问题尚待解决。
制约着其发展与更广泛应用，其中主要包括界面受力性能与预应力加固补强技术。
３．４ＦＲＰ检测评价技术目前．世界上还没有建立一套大家公认的土木工程用高性能ＦＲＰ试验检测与评价技术体系．而中国在该方面的成果则更少。
材料的试验检测、评价技术是一切材料工程应用的基础．检测技术与标准的缺失是影响ＦＲＰ大量应用的重要障碍。
４ＦＲＰ在结构加固中的应用前景与展望ＦＲＰ的研发以及在土木工程中的应用．己成为复合材料界与土木工程界共同研究开发的一个热点。
该技术的成功研发能极大地推动现代土木工程技术的进步．为现代复合材料产业开辟出巨大的应用市场．具有非常广阔的发展应用前景。
ＦＲＰ加固混凝土结构在中国起步虽然较晚。
但起点高，发展十分迅猛．为推进加固技术在中国的研究和发展，应做好以下几点。
１）加强ＦＲＰ加同材料的研究开发。
中国高性能ＦＲＰ中ＣＦＲＰ片材基本还依赖进Ｅ１．其他纤维的ＦＲＰ研究和应用，也还落后于国外发达国家水平。
ＧＦＲＰ在国内有较成熟的生产技术，但用于土木工程的研究和应用尚较少。
未形成规模也不配套。
所以，一方面要推进行ＦＲＰ产品的国产化，提高质量，降低成本；另一方面要加强黏结胶的研究。
提高黏结胶的性能。
２）加强ＦＲＰ加固的预应力施工方法研究和理论分析。
现有绝大部分Ｔ程应用中ＦＲＰ对核心混凝土的约束都是被动约束．即在混凝土受力膨胀后外围的ＦＲＰ才开始发挥作用．在大多数情况下ＦＲＰ材料并不能充分发挥其强度高的优势。
对ＦＲＰ施加预应力，能够对核心混凝土施加主动的约束力，可以闭合裂缝．更大地提高柱的承载能力和耐久性。
３）加强碳纤维加同结构施工方法的开发。
现阶段碳纤维加同结构的手段主要依靠人工．黏结剂一般都具有一定的刺激性，其配制、涂刷施Ｔ效率较低。
对ＦＲＰ加固机械化施工方法研究开发．不仅可以保证施工质量．更能提高效率。
４）中国《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》（ＣＥＣＳｌ４６：２００３）有关外贴加固技术设计计算方法主要是依据碳纤维布加固低配筋小梁的试验结果建立起来的，其是否适用于配筋率较高、尺寸较大的结构加固（如桥梁结构），还需加强试验研究。
结构的加固通常是在被加固结构已负载的状态下进行的．ＦＲＰ片材与原结构之间存在应变滞后现象，若按无初载加固条件进行计算．将会过高估计加固梁的实际。