外貼纖維增強塑料板的混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)

何　穎　胡云飛

[摘要]介紹日本對纖維增強塑料(FRP)的基本性能研究和FRP板用于混凝土梁和柱的加固情況，并對該類結(jié)構(gòu)的基本破壞模式進行簡要討論。

[關(guān)鍵詞]纖維增強塑料(FRP)混凝土結(jié)構(gòu)加固現(xiàn)狀

中圖分類號：TU3文獻標識碼：A文章編號：1671－7597(2009)0210082－02

一、纖維增強塑料簡介

(一)材料組成情況

在日本利用FRP作為預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)已近20年時間，引起了其他國家的廣泛注意。在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，由于氯離子等腐蝕介質(zhì)的侵入使鋼筋生銹，促使人們想方設(shè)法解決鋼筋的銹蝕問題。一個可能的辦法是利用FRP代替鋼筋，因為FILP有良好的耐腐蝕性，這是開展在混凝土結(jié)構(gòu)中研究應(yīng)用FRP的推動力之一。目前在FRP的應(yīng)用和生產(chǎn)領(lǐng)域中，日本是世界上領(lǐng)先國家之一。根據(jù)日本土木工程協(xié)會(JSCE)關(guān)于碳纖維增強材料(CFRM)的質(zhì)量標準，F(xiàn)RP可分為幾類(圖1)。

上述材料的生產(chǎn)方式為：先把碳纖維拉緊，然后用環(huán)氧樹脂或乙烯醇樹脂把纖維相互間粘結(jié)在一起。就連續(xù)纖維的使用來看，最常用的是碳纖維，芳綸纖維居其次。這些連續(xù)纖維的材料特點示于表1。

從表1可以看出，連續(xù)纖維的強度比平常的預(yù)應(yīng)力鋼筋高的多。然而，因為纖維脆性的存在，如果僅把纖維簡單的捆在一起就不能獲得這樣高的強度。這是為什么要使用粘結(jié)材料的原因。

在上述材料中，碳纖維具有很高的耐腐蝕性，在化學(xué)物質(zhì)如氯離子、硫酸以及苛性鈉等作用下，其強度沒有明顯的下降。芳綸纖維抵抗化學(xué)物質(zhì)和紫外線的能力略差于碳纖維，但仍具有比鋼筋強地多的抵抗能力。

(二)材料力學(xué)性能

在JSCE的碳纖維增強材料質(zhì)量標準中，對FRP的力學(xué)性能有詳細描述。表2是日本生產(chǎn)的所有FRP材料力學(xué)性能。

1．A:D＜20mm B:D≥20mm；

2．保證強度是保證承載力除以名義面積而得；

3．采用不同試驗方法的暫行數(shù)值；

4．取自碳纖維增強材料(CFRM)。

從表2可知，F(xiàn)RP的抗拉強度與常規(guī)的預(yù)應(yīng)力鋼筋處于同等水平，而其彈性模量低于預(yù)應(yīng)力鋼筋。

FRP的應(yīng)力一應(yīng)變曲線示于圖2，它的曲線形狀表明這種材料的破壞是由于突然的脆性斷裂而不是延性屈服所致。

目前對FRP的長期力學(xué)性能研究成果大致可歸納如下：

(1)對碳纖維增強塑料(CFRP)，用于計算預(yù)應(yīng)力損失的名義松弛率可假設(shè)為6％，對芳綸纖維增強塑料(AFRP)，其1000小時的松弛率大約為12％。

(2)徐變破壞強度與保證抗拉強。

度的比值與作用時間對數(shù)值成線性關(guān)系。對CFRP而言，該比值大約是0.85，它比AFRP的要大。雖然在堿和氯離子作用下，F(xiàn)RP材料的耐久性大大優(yōu)于常規(guī)鋼材，但仍缺乏足夠的數(shù)據(jù)來定量說明耐久性如何。

二、纖維增強塑料薄板對混凝土結(jié)構(gòu)的加固應(yīng)用

在外貼鋼板的加固方法中存在的困難促使人們采用纖維符合薄板來代替鋼板。這種新型技術(shù)具有以下優(yōu)點：①施工效率高；②對不同的加固部位和加固目的具有極強的適應(yīng)性；③優(yōu)異的耐久性；④施工完成后就能承載。

(一)纖維增強塑料薄板用于混凝土梁的加固

由于日本政府1991年2月頒布對道路結(jié)構(gòu)的設(shè)計荷載變化，橋梁設(shè)計等級需要提高，橋梁老化需進行加固等，使混凝土橋梁承載力的提高成了一個重要的問題。自那時起，外貼FRP薄板進行加固的方法被日本建設(shè)省和其他機構(gòu)采納，進入實用階段。具體加固方法是使用環(huán)氧粘結(jié)劑把單向纖維復(fù)合薄板粘結(jié)在構(gòu)件受拉面上來加固混凝土構(gòu)件。近年來，通過外貼纖維增強塑料薄板來翻新和加固混凝土結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)已經(jīng)很常見，并對梁的抗彎強度、抗剪強度和剛度的改進開展了大量研究工作。

通過試驗研究表明：①上述加固方法對控制和分散混凝土裂縫，提高現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的承載力和剛度具有明顯的作用，例如：T梁加固后的抗剪能力比加固前提高60％－150％；②關(guān)于疲勞強度，Sakai等人認為在占結(jié)構(gòu)極限強度40％的最大荷載作用下，結(jié)構(gòu)加載200萬次未發(fā)現(xiàn)強度衰減，而且在200萬次荷載循環(huán)下，疲勞強度可達到極限荷載強度的50－60％。

(二)用于配筋混凝土橋墩和房柱的加固

在日本自1990年初就開展了用外貼FRP薄板加固配筋混凝土柱的研究。最初的研究是抗震加固技術(shù)，即在現(xiàn)有RC橋梁墩柱和房柱中的縱筋切斷處用FRP薄板進行包裹加固。一系列研究表明，這種新技術(shù)能防止柱縱筋切斷截面周圍的剪切破壞，而且使最終的破壞發(fā)生于柱基處(圖3)。這種加固技術(shù)在地震多發(fā)區(qū)的應(yīng)用迅速增加，用以改進抗剪特性如橋墩和房柱的延性、抗剪和抗彎能力。

試驗表明，結(jié)構(gòu)延性能從未加強時3－4提高到7－11，而且最有效加固區(qū)域認為是自柱基處H－28(H為柱截面高度)的范圍，即塑性鉸區(qū)。許多論文報道了包箍混凝土的限制作用，研究者認為盡管抗壓強度無明顯提高但峰值荷載作用下的軟化特性和極限應(yīng)變有很好的改善，對減輕地震引發(fā)的剪切脆性破壞具有明顯的改善作用。

(三)隧道襯砌的加固

對該方面的加固技術(shù)及堅固性評價方案的建立，目前處于研究中，實際應(yīng)用較少。

三、FRP加勁混凝土結(jié)構(gòu)的破壞模式

(一)順FRP板于混凝土接觸面的粘結(jié)破壞

當(dāng)結(jié)構(gòu)處于受彎剪時，F(xiàn)RP加勁混凝土結(jié)構(gòu)或配筋混凝土結(jié)構(gòu)的破壞方式有若干種，其中，粘結(jié)破壞是最重要的破壞形式之一。當(dāng)FRP與混凝土接觸面的裂縫災(zāi)難性擴散以后，在復(fù)合薄板與混凝土的粘結(jié)處會突然破壞。經(jīng)過試驗，從梁的側(cè)面看，這種裂縫擴散總是產(chǎn)生于梁彎曲裂縫的底端，從而使外貼于梁底的FRP薄板撕裂開，構(gòu)成粘結(jié)破壞。

(二)FRP加勁后混凝土結(jié)構(gòu)破壞形式的轉(zhuǎn)變

除了粘結(jié)破壞，由于FRP斷裂、鋼筋屈服、混凝土壓碎、混凝土剪切開裂，也將對FRP薄板的延性、強度和加勁構(gòu)件的剛度產(chǎn)生不同的作用。試驗表明，如果截面內(nèi)鋼筋和FRP面積比例都很低，那么在鋼筋屈服以后就產(chǎn)生FRP的斷裂。假若FRP面積比例較高，破壞形式可能是混凝土壓碎，而鋼筋可能屈服或不屈服。

此外，F(xiàn)RP薄板的撕裂即使沒有引起大面積的粘結(jié)破壞，也極可能加速FRP薄板的斷裂或降低FRP薄板的抗拉強度。而且介于FRP薄板和縱筋之間的混凝土層將發(fā)生剪切破壞，進而導(dǎo)致FRP加勁結(jié)構(gòu)的多種脆性破壞。

故混凝土結(jié)構(gòu)外貼FRP薄板進行加強以后，破壞模式可能轉(zhuǎn)變，尤其對梁的彎曲破壞影響較大，使梁的脆性增加。

四、結(jié)語

目前，日本正大量進行加固技術(shù)試驗研究，以掌握FRP加勁結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和拓展該技術(shù)的應(yīng)用可能。

近來更多的研究多致力于開創(chuàng)各類分析途徑和合理設(shè)計FRP加勁混凝土結(jié)構(gòu)。通過該項技術(shù)的應(yīng)用研究成果來看，可以作出如下結(jié)論：

1．在決定最合適的復(fù)合材料和加固策略時，如何根據(jù)結(jié)構(gòu)等級提高后的不同力學(xué)性能，來決定加固材料數(shù)量等方面，應(yīng)盡可能全面考慮彎曲、剪切延性、剛度和其他局部破壞可能性的綜合影響。

2．對FRP加勁結(jié)構(gòu)的破壞模式如鋼筋屈服FRP斷裂破壞、鋼筋屈服一混凝土壓碎、混凝土受壓破壞和FRP薄板與混凝土接觸面的粘結(jié)破壞等各類破壞特性繼續(xù)進行深入研究。

3．對采用FRP板的加固方法進行深入的試驗研究，目的在于提高基本認識和探討其應(yīng)用可能，然而同時開展大量、系統(tǒng)的分析研究和數(shù)值計算研究對創(chuàng)立和完善這項新的加固技術(shù)也是非常必要的。