纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在土建結(jié)構(gòu)加固工程中的應(yīng)用

王漢民

（青海省教育廳教育項(xiàng)目服務(wù)中心，青海西寧 810008）

自20 世紀(jì)60 年代以來，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）開始逐漸被用于土建結(jié)構(gòu)加固工程中。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，該材料加固技術(shù)己逐漸成為土建領(lǐng)域結(jié)構(gòu)加固的常用技術(shù)之一。纖維增強(qiáng)材料是一種高性能新型復(fù)合材料。所謂復(fù)合材料，廣義來講，是將兩種或兩種以上組分復(fù)合而制得的材料，主要包括基體和增強(qiáng)體兩部分。其中，陶瓷、金屬或聚合物等一般作為基體，而纖維、顆?；蚓ы毜葎t充當(dāng)增強(qiáng)體。 FRP 便是以纖維作為增強(qiáng)體的一種復(fù)合材料［1］。

根據(jù)纖維增強(qiáng)體的不同，F(xiàn)RP 主要分為碳纖維(CFRP)、玻璃纖維、聚乙烯纖維、聚芳酰胺纖維、BPO纖維以及硼纖維等增強(qiáng)復(fù)合材料。對(duì)于將FRP 作為土建結(jié)構(gòu)的加固材料方面，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者或工程師己經(jīng)做了大量的實(shí)驗(yàn)及理論研究，也取得了非常重要的成果，大大推動(dòng)了FRP 的應(yīng)用發(fā)展進(jìn)程［2］。本文基于FRP 材料在結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用特點(diǎn)，分析總結(jié)了其在混凝土構(gòu)件補(bǔ)強(qiáng)、鋼結(jié)構(gòu)損傷修復(fù)以及橋梁結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用情況，并從特殊結(jié)構(gòu)適用性、黏結(jié)膠性能、破壞面特性以及不同環(huán)境加固工藝等角度出發(fā)，提出了FRP 材料未來在土建結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域中的研究方向和發(fā)展建議。

1 FRP 材料及其在土建結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用特點(diǎn)

FRP 具有質(zhì)量輕、密度低、耐腐蝕、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、抗撕裂等特點(diǎn)，己經(jīng)被廣泛運(yùn)用于軍工、電子、航空航天、化工、建筑、機(jī)械、材料等領(lǐng)域之中［3］。使用FRP 對(duì)土建結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固己經(jīng)成為一種較成熟的加固方法，其在1994 年美國(guó)大地震以及災(zāi)后重建過程中發(fā)揮了巨大的作用，在保證質(zhì)量的基礎(chǔ)上，大大降低了土建修建和維護(hù)的費(fèi)用。2003 年，我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化管理部門更是出臺(tái)了《碳纖維片材加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》以指導(dǎo)FRP 材料的使用。FRP 在土建加固過程中的應(yīng)用，有著以下技術(shù)特點(diǎn)。

（1）施工簡(jiǎn)便。纖維增強(qiáng)材料容易隨意切割，可以根據(jù)土建結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況在施工現(xiàn)場(chǎng)快速進(jìn)行裁剪，在保證質(zhì)量的前提下，能夠快速完成工作。傳統(tǒng)的加固方法包括粘鋼加固法、增大截面法以及體外預(yù)應(yīng)力法等，這些傳統(tǒng)技術(shù)在施工方面都較為繁瑣，且施工工期長(zhǎng)，材料運(yùn)輸及使用不便。使用FRP 材料則避免了這些問題，既無需濕作業(yè)，也無需動(dòng)用焊接設(shè)備，施工快速而方便，時(shí)間及人力成本較低［4］。

（2）高度抗疲勞性。FRP 使用了纖維作為增強(qiáng)劑，使其水平方向的韌性得以提高，抗疲勞能力增強(qiáng)。一般金屬的疲勞極限為拉伸強(qiáng)度的40%左右，而FRP 則可以達(dá)到70%，優(yōu)越的抗疲勞能力使其在土建加固工程中優(yōu)于粘鋼加固法［5］。另外，F(xiàn)RP 的材料強(qiáng)度甚至是普通鋼材的9～10 倍，使其在應(yīng)用中更加耐拉。

（3）耐候性好。建筑物加固材料在使用過程中會(huì)經(jīng)常遇到高溫、風(fēng)雨、霜凍甚至酸堿的侵蝕，這些條件對(duì)加固材料提出了苛刻的要求。而FRP 材料具有極為優(yōu)異的耐腐蝕性能，無需反復(fù)加固，避免了后期的維護(hù)費(fèi)用。除此之外，在某些使用腐蝕品的化工廠房、?；穫}庫等建筑的結(jié)構(gòu)加固中，也可以使用FRP 材料，從而較為可靠地保證后續(xù)生產(chǎn)安全［6］。

2 FRP 材料在土建結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用

2.1 混凝土構(gòu)件補(bǔ)強(qiáng)

在混凝土構(gòu)件的加固中，F(xiàn)RP 最初是以棒材或型材的形式進(jìn)行加固的，有時(shí)也通過剪斷成絲拌入混凝土的方式進(jìn)行應(yīng)用，以最大程度提高混凝土強(qiáng)度。目前，在混凝土加固過程中，一般是以結(jié)構(gòu)膠粘接的形式加以利用，即將FRP 材料用環(huán)氧樹脂膠粘接在建筑物表面，使得纖維材料能夠與建筑物結(jié)構(gòu)同時(shí)做功，從而大幅度提高構(gòu)件的承載能力。

在實(shí)踐方面，畢國(guó)強(qiáng)［7］研究了碳纖維復(fù)合材料在建筑物加固中的應(yīng)用方法，詳細(xì)闡述了CFRP 在混凝土結(jié)構(gòu)加固中的使用技術(shù)。并指出，碳纖維布在混凝土加固過程中，要慎重選擇好粘接劑，主劑和固化劑應(yīng)以3：1的比例進(jìn)行配比，先均勻涂抹于建筑物表面，然后再進(jìn)行纖維布的粘貼。梁龐［8］對(duì)樓板和墻體混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的問題進(jìn)行了研究，以20 世紀(jì)90 年代的汽車庫改造辦公樓工程為例，詳細(xì)介紹了纖維布加固混凝土結(jié)構(gòu)的施工步驟以及質(zhì)量檢驗(yàn)控制措施。

張靜鈺［9］探究了復(fù)合材料在建筑加固中的應(yīng)用，介紹了內(nèi)嵌入式、外貼式等建筑加固方法。其中，重點(diǎn)介紹了芳綸纖維、玻璃纖維加固技術(shù)，并認(rèn)為在芳綸纖維加固過程中，需要注意對(duì)框架柱以及節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加固；而玻璃纖維由于其彈性模量較小，所以在加固時(shí)需要以環(huán)繞粘貼的方式進(jìn)行加固。

2.2 損傷鋼結(jié)構(gòu)修復(fù)

在現(xiàn)有的工程結(jié)構(gòu)形式中，鋼結(jié)構(gòu)以其輕質(zhì)高強(qiáng)、造型美觀、可回收利用等優(yōu)勢(shì)，被廣泛用于一些土建工程施工中，例如化工領(lǐng)域廠房的修建、?；穾旆?、近?；蚝Ｑ蠊こ桃约巴ㄓ嶋娦畔嚓P(guān)建筑等。在這些工程結(jié)構(gòu)的使用過程中，經(jīng)常會(huì)由于施工、生產(chǎn)、制造、物體打擊以及腐蝕等原因而造成難以逆轉(zhuǎn)的損傷，尤其是在一些鋼結(jié)構(gòu)中更加常見。鋼結(jié)構(gòu)一旦發(fā)生損傷，其有效荷載能力勢(shì)必會(huì)受到影響，抗拉和抗壓強(qiáng)度急劇降低，宏觀力學(xué)性能下降，甚至有發(fā)生工程事故的風(fēng)險(xiǎn)。在不能及時(shí)更換材料的工況下，就必須要對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行修復(fù)和加固。

彭福明等［10］研究了CFRP 材料加固鋼結(jié)構(gòu)的施工措施，包括選材、設(shè)計(jì)和裁剪CFRP 的方法，黏結(jié)件的表面處理以及驗(yàn)收控制等。指出目前以纖維材料加固損傷鋼結(jié)構(gòu)時(shí)還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)CFRP 的力學(xué)性能分析，深入研究溫度效應(yīng)對(duì)粘接強(qiáng)度的影響，避免出現(xiàn)局部剛度較大的問題。

2.3 橋梁結(jié)構(gòu)加固

我國(guó)現(xiàn)存的許多橋梁由于各種原因長(zhǎng)期缺乏維護(hù)保養(yǎng)，或多或少存在年久失修的問題，主要包括混凝土開裂、基座變形、鋼筋腐蝕、墩臺(tái)滑動(dòng)等。有些橋梁的承載力甚至己經(jīng)不能滿足≥25% 的設(shè)計(jì)要求。鑒于工期、通行要求以及投資成本等因素，許多地方的橋梁很難做到全部拆除重建，而采用FRP 材料開展加固的方式，則成為解決上述問題的有效手段。相比于粘鋼加固、化學(xué)灌漿加固以及體外預(yù)應(yīng)力加固法，使用FRP 材料加固橋梁，不僅材料投資較少，工期也相對(duì)較短，是一種非常適合橋梁結(jié)構(gòu)加固的方法。

在該領(lǐng)域，李慧峰等［11］研究了CFRP 材料在橋梁加固中的應(yīng)用技術(shù)，詳細(xì)計(jì)算了碳纖維材料的物理力學(xué)性能，并進(jìn)行了抗彎性能實(shí)驗(yàn)，最后提出了CFRP 材料加固橋梁的原理和計(jì)算方法。谷拴成等［12］結(jié)合黃陵—李章河麥洛安西大橋的加固工程，使用QLJC 軟件對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模擬數(shù)值計(jì)算，介紹了碳纖維材料及加固方案的選取方法，并經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和理論計(jì)算的對(duì)比，證明碳纖維加固能夠有效滿足使用功能需求。桂久寬［13］針對(duì)橋梁長(zhǎng)時(shí)間服役后發(fā)生的承載力退化現(xiàn)象，應(yīng)用碳纖維加固技術(shù)進(jìn)行快速有效地加固和修復(fù)，實(shí)現(xiàn)大幅度提高橋梁承載力的目的。

歐陽利軍等［14］則研究了玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（BFRP）在結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用，指出BFRP 由于具有良好的延展性、耐高溫性、耐磨性和耐腐蝕性，非常契合橋梁加固所需材料特點(diǎn)。同時(shí)，其造價(jià)相比碳纖維更低，故也成為了代替碳纖維的良好材料。

3 FRP 材料在土建結(jié)構(gòu)加固中的問題與建議

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在將FRP 材料用于土建結(jié)構(gòu)加固方面己進(jìn)行了較多的實(shí)驗(yàn)研究，但對(duì)FRP 材料的力學(xué)性能以及承載力的理論研究仍存在不足，尤其是在FRP 材料加固土建結(jié)構(gòu)的破壞特征以及加固結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)方法方面，還有較大的完善提升空間，有必要開展進(jìn)一步研究。

（1）特殊結(jié)構(gòu)加固的適用性。當(dāng)前的FRP 材料主要被應(yīng)用于建筑物和橋梁的加固工程之中，而在木質(zhì)結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)以及砌體結(jié)構(gòu)的加固工程中應(yīng)用較少。除此之外，在一些特殊工程結(jié)構(gòu)加固中也可以考慮使用FRP材料，例如涼水塔、化工廠房、海上作業(yè)平臺(tái)以及某些圍墻等防護(hù)工程，然而這些特殊工程對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求較高，因此必須加強(qiáng)FRP 在這些領(lǐng)域中的應(yīng)用和研究深度。

（2）黏結(jié)膠的性能優(yōu)化。纖維復(fù)合材料主要通過黏結(jié)膠進(jìn)行黏結(jié)，在很多情況下，加固效果并不取決于纖維材料本身的性能，而取決于FRP 材料和建筑整體結(jié)構(gòu)黏結(jié)的牢固程度。一些特殊工況下，F(xiàn)RP 材料加固工程要求能夠承受長(zhǎng)期的高溫、低溫、浸水以及腐蝕環(huán)境，而FRP 材料本身雖能滿足這些條件，但黏結(jié)膠有時(shí)無法滿足這些特殊工況要求，導(dǎo)致應(yīng)用過程中的韌性降低，造成加固質(zhì)量不達(dá)標(biāo)。同時(shí)，在預(yù)應(yīng)力FRP 的研究方面，目前還僅限于理論分析，實(shí)踐與應(yīng)用發(fā)展較為緩慢，后續(xù)應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)試驗(yàn)力度。

（3）黏結(jié)破壞面特性研究。FRP 材料由多種物質(zhì)復(fù)合而成，在受到外力作用時(shí)，各種材料的受力狀態(tài)差異較大，甚至存在多種破壞模式，斷裂情況也相當(dāng)復(fù)雜。因此，必須加強(qiáng)FRP 材料黏結(jié)破壞面的特性研究，在此基礎(chǔ)上深入分析FRP 的力學(xué)性能，以期設(shè)計(jì)出性能更佳的FRP 材料。

（4）不同環(huán)境下的加固工藝。目前，F(xiàn)RP 材料在使用過程中一般都會(huì)嚴(yán)格遵守施工要求，控制好溫度和濕度，一旦溫度或濕度超過工藝指標(biāo)都將被禁止施工，通常規(guī)定的工藝指標(biāo)為：環(huán)境溫度5～35℃，相對(duì)濕度低于70%。但是該工藝指標(biāo)在遭遇雨季以及冬季時(shí)，將極大程度上影響工程施工進(jìn)程，因此必須加強(qiáng)不同環(huán)境下的加固工藝研究，以期在保證質(zhì)量的前提下，避免不良環(huán)境條件對(duì)工期的影響。

4 結(jié)束語

在土建結(jié)構(gòu)加固工程中，相比于傳統(tǒng)的粘鋼加固法、擴(kuò)大截面法等加固技術(shù)，F(xiàn)RP 加固技術(shù)具有施工簡(jiǎn)便、不破壞原結(jié)構(gòu)、高度抗疲勞性以及耐久性好等顯著的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。實(shí)踐表明，通過FRP 材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固有利于提高工程質(zhì)量、縮短施工工期。因此，目前利用FRP 材料進(jìn)行土建結(jié)構(gòu)加固的案例也越來越多，并逐漸趨于成熟。

現(xiàn)階段，F(xiàn)RP 加固技術(shù)主要運(yùn)用于混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)以及橋梁結(jié)構(gòu)等加固工程中。在這些領(lǐng)域，F(xiàn)RP 加固技術(shù)己經(jīng)被廣泛研究。但目前FRP 技術(shù)的發(fā)展時(shí)間較短，其在力學(xué)性能以及承載力的理論研究方面尚存在不足，未來還需要進(jìn)一步加強(qiáng)FRP 加固技術(shù)在特殊結(jié)構(gòu)適用性、黏結(jié)膠性能優(yōu)化、黏結(jié)破壞面特性以及不同環(huán)境下加固工藝等方面的研究，使FRP 材料能夠適用于更加廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景，推動(dòng)我國(guó)城市更新背景下的土建結(jié)構(gòu)加固行業(yè)發(fā)展。