葛畅?刘广春?王龙?黄国杰

摘要：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。

关键词：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。它们分别为文献记载中较早将应用于建筑和桥梁结构中的实例，这些FRP结构都是手糊工艺制成。

我国于1958年就开始探索在混凝土构件中用玻璃纤维束代替钢筋。到20世界70-80年代FRP在结构工程中的应用与研究逐渐增多。1982年在北京密云建成一座跨径20.7m的FRP蜂窝箱梁公路桥，设计荷载等级为汽车-15、挂-80，并进行了现场荷载试验，该桥为世界上第一座FRP公路桥。伺候，FRP，尤其是价格比较便宜的GFRP，在工程结构中的应用越来越多。但这些应用大多都是附属性，临时性的构件，FRP材料的优越性能没有得到充分的发挥，即用FRP作为结构材料也是尝试性的，没有形成规模。同时，多数的结构工程师不了解FRP材料，也大大限制了它的应用和推广。

现阶段很多房屋、桥梁、隧道等建筑物，由于材料老化、荷载增加、结构部分损坏、使用功能改变、设计与施工缺陷以及地震、战争等原因.均会导致原有结构的承载力满足不 了要求，为此，需进行加周和修复。常规的加固方法有增大截面加固、预应力加固、粘钢加固、隔震或消震加固等。由于 FRP 众多的优点.在许多情况下 比传统加同方法更有优势，并已得到越来越广泛的应用。本文对我国 FRP在结构工程 中的研究、应用情况做梗概介绍。

2 FRP材料

2.1 纤维与树脂

FRP的材料性能与钢材和混凝土等传统结构材料有很大的不同，其制品形式也多种多样。纤维是FRP中的主要受力材料，可分为长纤维和短纤维，工程结构中使用的以长纤维增强为主。常用纤维的主要力学性能及其与钢材和铝的对比可见纤维材料的比强度为鋼材的20-50倍，高强轻质性能十分突出;碳纤维的比模量为钢材的5-10倍，芳纶纤维的比模量为钢材的2-3倍，玻璃纤维的比模量与钢材相当。单从比强度和比模量来看，实际工程以碳纤维材料应用效果最佳，但碳纤维材料的延伸率很小，因此有时需要配合其他纤维混合应用，以取得更佳的综合性能。

2.2 FRP材料的特点

材料的性能与传统结构材料有很大差别，了解和掌握FRP材料的优缺点才能在工程结构应用中充分发挥它的优势，避免其不足。

FRP具有以下优点

2.2.1 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。

2.2.2 有良好耐腐蚀性.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拟的。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400亿加元;我国目前因刚才锈蚀造成的损失也在逐年增加。

2.2.3 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。

2.2.4 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。

2.2.5 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。

2.2.6 其它优势 包括透电磁波、绝缘、隔热、热胀系数小等 。 使得FRP在一些特殊场合能够发挥难以取代的作用，如雷达设施、地磁观测站、医疗核磁共振设备结构。

与传统结构材料不同，制品通常为各向异性，沿纤维方向的强度和弹性模量较高，而垂直纤维方向的强度和弹性模量很低。由于FRP的各向异性在受力性能上还有许多不同于传统结构材料的现象如拉伸翘曲现象，这些都会增加FRP结构的分析与设计难度。

与钢材相比，大部分FRP产品的弹性模量较低大致与混凝土和木材在同一数量级。因此FRP结构的设计通常由变形控制。可通过设计构件的截面、合理地与混凝土等材料组合以及采用预应力等方法控制结构的变形，补偿刚度的不足。

材料的剪切强度、层间拉伸强度和层间剪切强度仅为其抗拉强度的5%-20%，而金属的剪切强度约为其拉伸强度的50%。这使得FRP构件的连接成为突出的问题。FRP结构可采用铆接、栓接和粘接但不管哪种连接方式，连接部位往往都容易成为整个构件的薄弱环节。因此在FRP结构设计中，一方面要尽量减少连接，另一方面要重视连接的设计。

与混凝土相比较，一般的FRP材料的防火性能较差，主要是由于多数树脂在高温下会软化，在树脂达到软化温度时力学性能会大大降低，达到玻璃化温度时性态就会发生转变。但在FRP的树脂材料中可掺入阻燃剂，提高其抗火性能。目前掺入阻燃剂的环氧树脂复合成的CFRP表面再进行防火处理，其效果已经可以与混凝土结构相媲美了。

一些研究已经表明FRP材料本身的抗疲劳性能优于传统结构材料。但值得重视的是，初始缺陷和工作环境对FRP材料抗疲劳性能的影响非常显著。因此实际工程中的FRP结构整体的抗疲劳性能还需要进行深入的研究。

材料的长期性能和耐久性是很多工程师和使用者所十分关心的问题。目前许多FRP产品供应商都通过快速老化试验来证明其产品的寿命在35年以上，甚至达到，70 年。但是FRP材料诞生也不过60多年，应用于土木工程中也仅，40余年。还应注意的是FRP耐久性不仅仅是材料老化，还包括温度和湿度变化的影响、FRP的蠕变和应力松弛以及FRP與混凝土碱性反应等问题，而且在实际环境下这些因素是共同作用、相互影响的。

经济性也是所有工程师和使用者都很关心的问题。仅从材料价格上看FRP结构和FRP组合结构与钢筋混凝土结构相比没有竞争力，但由于自重轻并考虑到FRP材料耐腐蚀所带来的低廉的维护费用采用FRP材料的综合经济效益是值得重视的。

3 加固领域的应用

目前，FRP片（布 ）材在土木工程加固领域中的研究是开展最早、研究最多的一个领域。在我国应用也最广泛。

3.1 抗弯加固

3.1.1 碳纤维布加固混凝土梁

我国各地研究院等单位完成了较多的 FRP加固混凝土梁的试验研究。结果表明，CFRP加固后梁的破坏类型主要有 9种 ：（1）受压区混凝土压坏;（2）CFRP拉断破坏;（3）剪切破坏;（4）端部保护层混凝土粘结破坏（混凝土粘在 CFRP上）;（5）混凝土一胶界面粘结破坏（混凝土几乎没有粘在 CFRP上）;（6）胶一CFRP界面粘结破坏;（7）CFRP— CFRP界面粘结破坏：（8）从梁中部弯曲裂缝处开始的粘结破坏;（9）从剪切裂缝处开始的粘结破坏。研究还指出，不同的破坏类型其承载力计算方法不同。

3.1.2 埋人式 FRP筋加固混凝土结构

近几年，预应力 FRP片材加 固结构技术受到了较多的关注。但存在一些不尽人意的地方，包括：（1）对无树脂连续纤维进行张拉时。初始预应力过低 （当初始 预应力为极限应力的 30%左右 就有纤维丝开始断裂 ），再扣除锚固损失，松弛损失等.可 导人的有效预应力低，加固效果不明显，经济性也不好。（2）若先在连续纤维外涂刷树脂，后进行张拉，其张拉控制应力可以达到极限应力的 60%左右 ，但由于树脂硬化以后，片材刚度和硬度均较大，很难保证与结构表面粘贴密实，特别是在盐害、混凝土脱落比较严重及梁有反拱等情况下，容易发生粘结破坏。（3）南于是外贴式的加固.其耐久性还是一个课题针对体外预应力 FRP索和预应力 FRP片材加 同结构的不足。东南大学等提出了埋人式预应力 FRP索加 固结构新技术，并申请了专利。主要思路是：在混凝土内开出槽道，在槽道内张拉 FRP索.然后在 槽道内灌注树脂，等树脂硬化后再释放预应力，并采取适当的端部应力消除措施，解除端部不必要的负担，也可采取适当锚固措施来加强结构的可靠性。

3.2 抗剪加固

国内较多单位研究了 CFRP抗剪加 固钢筋混凝土梁后的承载力、破坏特征和机理：探讨了 CFRP粘 贴方式、梁的剪跨比等参数对加固效果的影响。试验表明，CFRP加固后梁的受剪破坏特征类似于普通混凝土梁，粘贴在梁侧面的CFRP会发生两种破坏形态，分别为 CFRP被拉断和粘结破坏混凝土被拉下。发生哪种破坏，主要南 CFRP的锚 固性能所决定：粱破坏时.靠近支座处 的斜裂缝在梁底部，对 U形条带，该处 CFRP有较大的锚同长度，所以，往往发生CFRP被拉断的破坏：而靠近加载点处的斜裂缝在梁顶部通过.该 处 CFRP锚 同长度很短，故往往发生粘结破坏。可见.锚固性能的保证对加固效果影响很大。

3.3 FRP约束混凝土的性能

国内外对 FRP约束性 能进行了较多的研究，结果表明：（1）FRP约束混凝土圆柱可显著提高其强度和延性，但由于 FRP是线 弹性材料，其破坏有明显的脆性，其约束性能与箍筋、钢管等约束有明显区别。已有的箍筋或钢管约束混凝土圆柱的应力一应变关系模型不能直接用于 FRP约束混凝土。（2）FlIP约束混凝土圆柱体后的应力一应变关系曲线可能有、或无软化段。曲线有无软化段主要与 FRP约束混凝土的侧向约束强度和未约束混凝土的强度比有关。无软化段时的应力一应变关系曲线近似由两条上升的曲线组成.并 可以用三折线模型来确定 FRP约束混凝 土无软化段时的应力一应变关系曲线。有软化段时的应力一应变曲线也可用相应的模型确定。

3.4 FRP约束混凝土抗震性能

FRP在抗震加固方面非常有优势 .特别是性价比和极限延性好的玄武岩纤维开发成熟，能进一步推动其应用。图3所示为玄武岩纤维加固方柱前后滞回曲线的比较，结果表明：标准柱 S一0、CL一0的峰值 荷载、极限位移很小。破坏为剪切粘结破坏;对于加固方柱，S—BF峰值荷载、极限位移分别达到 765kN、35.10ram。FRP加 固墩柱可以转变试件的破坏形态、有效改善试件的抗震性能。加固柱相对于未加固对比柱具有更好的耗能能力及更慢的强度退化。可见，连续玄武岩纤维 （CBF）丝柬缠绕加固墩柱为我们提供了又一种FRP墩柱抗震加固的选择，其具有与 CFRP相似的墩柱抗震加固效果，有着耐腐蚀、质量轻、施工方便等优点，更具有成本低、价格便宜等独特的优势，其在工程上的应用还需要进一步的大量研究。

3.5 体外预应力 FRP索加固结构

由于 FRP耐腐蚀，近年来，作为钢绞线的替代材料被施加预应力后用于结构的加固，该方法可以平衡掉部分恒载，较大幅度地提高结构承载力与刚度具有一定的优势。日本茨城大学对 CFRP索增强 混凝土梁的抗弯性能进行了研究，研究包括：CFRP索的力学性能;体内 CFRP索增强混凝土梁的抗弯性能 （包括有粘结 、无粘结、施加预应力和不施加预应力 ）;以及体外 CFRP索增 强混凝土梁的抗弯性能。国外也已有用体外 CFRP索加 固桥梁结构的实例。

4 总结与展望

虽然 FRP在土木工程 中的应用历史不长，但已经得到国际工程界的普遍认同.成为各国研究开发的热点 ，并已取得大量的有价值的研究成果。但我国研究与应用历史不长，与发达国家还有不少差距，我们认为还有以下的不足之处和急需加以提高的：

4.1 基础及应用研究工作不够深入

我国目前进行的研究与国外相比还相对肤浅，特别是基础理论研究还不够深入和系统，以 FRP约束混凝 土抗震性能为例：近年来，国内学者在该领域已做了不少的研究。但总的来说.该领域 内的研究有以下几个特征：实践应用超前于理论研究;试验研究多于理论分析;定性結论多，定量计算公式少。有关 FRP约束混凝土抗震性能 的理论分析及设计方法，在我国目前的规范中还是空白。

4.2 技术规范化程度不够

国外。很多国家在 20世纪 90年代即完成 了较多的规程，如日本，已经有 1O多种有关材 料、设计、施工、检测等规范和规程。从 1999年开始，我国开始 了有关 FRP加固修复混凝土结构的标准和规程的编制，目前已完成《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》，但其它规程的编制还有大量的工作要做。

4.3 工程应用盲目、不规范的现象较多

FRP具有很多的优点，但也有很多不足之处，所以，我们要提倡在工程中合理、科学地选择应用 FRP，一方 面，现在 FRP的类 型和形式越来越多.我们 要选择最合适的进行应用，另一方面。要避免为使用 FRP而应 用 FRP的情况 ，很多时候用传统的建筑材料、或者传统的技术就能解决工程问题，就尽量不用 FRP.毕竟 ，现在用 FRP很多时候还不 是很经济。不过，我们也相信，随着国家有关部门的重视、国家对该领域资助的增强，以及全体科技人员的努力下，我国FRP在土木工程中研究和应用的水平会得到很大的提高。

4.4 对新材料的应用要客观和科学

以玄武岩纤维为例，玄武岩纤维是一种新的纤维材料，也是一种天然绿色的无机材料。我国矿产资源丰厚，已掌握其核心生产技术。我们要对其进行深人研究，客观地宣传，合理地使用。发挥其价低、无机、延性好等优点，特别要对部分不法施工企业以玄武岩纤维慌称是碳纤维在工程中使用的不规范现象。随着玄武岩纤维及其复合材料生产工艺的改善，其性能有望进一步得到提高。应尽快地制定规范、在研究过程中注意与其它纤维、混杂纤维的比较研究。

参考文献：

[1] 吕志涛.新世纪混凝土结构对新材料的挑战[C].全国首届纤维增强塑料（FRP）混凝土结构学术交流会论文集，北京：2000，6：1-4.

[2] 吴智深.FRP复合材料在基础工程设施的增强和加固方面的现状与发展fC1.中国纤维增强塑料（FRP）混凝土结构首届学术交流会论文集.北京：2000，6.

[3]      Proceedings of the first international ConfeFence on Structural Health Monitoring and Inteligent Infrastructure，Edited by Z.S.Wu and M.Abe，A.A.Balkema Publishers。l3—15Novermber，2003.Tokyo.Japan.

[4] 岳清瑞.纤维增强塑料（FRP）在土木工程结构中应用技术的进展[C].第二届全国土木工程用 FRP应用计算 学术交流会论文集.昆 明：2002，7.

[5] 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fC1.第二届全国土木工程用 FRP应 用计算学术交流会论文集，昆明：2002，7.

[6] 吴刚，胡显奇，等.连续玄武岩纤维在墩柱抗震加固中的应用研究[C].2005年 FRP及结构加固全国会议论文集，西安：205—212.

[7] 张敏，吴刚，等.连续玄武岩纤维增强复合材料力学性能试验研究[J].高科技纤维与应用，2007，32（2）：15-21.

[8] 罗云标，昊刚，吴智深.钢一连续纤维复合筋拉伸力学性能试验研究[J].力学与工程，2007：213—218.