雷运波， 冉 强， 张百乐， 李 贞

(健研检测集团重庆有限公司，重庆 400020)

纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer，FRP)诞生于20世纪中叶，是一种由纤维与树脂共混并通过相关成型工艺制备而成的高性能复合材料，其具有轻质高强、耐久性好和可设计性强等优点[1]。根据纤维种类的不同，相关学者将FRP分为碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP)、玻璃纤维增强复合材料(Glass Fiber Reinforced Polymer，GFRP)、玄武岩纤维增强复合材料(Basalt Fiber Reinforced Polymer，BFRP)和芳纶纤维增强复合材料(Aramid Fiber Reinforced Polymer，AFRP)[2]。20世纪90年代，随着技术的不断创新和产业的蓬勃发展，FRP的制造成本也逐渐下降，其也从最初的仅供军事设备使用，开始面向工业领域；近些年，学者们更是尝试将FRP用于加固土木工程中的各类结构[3]。虽然目前国内外已有诸多学者对FRP在土木工程中的应用进行了相关研究，但都与实际工程应用相距甚远[4]。本文简要概述当前国内外FRP在土木工程中的研究进展，为其实际工程应用和未来研究方向提供参考。

1 国内外研究概况

1.1 国外研究概况

国外学者于20世纪中叶开始研究FRP在土木工程中的实际应用[5]。美国在20世纪60年代初期便利用GFRP加固混凝土结构；此后20年间，欧亚各发达国家连续将目光集中于FRP加固土木工程结构的领域，并为此投入了大量的科研人员与试验仪器；在各国的长期努力下，对于FRP的研究取得了喜人的结果，同时也进一步证明了FRP在实际工程中应用的可行性[6-8]。20世纪末，日本关西地区发生了7.3级地震，在相关专家的建议下，救援施工人员利用FRP对灾后的混凝土结构进行紧急加固，因其具有轻质高强、耐久性好和施工便捷等优势，为抢险救人与灾后重建争取了宝贵的时间，同时也为FRP在土木工程领域的应用提供了实例支撑[9]。

为了进一步推广FRP在土木工程领域的实际应用，各国开始着手制订相关指标与规范[10]。20世纪90年代初期，美国混凝土协会为了研究FRP加固混凝土与砌体结构，特别成立了ACI440(American Certification Institute 440，ACI440)，并拟定了相关规范的草案；2年之后，在ACI440的努力下，第一届国际FRP专题会议于加拿大顺利举办，并规定该会议之后每2年举办一次[11]。1997年12月，欧洲各国启动了《高性能纤维复合材料加固混凝土结构设计指南》项目[12]。20世纪末，由于FRP在震后救灾抢险的优异表现，日本土木学会成立FRP加固委员会，并拟定了相关维修与加固规范的草案[13]。

1.2 国内研究概况

20世纪90年代中期，我国开始从欧美发达国家引进CFRP加固混凝土结构的相关技术，并同时组织有关专家学者开展FRP在土木工程其他结构中的加固研究，由于其显著的加固优势，对于FRP的相关研究在较短的时间内便成为了行业热点[14]。目前我国已经对FRP在土木工程领域的应用进行了大量的研究与实践工作，并取得傲人的成果；在理论研究方面，我国学者结合当前实际国情对于FRP的设计标准、加固机理和规范指标等多个方面开展研究；在工程实践方面，我国已完成上千项FRP加固工程，且其应用表现与服役年限均令人满意[15]。随着FRP在我国土木工程中广泛应用，有关部门开始组织有关专家学者编写适应我国实际情况的相关指标与规范，使FRP今后能够更好在我国土木工程中得到推广应用。我国工程建设标准化协会所制定的《碳纤维布加固修复混凝土结构技术规程》在实际工程中已经开始应用并起到了良好的指导作用，同时其他各类FRP的产品标准和有关规范都在草拟中[16-18]。目前FRP加固土木工程中的各类结构已在我国逐渐推广，并正在步入高速发展阶段。

2 纤维增强复合材料加固优势

2.1 轻质高强

FRP是典型的轻质高强材料，具有极高的比强度。一块重量仅为普通钢材25%左右的FRP，其抗拉强度却是钢材的10倍左右，同时，由于FRP轻质的特点，其运输成本远远低于传统材料。实际工程中若使用FRP作为结构加固用材，其不会因为自重过大而给加固结构带来额外的荷载作用，同时FRP超高的强度又为结构的正常使用提供了有效的保障。

2.2 耐久性好

随着社会的不断发展与进步，各类工程结构的服役环境是越发复杂多变，同时人们对于其耐久性要求也是日益提高。在恶劣条件下(如高温、酸雨和海水等)，传统材料耐久性较差，随服役时间的增加，强度明显下降，继而大大增加工程的养护成本，同时也带来了一定程度的安全隐患。目前市面上所使用的大部分FRP的耐久性远优于传统材料，有关试验研究证明，在模拟海洋腐蚀的实验环境中，FRP服役2 万h后强度仍旧未发生较大变化，同时在美国平洋海岸，FRP修改加固被海水严重腐蚀破坏的混凝土结构，在服役10余年后，各项性能指标与结构整体性依旧保持良好[19]。故在土木工程中的各类结构使用FRP不仅能够有效地降低维护成本，同时也能为结构的长期安全服役提供保障。

2.3 可设计性强

各类纤维材料的性能也各不相同，如碳纤维具有良好的刚强度与耐久性，但延展性较差且价格高昂；玄武岩纤维低碳环保，同时具有良好的延展性与耐候性，但弹性模量偏低；玻璃纤维成本较低，但耐候性与弹性模量均较差；芳纶纤维具有优异的抗冲击性，但易蠕变且耐候性较差[20]。故可将不同纤维材料复合设计实现性能互补，也可根据实际工程需求设计适宜的高性能复合材料。同时，相关成型工艺不断进步和成熟，也使得FRP的制作成型更加方便。在实际工程中，厂家可根据用户的需求对FRP的性能和形状进行灵活的设计。

2.4 施工便捷

与传统加固材料相比，FRP是柔性材料，在实际施工过程中，即使需要加固的结构表面略有不平，也可以保证较高的施工效率，同时前期准备工作较少，施工无需现场固定与大型设备，施工占用场地少。同时其施工工具与工序均较为简单，施工噪音小，且施工后发现局部缺陷也易于修补。

3 纤维增强复合材料加固结构

3.1 加固砌体结构

3.1.1 CFRP加固砌体结构

美国、加拿大和日本等发达国家最早开始研究CFRP加固砌体结构，我国于20世纪末引进并研究。韦昌芹等[21]率先提出CFRP加固砌体结构的应力应变计算公式，并设计了2种不同方案验证试验，最终试验所得数据与公式运算结果高度吻合，进而推断出CFRP加固砌体结构具有可行性。张明杰等[22]为研究CFRP加固开裂砌体结构的抗震性能，进行了一系列的模拟地震振动台试验，试验结果表明CFRP能够有效提高砌体结构的抗震性能。杨曌等[23]通过拟静力试验研究，分析试件的破坏形态、滞回曲线和延性系数等抗震性能指标，来研究CFRP加固砌体结构的抗震性能，从而得出了CFRP加固砌体结构有较好的抗震性能，为CFRP加固砌体结构的后续研究提供了可靠的数据。

3.1.2 BFRP加固砌体结构

张斯等[24]通过模拟静力试验研究BFRP加固砌体构件的抗震性能，试验结果表明BFRP能改变砌体结构的破坏形态，同时能够有效减缓裂缝的扩张，从而提升结构的抗震性能。赵少伟等[25]利用低周反复荷载试验研究BFRP加固后砌体结构的各项性能，结果表明BFRP能够有效改善结构的耗能能力，同时提升砌体的变形、抗震和抗剪等能力，继而延缓其刚度退化。

3.1.3 GFRP加固砌体结构

刘骥夫[26]通过室内试验研究GFRP加固砖砌体结构的应力情况，并此基础上提出合理假设，建立相关的有限元模型，结合试验数据与数学建模分析研究不同荷载下砌体结构的应力应变分布规律。熊雅格[27]通过砖柱抗压试验与砌体通缝抗剪试验来研究GFRP加固砖砌体结构的单调加载问题，并利用有限元分析软件进行模拟分析，结果表明GFRP可以很好地提高砌体结构整体抗剪强度，使裂缝缓慢扩展，防止突然性破坏。

3.2 加固混凝土结构

3.2.1 CFRP加固混凝土结构

严志亮[28]通过一系列试验对CFRP 加固混凝土结构的耐候性进行来研究，结果表明在酸性环境中，结构的延性会明显下降，但其弹性模量变化不大；在潮湿环境中，结构的开裂荷载与极限荷载会有轻微的下降，但依旧远高于传统材料加固后的结构。李春霞[29]从结构弯承载应力出发，研究不同荷载下CFRP加固前后混凝土结构的应力应变，推导出更加适合实际工程需求的滞后应变简化公式，并在此基础之上，提出了以界限配布率为指标的CFRP用量设计公式。梁金福[30]在原有试验研究的基础上引入数学模型，采用数值模拟与室内试验相结合的方法进一步研究分析CFRP加固混凝土梁结构的破坏机理。刘尧遥[31]利用有限元分析软件对CFRP嵌入式加固混凝土梁的力学特性进行数值模拟分析，同时设计室内试验进行验证，发现二者数据高度一致。

3.2.2 AFRP加固混凝土结构

官保华[32]为解决AFRP加固混凝土结构在有限元模拟软件中界面处理与分析收敛两大难题，提出在现有界面分析模型的基础上，引入微平面模型，并利用模拟软件中的二次开发工具，编写完成了微平面本构程序，但遗憾的是并没有通过相关的试验进行验证。邵士萍[33]为研究不同层数的AFRP的加固效果，以混凝土梁作为试验研究对象进行了一系列的相关试验，并在此基础上利用相关模拟算法分析研究结构应力应变在不同荷载组合下的变化规律。

3.2.3 BFRP加固混凝土结构

高晓楠[34]对不同温度下的CFRP与BFRP加固混凝土结构分别进行了室内试验，并将试验数据进行非线性有限元分析，结果表明在相同温度下，BFRP的延伸性相对较好，CFRP的拉伸强度和弹性模量则相对较好。许向南[35]通过试验得出BFRP可提升被加固混凝土连续梁的极限荷载，并利用有限元分析软件进行数值模拟，由此推导出BFRP加固后混凝土连续梁的抗弯承载力公式与刚度公式。

3.3 加固钢结构

3.3.1 CFRP加固钢结构

钮鹏[36]通过大量的理论与试验研究，推导出CFRP加固H型钢结构的极限荷载公式，并建立模型进行模拟，最终模拟结果与公式运算结果高度一致，为后续荷载问题的进一步研究提供了理论依据。袁菁颖[37]进行了CFRP加固H型钢梁的试验研究，并进行了ABAQUS数值模拟，相关试验结果对后续实际工程设计具有较大的指导意义。蒋兴笠[38]从物理化学性质出发，通过微观特性研究分析CFRP加固钢结构的相关作用机理与潜在破坏形式，继而总结整理出设计规范标准，并推导出CFRP加固钢结构的界面应力计算公式。王旭[39]利用ANSYS对CFRP加固钢结构的界面黏结应力分布进行了数值模拟，并分析了其应力应变的分布规律。

3.3.2 GFRP加固钢结构

张卉[40]为研究GFRP加固钢结构的受力情况，进行了大量的有关试验，最终发现得到的结果具有一定的规律性，为其后续的试验研究与工程应用指引了方向，也为制订相关技术指标与规范提供了数据。李娟[41]为研究GFRP加固钢结构的剥离应力，通过一系列的室内试验分析其黏结机理，在此基础上提出黏结强度和界面剥离应力的理论公式，经试验研究与数值模拟相结合得出GFRP能有效提升钢结构的极限剥离应力，同时其整体强度与荷载能力均有所增强。

4 总结

经相关试验研究与工程实践证明，相较于传统的工程结构加固材料，FRP在施工成本、使用寿命与后期维护等方面具有明显优势。西方国家对与FRP在土木工程中的研究和应用较早, 并制定了相关的技术规范及准则；我国对其研究虽然起步相对较晚，但国内学者经过不断探索和试验，在借鉴国外成功经验的基础上，结合自身实际情况，逐步形成了适用于国内的FRP加固技术，但是适合我国国情的FRP加固技术指标与规范仍有待进一步研究和完善。