作者：王新剛¹  崔長中²

單位名稱：陜西壓延設備廠 

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    纖維增強復合材料（fiber reinforced polumer/plastic，簡稱FRP）是由纖維增強材料和基體材料按一定比例混合并經過一系列工藝流程復合形成的高性能新型材料。FRP有著高強、輕質、耐腐蝕等特點，近年來在建筑工程結構中得到應用，并受到工程界的廣泛關注。目前工程結構中常用的FRP主要為碳纖維（carbon fiber）、玻璃纖維（glass fiber）和芳綸纖維（aramid fiber）增強的樹脂基體，分別簡稱為GFRP、CFRP和AFRP。近十年來，尤其是美國北嶺地震和日本阪神地震后，FRP材料（主要是片材）加固補強建筑結構技術在工程中得到了很好的應用，FRP材料的輕質、高強、耐腐蝕、施工性能好等優越性能逐漸被工程界認可，FRP開始以各種形式應用于各類土木建筑結構工程中。

    用于建筑工程結構的FRP主要采用長纖維增強為主，主要的產品形式有：片材（纖維布和板）、筋材和索材、網格材和格柵、拉擠型材、模壓型材等。纖維布是目前應用最廣的形式，主要應用于結構工程加固，使用前不浸潤樹脂，加固時用樹枝浸潤后粘貼于結構表面。

 

    FRP材料的性能與傳統結構材料有很大差別，其具有以下優點：

    （1）比強度很高：即通常所說的輕質高強，因此采用FRP材料可減輕結構自重。在橋梁工程中，用傳統結構材料，理論上的極限跨度在5000m以內；如果上部結構使用FRP，極限跨度可達8000m以上。在建筑工程中，采用FRP材料的大跨空間結構體系理論極限跨度比傳統材料結構大2~3倍。因此，FRP結構和FRP組合結構是獲得超大跨度的重要途徑。在抗震結構中，FRP材料可減輕結構自重，減小地震作用，且可顯著提高結構的耐疲勞性能。

 

    （2）良好的耐腐蝕性：FRP可在酸、堿、氯鹽和潮濕環境中長期使用。在化工建筑、鹽漬地區的地下工程、海洋工程和水下工程中，FRP材料良好的耐腐蝕性能得到實際工程的證明。國外發達國家每年因鋼材銹蝕而造成的橋梁和結構工程老化損壞修復費用極高，我國目前因鋼材銹蝕而造成的損失也在逐年增加，因此，在寒冷地區和近海地區的橋梁、建筑中采用FRP結構或FRP配筋混凝土結構以抵抗除冰鹽和空氣中鹽分的腐蝕，可極大地降低結構維護費用，延長結構使用壽命。

   

    （3）良好的可設計性：FRP屬于人工材料，可根據工程需要采用不同纖維材料、纖維含量和鋪陳方式等不同工藝設計出不同強度指標、彈性模量及特殊性能要求的FRP產品，且FRP鏟平形狀可靈活設計。

   

    （4）良好的彈性性能:FRP材料的應力應變曲線接近線彈性，塑性變形小，有利于解雇偶然超載后的變形恢復。

   

    （5）工廠化生產，現場安裝：有利于保證工程質量、提高勞動效率和建筑工業化。

   

    （6）其他優勢：絕緣、隔熱、熱膨脹系數小及透電磁波等，因此可用于一些特殊場合如雷達站、地磁觀測站、醫療核磁共振設備結構等。

   

    與傳統結構材料不同，FRP材料通常為各向異性材料，沿纖維方向強度和彈性模量較高，而垂直纖維方向的強度和彈性模量很低。因此，其受力性能復雜，增加了FRP結構的分析和設計難度。FRP產品的彈性模量大致與混凝土和木材同一數量級，因此，FRP結構的設計通常為變形控制。因其彈性模量相較于鋼材較低，可通過合理與混凝土材料組合及采用預應力等方法控制結構的變形，以補償剛度不足。FRP材料的剪切強度、層間拉伸強度和層間剪切強度僅為其抗拉強度的5%~20%，因此，FRP結構的連接部位往往容易成為整個構件的薄弱環節，因此，在FRP結構設計中，一方面要盡量減少連接，另一方面要重視連接的設計。與混凝土相比，一般FRP材料防火性能較差，樹脂在高溫下達軟化溫度時力學性能大大降低，目前可在FRP的樹脂材料中摻入阻燃劑，提高其抗火性能。另外，初始缺陷和工作環境對FRP材料抗疲勞性能的影響非常顯著。

     

    目前，單從材料價格上比較，FRP結構和FRP組合結構與鋼筋混凝土結構相比，價格很昂貴。但由于自重輕，耐腐蝕，維護費用低廉，因此，采用FRP材料的綜合經濟效益值得重視。

    將FRP片材粘貼于構件表面受拉，可增強構件的受力性能。我國從1998年后對FRP加固技術開展一系列研究，在一些重大工程的加固改造中推廣應用FRP加固技術，于2000年頒布我國FRP片材加固設計與施工技術規程。近年來我國還開展了FRP片材加固砌體結構和鋼結構的研究與應用。目前以加固混凝土結構的研究和應用最多。

   

    2.1 FRP片材加固混凝土結構

    （1）FRP布纏繞加固混凝土柱：這是FRP布加固混凝土最有效的加固形式。通過約束混凝土以提高混凝土強度和變形能力，并可提高柱的抗剪能力。但FRP對混凝土柱的約束效應與截面形狀有很大關系，對矩形截面柱，受壓承載力的提高有限，一般不超過25%，主要提高變形能力和抗剪能力。因此加固時可考慮將截面形狀適當處理，形成一定弧度，則可顯著提高受壓承載力。FRP包裹纏繞圓形混凝土柱可大大改善其延性，經加固的混凝土柱軸壓比限值可適當提高。但CFRP布延伸率較小，用于纏繞加固混凝土柱時其破壞為突然的脆性破壞，須引起設計重視。

   

    （2）梁、板受拉面粘貼FRP片材

    可提高梁、板的受拉承載力，并有效控制裂縫。但存在以下問題：FRP片材的受拉作用僅在受拉鋼筋屈服后才能得以有效發揮，而此時梁、板的撓度變形已很大，故用于受拉加固的FRP片材僅為一種安全儲備；加固后受彎承載力提高程度與加固前梁、板原有配筋量有很大關系；FRP片材用于受彎加固時易發生剝離破壞。因此，在梁的側面粘貼FRP條帶，以控制梁腹配筋不足導致裂縫過大，這應成為FRP在梁、板加固中的主要應用。

   

    目前，FRP片材加固混凝土結構得到廣泛應用，但仍有很多問題值得深入研究，如：界面粘接性能和剝離、疲勞性能，防火問題，環境影響等。

   

    2.2.FRP加固修復鋼結構

    FRP加固修復鋼結構是采用FRP板（或布）粘貼到鋼結構構件的損傷部位，提高或改善其受力性能，主要有以下幾種形式：（1）在梁的受拉面粘貼FRP片材，提高其抗彎承載力和抗彎剛度，該種加固形式國內外研究應用較大，也比較有效；（2）在梁腹板粘貼FRP片材，提高其抗剪承載力；（3）對疲勞損傷鋼結構進行加固，提高剩余疲勞壽命；（4）FRP布環向纏繞鋼管柱，避免鋼管的局部失穩，提高柱的抗壓承載能力；（5）對鋼結構節點的加固。

   

    2.2.1 受彎構件的加固

    FRP用于加固無初始損傷缺陷的鋼梁，其承載能力有一定提高，但剛度沒有明顯變化。對于存在損傷的受彎構件加固，剛度基本能恢復到未損傷狀況下鋼梁剛度的90%以上，極限承載力的提高隨加固量和損傷程度的不同而不同。對損傷鋼梁采用FRP加固后，FRP材料在損傷部位與鋼梁將發生剝離破壞，損傷越嚴重，剝離破壞越明顯，從而使FRP材料的高強作用得到充分利用。但過早發生剝離破壞，對極限承載能力的提高作用有限，因此，應采取措施延緩或避免剝離破壞的發生。

   

    2.2.2 受拉（壓）構件的加固

    用FRP布加固受拉構件，可有效提高鋼構件的屈服荷載和極限荷載，且破壞模式基本為FRP布被拉斷，且多為斷面附近或FRP布端部的脫膠破壞。脫膠的位置和程度不同，極限承載能力不同，因此，FRP用于受拉構件的加固中，膠粘劑起著十分重要的作用。、

   

    FRP對于受壓構件的加固中，采用沿柱子環向粘貼FRP布比沿縱向粘貼的加固效果更好，極限承載力可提高15%~18%。且采用環向FRP布加固，不會發生FRP布與鋼構件之間的剝離和FRP布斷裂的現象，最后破壞模式為鋼柱局部屈曲破壞；采用縱向加固，破壞模式則為FRP布與鋼構件之間的剝離破壞。

   

    FRP用于鋼結構的加固應用還有好些方面。如采用FRP加固后，存在疲勞損傷的鋼結構的剩余疲勞壽命均成倍增長，加固效果十分明顯。但對FRP加固鋼結構，應注意到，采用FRP加固后，原有的受力狀態發生變化，原來全部由鋼結構承受的荷載在加固后通過膠粘劑的傳遞，由鋼結構和FRP共同承受，因此，膠層對于荷載的有效傳遞是很重要的問題。FRP與鋼結構間的膠層存在剪應力或正應力，尤其是在不連續的區域（鋼結構存在損傷裂紋、膠層存在漏膠缺陷、FRP端部等區域），膠層的剪應力或正應力存在應力集中，容易引起膠層的破壞。為了避免膠層的剝離破壞，可采用把FRP板兩端做成45^。角以有效減小膠層的應力；也可才有那個鋼夾具把FRP布兩端固定，以抵抗端部較大的正應力和剪應力。同時，開發高性能低成本、適用于鋼結構加固的膠粘劑材料是FRP加固鋼結構技術的關鍵。

   

    FRP筋中纖維體積含量可達60%以上，重量約為普通鋼筋的1/5,強度為普通鋼筋的6倍，輕質高強的優點，且具有抗腐蝕、低松弛、非磁性、抗疲勞等優點。目前用FRP筋代替鋼筋可利用其良好的耐腐蝕性，避免銹蝕對結構帶來的損害，降低結構的維護費用。還可用作預應力筋和預應力索。作為混凝土構件中配筋的FRP筋要通過表面砂化、壓痕、滾花或編織等工藝增強其與混凝土間的粘結力；用作預應力FRP筋的索一般較柔軟，具有一定的韌性。因FRP筋直到拉斷均表現為線彈性，沒有普通鋼筋的屈服平臺，因此構件破壞帶有一定的脆性，對FRP筋的設計不能簡單類同于鋼筋的計算，必須針對其性能采用合理的設計方法。此外，FRP筋較難現場成形，用于箍筋等形狀復雜的配筋需事先設計好并在加工廠加工。

     

    FRP—混凝土組合梁、板是一種合理的FRP與混凝土組合的機構形式，上部為混凝土主要受壓，下部為FRP主要受拉，它們之間通過剪力連接件使二者協同工作以充分利用，并獲得較大的剛度；同時,FRP可兼為模板，方便施工。工作原理與鋼—混凝土組合梁、板相同。

    

    將混凝土澆筑入預制的FRP管中形成的FRP管混凝土組合構件，FRP管對內部混凝土起約束作用，并兼作模板，可極大地提高混凝土的強度和變形能力，同時混凝土也可防止FRP管的屈曲破壞。FRP管混凝土受力性能好，施工方便，并具有良好的耐腐蝕性，因此在結構工程中得到較廣泛的應用。

   

 4、FRP空間結構

    由于FRP材料的輕質高強和耐腐蝕的優點，特別適合用于大跨度空間結構。FRP制成桿件，可用于網架或網殼等結構中，但因FRP彈性模量低，節點處理困難，因此在大跨度的網格結構中很難發揮優勢。目前在建筑工程中，大多為采用FRP板填充網格結構的網格以部分受力，或采用FRP構件代替部分鋼構件的網架或網殼結構。近年，日本成功開發帶有鋁合金接頭的CFRP卷管，桿件由CFRP片材以不同角度層疊粘貼而成，桿端采用鋁合金的錐頭與球節點連接，應用于空間網架結構中。CFRP網架結構重量僅為鋼網架的1/5~1/4,施工周期短，耐腐蝕性好，可避免凝露，維護費用低，線脹系數小，大跨度溫度效應小，非常適合于在超大跨度的空間結構和環境比較惡劣的大跨結構。

    

    FRP可制成波紋板、帶肋板、空心板或夾芯板，組成各種形狀的拱、殼、折板以及穹頂等空間結構，可用于雷達天線罩、娛樂設施、工業廠房等結構中，具有色澤鮮亮，耐腐蝕，成形容易，施工方便，重量輕，保溫性好等優勢。

     本文介紹了FRP材料的功能特點及其在建筑工程中的應用情況及應注意的問題。FRP作為一種新型的高性能材料，必將成為傳統結構材料的重要補充，給建筑工程結構帶來新的發展契機，并將顯示不可忽視的綜合效益。目前，我國FRP的應用主要以結構加固為主，且主要用于結構正常使用狀況的加固較多，其他方面工作相對滯后。因此，對于FRP在建筑工程結構中的應用和研究，有著很大的工程應用和經濟效益前景。

 

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2.中國工程建設標準化協會.碳纖維片材加固修復混凝土結構技術規程【S】

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