FRP在工程结构加固补强中的应用

早在20世纪80年代，这项技术在我国的工程实践中就曾尝试过：云南海孟公路巍山河桥的加固中采用了外贴GFRP内夹高强钢丝的方法，此后湖南溆浦大江口桥、上海宝山飞云桥、广东官汕线郭屋楼桥、韶关地区风村桥以及南京长江大桥引桥等，都采用环氧树脂粘贴玻璃布进行了加固，但这项技术在我国的发展缓慢。而在20世纪80年代，瑞士联邦实验室的Meier等人对FRP板代替钢板加固混凝土结构的技术进行了系统的研究，并在1991年用CFRP板成功的加固了瑞士的Ibach桥。此后，FRP片材加固混凝土结构技术的研究在欧洲、日本、美国和加拿大等国得到迅速发展，并在实际工程得到较多的应用，特别是美国北岭地震和日本阪神地震后，FRP加固技术的优越性在已损坏结构的快速修复加固中得到了很好的验证。目前，这些国家和地区先后颁布或出版了FRP加固混凝土结构设计规程或指南。我国从1997年才开始对FRP加固技术开展系统的研究，使这一技术得到推广，在一些重大工程，如人民大会堂、民族文化宫的加固改造中得到了应用。2000年完成了我国首部FRP片材加固设计与施工技术规程。近年我国还开展了FRP片材加固砌体结构和钢结构的研究和应用，但仍以加固混凝土结构的研究和应用最多。
       关于FRP片材加固混凝土结构，最近国内已有大量的研究论文发表，本书不再赘述，则主要针对不同的加固形式，指出其应用中应注意的关键问题：
      (1)FRP布缠绕加固混凝土柱，通过约束混凝土提高混凝土强度和变形能力，并可提高柱的抗剪能力。这是FRP布加固混凝土最有效的加固形式，其加固效果已得到国内外大量试验的验证，而且各种FRP片材均有效。但研究表明，FRP对混凝土柱的约束效果与截面形状有很大关系，对于矩形截面柱一般只能提高变形能力和抗剪能力，而对受压承载力的提高有限，正常加固量下一般不超过25％。但如果将截面形状适当处理成有一定弧度，则可显著提高受压承载力。在我国的工程应用中，往往十分关心加固后柱的轴压比限值能否提高，这与约束混凝土柱的受压承载力和变形能力的提高有很大关系，从目前的研究来看，FRP包裹缠绕圆形混凝土可以大大改善其延性，可适当放松轴压比限制。另一个值得注意的是，虽然CFRP布的强度是各种FRP中最高的，但其延伸率较小，其约束混凝土最终表现为突然的脆性破坏。近年来已有采用混合FRP约束混凝土的研究，还有一些高延伸率纤维材料的应用，可使脆性破坏得到改善，且能改善约束效果。
       (2)在梁、板受拉面粘贴FRP片材，能提高构件受弯承载力，并可使裂缝得到有效控制。这种加固形式在国内应用较多，但从加固效果来看存在以下一些问题：①FRP片材的受拉作用只是在受拉钢筋屈服以后才能得到有效发挥，而此时梁和板的挠度变形一般已很大，因此FRP片材用于受弯加固通常只能作为一种安全储备；②加固后受弯承载力提高程度与加固前梁板的原有配筋量有很大关系，且FRP的强度一般不能得到充分利用；③FRP片材用于受弯加固时易产生剥离破坏，应充分注意采取抗剥离的构造措施。为了提高受弯加固效果，采用预应力方法可以获得较好的效果，我国已成功开发出预应力CFRP布张拉设备和加固技术。FRP加固可有效控制裂缝的开展，尤其在梁的侧面粘贴FRP条带，可控制梁腹配筋不足导致裂缝过大的情况。相对于受弯承载力加固，这应该成为FRP在梁板加固中的主要应用方式，但目前关于加固后的裂缝计算问题尚未有深入研究。
       (3)对梁、柱构件采用FRP片材包裹或U形箍包裹，以提高其受剪承载力。这种加固形式也较为有效，不过同样需注意其提高程度与原构件配箍率有关，且FRP片材强度的发挥一般只有20％～40％。此外，对于U形或侧面粘贴加固，剥离破坏仍是主要破坏形式，因此，FRP与混凝土界面间的剥离是非常值得深入研究的问题。
       除以上三种主要加固形式外，FRP布也可用于受扭和剪力墙的加固。对于柱的受弯加固梁柱节点因FRP的锚固问题难以解决，而很难得到实际应用。
       目前虽然。FRP片材加固混凝土结构已得到广泛应用，但仍有许多问题值得深入研究，主要有：界面粘结性能和剥离、疲劳性能、二次受力、防火问题、耐久性以及环境影响等。对于隧道、涵洞、烟囱、壳体结构等特种结构的加固，粘贴FRP片材有很大优势，研究工作在我国已有开展，但还较少。
       FRP片材的截面积较小，使得加固效果受到影响，因此近年来采用FRP网格材加固、FRP筋表面嵌入式加固技术以及FRP索体外预应力加固在国内外有较多的研究和应用。
       除了用于混凝土结构加固外，FRP也可用于砌体结构、木结构和钢结构的加固，这方面的研究和应用工作目前国内也有开展。
        FRP对于钢结构的加固包括无初始缺陷和有初始缺陷钢梁的加固。加固的效果主要体现在疲劳寿命、极限承载力、屈曲荷载和耐腐蚀性能的提高，试验表明，疲劳性能的提高非常显著。在西方国家用FRP加固铸铁结构应用也较多。总体上，我国对FRP加固钢结构的研究还处于起步阶段，仍需进行深入的研究。
       另一个值得注意的问题是，FRP材料直到破坏都基本表现为线弹性，这与传统的钢材和混凝土的力学性能有很大差别，因此采用这种材料加固或直接作为构件和组合构件，其极限状态、设计方法和可靠度问题，以及设计指标都与目前常用的混凝土结构和钢结构有所不同。