纤维增强复合材料在建筑工程结构加固中的应用

1 发展背景及应用领域
　　早在1981年，瑞典联邦实验室最早采用粘贴碳纤维复合材料（CFRP）加固了Ebach桥，被认为是FRP在建筑工程中应用的开始。而后在对美国旧金山地震、洛杉矶地震、日本阪神地震中被损坏建筑结构修复加固中验证了FRP加固技术的优越性。尤其是在1995年日本阪神地震后，使用CFRP布对受损高速路桥墩柱进行了快速加固，取得良好效果，引起了工程界的广泛关注。1999年日本土木学会成立FRP加固委员会，并完成了使用FRP片材的混凝土维修、加固技术草案，编制了世界上首个FRP加筋混凝土和预应力混凝土结构设计指南。到目前为止，全球已有许多FRP应用于结构工程加固和建设的有关标准规范，FRP加固技术被美国、日本、瑞士、法国、德国等国家认可和推广。
　　目前，FRP在建筑工程领域中的应用有以下几个方面：在工业与民用建筑中，FRP主要作为结构的加固修复材料，用于结构增强，提高建筑物的承载力或耐久性，此项技术已经比较成熟。在桥梁、隧道建设中，FRP筋、网片，可以代替普通钢筋或钢筋网片，解决钢筋、钢丝网片的腐蚀问题；采用FRP预应力加固桥梁上、下部结构，增强结构耐久性和抗震性。基础设施建设规模的不断发展和壮大给予FRP材料更大的发展空间，如玻璃纤维增强材料制品已用于许多基础设施建设工程，包括水利枢纽和港口工程等领域。由于FRP自身具有很好的耐腐蚀性等特点，可以适应长期的恶劣环境，因此可用于近海和寒冷地区的钢筋混凝土结构以解决盐蚀危害。
　　2 FRP材料特性
　　目前建筑工程所采用的FRP主要有玻璃纤维增强复合材料（GFRP）、芳纶纤维增强复合材料（AFRP）以及碳纤维增强复合材料（CFRP）。
　　与钢材、混凝土等传统建筑材料相比，FRP虽然还属于较年轻的建筑结构材料，但具有不可忽视的优点。其特性主要有一下几点：
　　2.1 轻质高强
　　FRP最突出的优势在于它有很高的比强度，相对密度在1.5―2.0之间，只有碳钢的1/4―1/5，但是其拉伸强度却与碳素钢接近甚至超过，比强度更是可以与高级合金钢相比。
　　2.2 耐腐蚀性好
　　FRP是良好的耐腐材料，对大气、水和一般浓度的酸、碱、盐以及多种油类和溶剂均有较好的抵抗能力。与传统建筑结构材料相比，它能够抵抗不同环境下的化学腐蚀，目前在化工建筑、地下工程和水下特殊工程中，FRP的耐腐蚀优点已经得到实际工程证明。在近海地区的工程建设中采用FRP结构来替代传统结构可以有效抵抗空气中盐分的腐蚀，减少结构的维护费用。
　　2.3 其他
　　FRP有可设计性，产品成型方便。适合在工厂生产、运送到工地、现场安装的工业化施工过程。绝缘、隔热、透电磁波。与传统材料结构不同的是，FRP一般表现为各向异性，纤维方向的强度和弹性模量较高，但垂直纤维方向的强度和弹性模量很低，由于这个特性的存在，在应用FRP的过程中要加以注意并解决。
　　3 FRP在混凝土结构加固中的应用
　　3.1 概述
　　使用纤维增强复合材料加固混凝土结构是目前应用最广泛的一种新型结构加固技术。混凝土结构存在于各种建筑工程中，例如工业与民用建筑、铁路与公路桥梁、隧道、涵洞、各种构筑物等其他土木工程。随着外界环境的不断变化以及长久使用等因素，很多混凝土结构存在不同程度的老化、劣化现象，为了保证其承载力在安全使用范围内，因此需要对结构进行加固或修复。先进工程中已经得到应用的结构加固方法有：植筋法、加大截面法、喷射混凝土法等。纤维增强复合材料加固混凝土技术是通过树脂胶结材料将纤维增强复合材料粘贴于混凝土表面，通过两者共同作用以达到加固补强、改善受力性能的一种结构外部加固技术。
　　3.2 常用加固方法
　　目前常用的FRP加固混凝土结构的方法主要有：外贴纤维增强复合材料片材加固、预应力碳纤维布加固、加固及嵌入式加固。
　　3.2.1 外贴纤维增强复合材料片材加固技术
　　与传统的加固技术相比，外贴纤维增强复合材料加固混凝土技术施工快捷，具有很高的效率，且因为很少进行湿作业，基本无需大型施工机具，施工占用场地少，因此施工速度很快且方便。据资料统计，同为外部粘贴加固，普通粘贴纤维增强复合材料加固时粘贴钢板加固施工工效的4―8倍。但是常规的粘贴纤维布加固技术也有一些不足之处，比如不能调整原结构的受力状况，对原结构刚度、挠度变形、裂缝宽度、强度等的改善效果较小。加固效果对结构胶和原混凝土构件表面状态（平整度、表面混凝土强度等）依赖性大，有时不能很好的发挥高强纤维的优势。
　　3.2.2 预应力碳纤维布加固技术
　　经过大量实验研究和工程实践表明，普通纤维增强复合材料片材加固技术存在一些缺陷，比如FRP片材在较低应力水平与混凝土发生剥离，使纤维材料的高强度优势不能得到有效发挥，影响加固效果。预应力碳纤维布加固混凝土结构是借鉴预应力钢筋混凝土结构的概念提出的一种加固效果显著的方法。将碳纤维布张拉至设计值，用粘结材料将其粘贴到混凝土梁的受拉面，使其与混凝土结构共同受力。这种加固技术可以充分利用碳纤维布轻质高强的特点，极大提高构件的开裂荷载、屈服荷载；延缓碳纤维布的应力滞后问题；限制裂缝的形成、发展、减少裂缝宽度和挠度变形。
　　4 FRP在钢结构加固中的应用
　　工程结构中存在大量的钢结构，广泛应用于土木工程、石油石化、港口水工等领域，由于常年在恶劣的条件下工作，有些结构长期处于高温、高湿环境中；有些长期经受腐蚀作用；有些经受交变荷载作用。当损伤积累到一定程度，就会导致结构失效。传统的钢结构加固方法是把钢板或型钢焊接、拴接、铆接到结构的损伤部位，但这些方法均存在一些问题，例如高温作用是焊接部位组织及性能恶化、材质变脆、断裂韧性降低、抵抗脆性断裂的能力变差；拴接或铆接需要在损伤部位附近的木材上开孔，削弱了截面，恶化损伤区的受力情况，形成新的应力集中。FRP加固钢结构技术利用黏结剂将FRP材料粘贴到钢结构损伤部位的表面。一方面一部分荷载通过粘接材料层传递到纤维增强复合材料上，降低了钢结构损伤部位的应力水平，从而延长结构使用寿命，起到加固作用；另一方面，由于FRP材料具有良好的耐腐蚀性，粘贴纤维复合材料相当于在钢结构表面与外部腐蚀介质之间形成一道屏障，有效减弱介质对钢结构的腐蚀。
　　5 结语
　　按照目前国内外形势，纤维增强复合材料在建筑工程结构中的有效应用势必会带来巨大的社会意义和经济意义。随着我国国民经济发展的步伐，FRP材料的生产、标准规范完善、施工技术的开发、施工技术的检验都将不断进步发展，相信纤维增强复合材料在工程中的应用会更加完善和广泛。