FRP復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)加固工程中應(yīng)用

通過介紹FRP復(fù)合材料，因其輕質(zhì)高強(qiáng)、高彈模、耐腐蝕性能好

及抗沖擊性能好等一系列長(zhǎng)處，在橋梁、地鐵及一些工業(yè)廠房等混凝土

結(jié)構(gòu)的加固與修復(fù)領(lǐng)域中，應(yīng)用潛力巨大。

土木工程學(xué)科的發(fā)展，在很大程度上依靠于性能優(yōu)異的新材料新

技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。在已有結(jié)構(gòu)的加固改造領(lǐng)域，不僅要求材料經(jīng)濟(jì)美

觀、便于施工，且要求施工后的結(jié)構(gòu)承載力能夠明顯提高。而FPR復(fù)

合材料以其優(yōu)異的力學(xué)性能和廣泛的適用性發(fā)揮著越來越重要的作用。

FRP（fiberreinforcedplastics）復(fù)合材料主要有碳纖維（CFRP）芳綸

纖維（AFRP）及玻璃纖維（GFRP）等，其材料形式主要有片材工棒材

和型材。FRP的共同長(zhǎng)處是：輕質(zhì)高強(qiáng)、高彈模、抗疲憊、耐腐蝕耐久

性能好、熱膨脹系數(shù)低等。另外，F(xiàn)RP復(fù)合材料可以節(jié)約材料、自由裁

剪、施工便利且速度快，雖然其前期投資較大，但維護(hù)本錢低，經(jīng)濟(jì)效

益明顯。因此，F(xiàn)RP（片材）復(fù)合材料在土木結(jié)構(gòu)加固工程中應(yīng)用潛力

巨大。

1、FRP復(fù)合材料的根本特性

伴著增加纖維材料的發(fā)展，碳纖維、芳綸纖維及玻璃纖維已經(jīng)成為

當(dāng)前結(jié)構(gòu)工程中加固補(bǔ)強(qiáng)的重要材料。一些典型的FRP（片材）復(fù)合材

料的根本力學(xué)性能見下表。

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FRP復(fù)合材料的性能各異，在拉伸強(qiáng)度及拉伸模量方面，玻璃纖

維和芳綸纖維一般比碳纖維低1/3左右；在斷裂延長(zhǎng)率方面，芳綸纖維

一般是碳纖維的2倍左右，玻璃纖維一般比碳纖維高70%左右；在韌

性、抗沖擊性能方面，芳綸纖維和玻璃纖維要比碳纖維好得多：在抗堿

腐蝕方面，芳綸纖維和玻璃纖維則不如碳纖維好。關(guān)于其它方面的性能

差異，這里不再贅述。

2、FRP復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)加固工程中應(yīng)用領(lǐng)域

2.1民用建筑、橋梁及工業(yè)廠房

FRP復(fù)合材料因其優(yōu)異的力學(xué)性能，在民用建筑及工業(yè)廠房的加

固中應(yīng)用許多，主要有：①梁加固。加固的作用包括抗彎和抗剪。在進(jìn)

行抗彎加固時(shí)，F(xiàn)RP復(fù)合材料的纖維方向與梁的軸向全都，一般貼在

梁的受拉側(cè)，己提高梁的承載力量。據(jù)有關(guān)實(shí)驗(yàn)得出，只要該梁不是超

筋梁，貼一層AK-60可以提高承載力30%左右，貼兩層可以提高40%

左右；在進(jìn)行抗剪加固時(shí)，F(xiàn)RP復(fù)合材料的纖維方向與梁的軸向垂直；

②板加固。一般對(duì)于板的加固凈空要求比擬高，而且加固后不影響其外

觀，所以用厚度很薄且松軟的FRP復(fù)合材料進(jìn)行加固是一種理想的選

擇；③柱加固。芳綸纖維布、玻璃纖維布是比擬理想的柱加固材料。由

于它們的彈模小，相對(duì)于碳纖維（彈模235Gpa）,其延性較好；并且，

在進(jìn)行棱角打磨時(shí)一般只需要10mm左右，一般不需打磨，而碳纖維

則需要30mm左右，若采納芳綸纖維就可以節(jié)約許多工時(shí)丁

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2.2地鐵、隧道

因地鐵和隧道是一種在地下工作的結(jié)構(gòu)，所以它的受力與地面結(jié)

構(gòu)是不一樣的。在洞頂和洞側(cè)，它都有土壓力的作用，而且也有凈空的

要求，所以進(jìn)行裂縫修補(bǔ)時(shí)，傳統(tǒng)的加固方法不行行，而用芳綸纖維布

（不導(dǎo)電）進(jìn)行加固修理就可以滿意它的各方面要求，由于在地鐵或隧

道的拱頂或側(cè)壁的裂縫一般是多向且不規(guī)章的，這就要求修復(fù)材料必

需具有良好的抗剪性能，而且還是一種不導(dǎo)電的材料，所以芳綸布在隧

道地鐵工程中是一種最正確的選擇。

2.3煙囪、水塔

由于煙囪水塔這樣向高空發(fā)展的結(jié)構(gòu)，加固修理特別困難，傳統(tǒng)加

固方法（如擴(kuò)大截面法、粘鋼法）根本上很難解決這樣的問題，而采納

輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕、耐久性能都很好的復(fù)合材料（尤其是芳綸纖維）進(jìn)

行加固，就是一種很好的方法。

3、幾種加固方法的比擬

3.1擴(kuò)大截面法

這種加固方法是通過增大受力面積來提高結(jié)構(gòu)的承載力，一般用

在一些較小且對(duì)凈空沒要求不高的結(jié)構(gòu)中。這種方法雖然具有本錢較

低的長(zhǎng)處，但是增加了原結(jié)構(gòu)的自重，同時(shí)減小了凈空，工期長(zhǎng)，有很

大的局限性。目前，在較大的工程中很少用。

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3.2粘鋼法

在用鋼板加固時(shí)，一般將鋼板貼在被加固的結(jié)構(gòu)受力部位的外邊

緣，同時(shí)封閉粘貼部位的裂縫和缺陷，約束混凝土的變形。粘鋼法加固

的特點(diǎn)：①既可提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，又可提高剛度；②順應(yīng)結(jié)構(gòu)（鋼結(jié)構(gòu)）

又粘又鉀，順應(yīng)節(jié)點(diǎn)加固；③延長(zhǎng)率大，順應(yīng)沖擊、振動(dòng)結(jié)構(gòu)加固；④

鋼板外表處理要求嚴(yán)格，粘結(jié)面易生銹；⑤厚鋼板端點(diǎn)處應(yīng)力集中，混

凝土易剝離。

由上述可知，采納這種方法加固必需留意幾點(diǎn)：①對(duì)鋼板的尺寸要

求很嚴(yán)格?？箯潟r(shí)宜薄點(diǎn)，以保證它和原結(jié)構(gòu)的變形協(xié)調(diào)；抗剪時(shí)不僅

宜厚點(diǎn)，而且在錨固時(shí)應(yīng)使端部鋼板延長(zhǎng)到應(yīng)力較小區(qū)，防止應(yīng)力集中

造成對(duì)結(jié)構(gòu)承載力的損害；②貼完后，必需對(duì)鋼板邊緣裂縫進(jìn)行處理；

③還要對(duì)鋼板進(jìn)行防腐處理，這也是一項(xiàng)K期的任務(wù)。所以其造價(jià)很高,

而且它的運(yùn)用范圍還有肯定的局限性，一般只用在剛度要求很嚴(yán)格的

地方。

3.3FRP復(fù)合材料法

FRP復(fù)合材料法加固的特點(diǎn)：①高強(qiáng)度、高彈模，厚度薄、重量輕；

②材料可任意長(zhǎng)度，任意交叉，順應(yīng)任意曲面和任意外形結(jié)構(gòu)；③耐腐

蝕，抗疲憊性能好；④施工簡(jiǎn)便，與混凝土結(jié)合密實(shí)；⑤材料防潮要求

嚴(yán)格，且不宜加固節(jié)點(diǎn)區(qū)域。

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在目前的FRP材料加固市場(chǎng)中，碳纖維占的比例最多。碳纖維是

一種導(dǎo)電、易發(fā)生脆性破壞的材料，可以承受很大的靜載，但在絕緣性

要求很高的電氣化鐵路、地鐵及隧道工程中，不宜采納；同為高強(qiáng)高彈

模的芳綸纖維不存在這樣的局限，能常常承受沖擊載荷，芳綸纖維的極

限破壞形式為塑性破壞，而且還是它的優(yōu)勢(shì)所在，其在抗剪方面也有很

大的優(yōu)勢(shì)，在加固墩子時(shí)一般也是利用它優(yōu)異的抗剪性能，但芳綸纖維

在裁剪時(shí)須用特地的陶瓷剪刀。

4、FRP復(fù)合材料的選擇

4.1環(huán)境影響

在高堿度和濕度的地區(qū)，宜選擇碳纖維復(fù)合材料，不宜選擇玻璃纖

維復(fù)合材料；在溫度改變較大的地區(qū)，玻璃纖維的熱膨脹系數(shù)與混凝土

相像，宜選擇玻璃纖維；玻璃纖維和芳綸纖維是良好的絕緣體，而碳纖

維是可導(dǎo)電體，為防止鋼筋的潛在電流腐蝕，碳纖維材料不應(yīng)與鋼筋直

接接觸。

4.2荷載影響

對(duì)干常常承受）口擊或振動(dòng)荷載的結(jié)構(gòu)，應(yīng)優(yōu)先選擇芳綸纖維和玻

璃纖維復(fù)合材料，它們的韌性、抗沖擊性能都比碳纖維復(fù)合材料好；對(duì)

于要求耐蠕變和疲憊的結(jié)構(gòu)，應(yīng)優(yōu)先選擇碳纖維復(fù)合材料，碳纖維材料

耐蠕變和疲憊的力量比芳綸纖維和玻璃纖維材料好得多。

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4.3愛護(hù)層影響

愛護(hù)層的厚度和類型應(yīng)依據(jù)FRP復(fù)合材料的要求選擇。對(duì)環(huán)境的

抗力（如潮濕、溫度、沖擊、曝曬等）施工現(xiàn)場(chǎng)抗力、人為破壞的抗力

等，應(yīng)實(shí)行有效的愛護(hù)措施，以免使FRP復(fù)合材料的力學(xué)性能減退。

愛護(hù)層通常采納兩種方法：①在FRP復(fù)合材料外加厚樹脂膠層，提供

有彈性的愛護(hù)層；②在FRP復(fù)合材料外粉抹一層高強(qiáng)水泥砂漿，愛護(hù)

FRP復(fù)合材料不受損害。

5、結(jié)語

在我國(guó)，自如