关于FRP材料在土木工程中应用

论文导读：多古建筑都遭到了不同程度的损坏。政府为了检验FRP材料加固的效果，在修复这些古建筑物时，采用了两种主要的修复策略：对现场的破坏墙体采取粘贴FRP片材和向裂缝注浆。试验表明，效果良好且持久，因此采用FRP材料加固砌体结构是一种高效可行的策略。1986年和1988年建成的美国TexasUniversity和Hospi-talBuilding均采
摘要： 本文综述了国内外对 FRP复合材料及其在现代土木工程中应用的研究，文中在综合有关资料的基础上，介绍 FRP复合材料的优良技术特点以及在现代土木工程中应用的关键技术，并展望FRP应用前景。
关键词：FRP；加固
FRP，是Fiber Reinforced Polymer的缩写，意为纤维增强塑料，是对胶合后的连续纤维材料经过一定的加工工艺后而组成的复合材料。相对于早期的加固策略，FRP由于具有轻质、适用面广、高强、抗疲劳、耐腐蚀、耐久性好和易加工等优良的技术特点，近年来，已经越来越多地应用在土木工程领域，尤其是结构的补强加固领域中。

1.1 早期的加固策略

目前，国内外对于加固所采用的策略主要有三类：直接加固法、间接加固法和构造性加固与修补。直接加固法是对仅对强度不足或构造不满足要求的部位进行加固或修复而不转变原有结构的承重体系和平面布置；间接加固法是指转变原结构的平面布置和承重体系的一种加固策略；构造性加固与修补主要是加强砌体结构的整体性以及对砌体裂缝进行修补。[1]

1.砌体结构的直接加固策略：

1）增设扶壁柱加固法[2]
该法属于增大截面加固法的一种，主要是提高砌体墙的受压承载力，一般仅应用在非地震区。
2）灌浆法加固墙体[3]
在墙体外再做水泥砂浆面层或钢筋网水泥砂浆面层，该法主要是增加原有墙体的抗剪性能，适用于砂浆不密实或砂浆强度较低的墙体。
3）钢筋水泥砂浆外加层加固法[4]
该法施工工艺简单而且有成熟的设计和施工经验，适应性强，缺点是承载力的提高程度比较低。

2.砌体结构的间接加固策略：

1）预应力撑杆加固法
采用这种加固策略后可以使加固前后构件能够协调工作，达到提高原结构的承载力的目的。其缺点是不能用于温度在60℃以上的环境中。
2）无粘结外包型钢加固法
该法属于传统砌体加固策略，其优点是受力较为可靠并且施工相对简便，现场湿作业和工作量少；其缺点是加固费用较高。

3.构造性加固与修补

1）增设圈梁加固
此种策略主要是用在房屋纵横墙交接处咬槎有明显缺陷或者房屋的整体性比较差时。
2）增设梁垫加固
梁下砖砌体被局部压碎或者梁下的墙体出现裂缝时一般采用此种加固策略。
经过上述的加固，砌体结构能起到一定的改善作用，但同时存在很多的缺点：
（1）施工周期长，对正常的生活和工作产生很大的影响；
（2）影响建筑物的美观和使用功能；
（3）会增加相应的加固成本
由于这些加固策略的不足，因此，采用FRP加固砌体结构技术具有重要的工程应用价值和社会作用。

1.2 FRP加固具有优良的技术特点：

1.高强高效，适用面广。FRP片材可以不转变结构原有形状、不影响结构外观，而且还可以在结构的任何部位进行加固，能显著提高原有构件的受力性能，这是目前任何其他的加固策略所达不到的；
2.施工质量易保证。由于FRP片材是柔性材料，有效粘结率基本上达到100%，其他加固策略如粘贴钢板等，则很难达到；
3.施工简便、快捷。可以在设施正常运营的条件下施工，能直接在建筑物表面包裹、粘贴，工序简单，无需大型吊装设备及模板，对施工场地要求很低。
4.综合经济效益好。由于施工期短，用工数量少，不需要大型机具等理由，而且后期维护费用较低，耐久性能好，与其他加固策略相比，FRP加固策略更为经济。
5.耐腐蚀。FRP片材可直接用于接触腐蚀性介质的结构，与粘钢加固策略和配置钢丝网加固等其他加固策略相比，具有很大的优势。

1.3 国外研究目前状况

FRP 纤维复合材料最早应用在英国建造一种叫“British Spitfires”的战斗机的机身上，由于其杰出的低密度的特性和高抗拉强度，对飞机减轻自身重量、增加载荷量等起到了很大的作用，因此，一直到现在，碳纤维在航空航天业中仍然扮演着重要的角色。
20世纪50-60年代，欧洲国家开始尝试将FRP应用在民用建筑，1 968年英国用玻璃纤维建成了一座仓库。从20世纪70年始，欧美等一些发达国家尝试在建筑物中应用FRP板。但是在当时，由于FRP相当昂贵，在随后的时间里，FRP材料在民用建筑物中的应用要缓慢了许多。从20世纪80年代末开始，由于生产工艺的不断改善提高，FRP原材料的生产成本逐渐下降，目前，FRP材料在加固建筑、改善建筑结构受力方面的研究和应用很广泛，逐渐成为一个新的研究热点。
1997至1998年，意大利发生了Umbria地震，很多古建筑都遭到了不同程度的损坏。政府为了检验FRP材料加固的效果，在修复这些古建筑物时，采用了两种主要的修复策略：对现场的破坏墙体采取粘贴FRP片材和向裂缝注浆。试验表明，效果良好且持久，因此采用FRP材料加固砌体结构是一种高效可行的策略。
1986年和 1988 年建成的美国 Texas University 和 Hospi-tal Building 均采用了FRP。由美国 Delta结构技术公司负责完成的美国Bergstroms 机场的和Hilton 饭店的柱采用了类似的加固办法。在美国，大量旧有民用建筑的维修和加固都采用FRP，如美国 Texas Hamilton 饭店部分柱子采用FRP进行了维修加固。

1.4国内加固砌体概况

相对欧美等发达国家，我国对FRP加固结构的研究起步较晚，大约在1996至1997年才开始应用研究，且多集中在混凝土结构。1998年在实际工程中逐步开始应用推广。目前中国国内已经有多家科研院所，如中国建筑科学研究院、清华大学、四川省建筑科学研究院、同济大学、西安建筑科技大学、天津大学、东南大学等开展了FRP的研究工作，而且国内从事结构加固工程的公司以及FRP原材料的生厂产家都积极投入到FRP的研究工作。目前的研究概况如下：
赵彤采用不同的碳纤维布的粘贴方式和用量研究在周期反复荷载作用下的受力性能。结果表明，碳纤维布可以约束墙体阻止裂缝的开展，变形能力明显改善，砖砌体墙的抗剪承载力显著提高。
翁大根、吕西林等采用钢筋网砂浆面层加固法对表面粘贴GFRP的论文导读：-9

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墙面进行水平加载，直至墙体发生破坏。试验证明了对于砂浆强度很低的砌体，采用粘贴FRP能有效提高墙片的抗震承载能力，能有效增强砌体抗震整体性。
王欣等采用不同加固方式、不同加固量以及采用不同的竖向加载对粘贴碳纤维布墙体的试验研究，并且通过ANSYS程序对GFRP加固粉煤灰砌块墙片进行了三维有限元分析[12]，结果表明，通过粘贴碳纤维布条可以延缓墙体裂缝产生的时间和裂缝的开展，整个墙体的抗震性能及抗剪承载力得到较大程度的提高。
从上面可以看出，与未加固的试件相比，经过FRP片材加固后试件的承载力、延性和变形能力以及抗震性能都有了大幅的提高，由此可见，采用FRP加固方式将会拥有广阔的发展前景。

1.5 FRP应用展望

随着经济高速发展和技术飞速进步，传统建筑材料很难满足这种发展要求。FRP 复合材料，具有轻质、适用面广、高强、抗疲劳、耐腐蚀、耐久性好和易加工等多种优点，在一些比较重要的土木工程中具着巨大的优越性，将会极大地推动现代土木工程的技术进步.它还将为现代复合材料产业开辟出巨大的应用市场，因而具有非常广阔的发展应用前景。
参考文献：
[1]吕西林.建筑结构加固设计[M].北京：科学出版社，2001.
[2]杜兴宇.砖扶壁柱法加固房屋砖墙的实例分析.科技经济市场，2006/08，90-91.
[3]罗东远.多层砖砌体结构温差裂缝分析与加固.闽西职业大学学报.2002/04：57-58.
[4]李贵美.用“夹板墙”法作砌体结构加固.安徽建筑，2003/04：95-96.