FRP約束混凝土柱力學(xué)性能研究

　　摘要：纖維增強復(fù)合材料(FRP)在土木工程中的應(yīng)用是國內(nèi)外研究熱點，本文綜述了FRP
的特性及近年在的研究應(yīng)用狀況和發(fā)展前景。

　　關(guān)鍵詞：纖維增強復(fù)合材料；加固；混凝土；力學(xué)性能

　　0 前言

　　隨著建筑業(yè)的發(fā)展，混凝土結(jié)構(gòu)是當今世界上使用最多的一種結(jié)構(gòu)，其使用壽命可達數(shù)十年，甚至上百年。但在使用壽命內(nèi)，結(jié)構(gòu)會遭受多方面的作用，大致有以下：設(shè)計不周、施工缺陷；年久老化；腐蝕、超載、意外災(zāi)害等。將直接導(dǎo)致混凝土粉化、疏松、剝落、開裂和鋼筋銹蝕，使裂縫增大、剛度降低、撓度增大，承載力削弱甚至喪失[25]。限于我國國情，其中的大部分不可能推倒重建，繼續(xù)使用就必須進行補強加固處理。如果沒有根本性的技術(shù)革新，社會將負擔龐大的基礎(chǔ)設(shè)施的維修和管理費用[1][29]。

　　在建筑構(gòu)件中，柱類構(gòu)件對上部結(jié)構(gòu)起著承重作用，一發(fā)生破壞會導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)的倒塌，所以對此類構(gòu)件的加固已成為急待解決的問題[27]。

　　傳統(tǒng)加固方法常用的有加大截面法、置換法、預(yù)應(yīng)力加固法、粘鋼法等。這些方法雖然對改善結(jié)構(gòu)的強度、剛度以及抗震性能起到了一定的作用，但也存在著許多缺點：①自重大，可能會造成連鎖補強問題；②對建筑物的使用功能、美觀造成很大影響；③抗腐蝕性能差，易喪失應(yīng)有功能，在廠房中應(yīng)用顯得尤為突出；④施工復(fù)雜且周期長，影響了正常工作及生活，社會效益差。

　　纖維增強復(fù)合材料（Fiber Reinforced Plastic，簡稱FRP）加固修補混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)，根據(jù)約束混凝上原理間接提高結(jié)構(gòu)的承載力[2]。經(jīng)過研究表明，不僅可以提高構(gòu)件的承載力，而且也可改善構(gòu)件的延性，將有效地解決上述問題[21][22]。所以現(xiàn)在多用此法來加固柱類構(gòu)件。

　　綜合比較，各種加固方法由于所用材料的不同，在力學(xué)性能、施工技術(shù)及工程造價等方面也各有優(yōu)缺點。如圖1 所示，將各種約束混凝土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線做出比較，纖維增強材料加固性能最好，具有很大的工程價值，應(yīng)該進行大力推廣[31]。

　　1 特點

　　纖維增強復(fù)合材料加固修補混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)是利用環(huán)氧樹脂將纖維材料粘貼于混凝土表面，從而提高被加固結(jié)構(gòu)的承載力或剛度等的目的。由于FRP 具有耐腐蝕、輕質(zhì)、施工便捷等優(yōu)點，再加上FRP 價格的不斷下降，F(xiàn)RP 被廣泛應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)及其他結(jié)構(gòu)的加固中[2]。FRP 不僅可用于混凝土結(jié)構(gòu)的加固，還可用于鋼結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)及砌體結(jié)構(gòu)的加固及防腐。

　　按材料形狀分，主要有：FRP 片材(包括布狀片材、板狀片材)、棒材和型材。按材料種類分，在工程上應(yīng)用較多的主要是碳纖維增強材料(CFRP)、玻璃纖維增強材料(GFRP)和芳綸纖維增強塑料(AFRP)。碳纖維的強度最高，彈性模量也高過鋼筋，但延伸率較低，玻璃纖維的強度和彈性不如碳纖維，但有較好的延伸率。芳綸纖維介于兩者之間。

　　由上圖2 可看出該三種材料的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系為線彈性，無屈服段，呈現(xiàn)脆性破壞。在實際應(yīng)用中為了保證結(jié)構(gòu)有一定的安全性能，一般取名義應(yīng)力作為材料的破壞應(yīng)力。

　　FRP 同鋼材相比具有以下特點：(1)抗拉強度高；(2)抗腐蝕性和耐久性好；(3)自重輕，施工方便；(4)熱膨脹系數(shù)與混凝土存在一定差別；(5)彈性模量??；(6)抗剪強度低。
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　　2 加固

　　2.1 加固形式

　　現(xiàn)今， FRP 對混凝土柱的加固形式主要有:布材纏繞、纖維筋纏繞、纖維布條纏繞、高溫下自動纏繞、預(yù)制纖維殼粘結(jié)、纖維套管等[3]。但在實際過程中，如圖3 所示，一般采用：布材纏繞、纖維筋纏繞、纖維布條纏繞這三種加固形式。

　　按纖維的布置方向又可分為環(huán)向加固、縱向加固以及斜向加固三種形式。環(huán)向加固對混凝土的約束作用效果最好，但對柱的抗彎能力無法提高，則有將纖維束沿柱軸向粘貼，如同對梁抗彎加固一樣。斜向加固形式不常見。

　　環(huán)向約束時，纖維的纏繞通常有兩種形式：類似于鋼管混凝土的全包式和類似于箍板加固的間隔式。全包式可使構(gòu)件沿柱口均勻受力，約束效果顯著；間隔式混凝土受力不均勻，纖維對較遠處混凝土的約束作用較小，未包裹處的混凝土橫向應(yīng)變較大，易成為破壞的薄弱環(huán)節(jié)，但布置形式有一定的經(jīng)濟性。

　　2.2 加固材料

　　結(jié)構(gòu)加固用到的纖維材料主要有碳纖維和玻璃纖維，采用碳纖維可以對柱有較強的約束作用，但延伸率較小，對構(gòu)件后期的作用不大，價格較貴。玻璃纖維可與之結(jié)合混合加固方式，提高抗拉強度、斷裂延伸率和韌性，也可改變材料的強度和剛度，降低工程造價[4]。

　　用于結(jié)構(gòu)加固修復(fù)最多的材料形式是片材；其次是棒材，主要是作為FRP 筋來替代普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼筋；型材的應(yīng)用實例較少。在片材中，布材使用量最大，且技術(shù)最成熟，板材的使用量依然較小。FRP 片材用于混凝土結(jié)構(gòu)的加固形式主要有：(1) 采用封閉式粘貼、U 形粘貼或側(cè)面粘貼對柱構(gòu)件進行受剪加固，纖維方向宜與構(gòu)件軸向垂直； (2)采用封閉式粘貼形成約束混凝土，對柱進行抗震加固，纖維方向應(yīng)與柱軸向垂直。

　　2.3 研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

　　國外用CFRP 對混凝土結(jié)構(gòu)進行加固修補技術(shù)的研究，開始于德國和瑞士[2]。然后由日本人在80 年代發(fā)展起來的，80 年代末及90 年代初，日本相繼進行了CFRP 用于結(jié)構(gòu)修補的研究[32]。CFRP 以其優(yōu)異的力學(xué)性能、簡便的施工工藝、良好的耐腐及耐久性與優(yōu)異的加固修補效果得到了普遍贊同，極大地推動了日本、韓國、美國、歐洲等國家推廣應(yīng)用的步伐[17][18]。目前，國外科研機構(gòu)及高等學(xué)校已對CFRP 修補加固混凝土結(jié)構(gòu)，尤其是抗震加固的性能和效果進行了大量的研究，在此基礎(chǔ)上已編制形成了自己國家的行業(yè)標準與規(guī)范，日本已經(jīng)編制了《連續(xù)纖維材料補強加固混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計及施工規(guī)范》，歐洲9 個國家也設(shè)立“高性能纖維復(fù)合材料加固混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計指南”項目，美國也已經(jīng)推出了有關(guān)設(shè)計規(guī)程，提供了諸如材料的選擇、設(shè)計計算方法及施工方法等方面的指南[34][35][32][33][31]。因此，該項技術(shù)在美、日等發(fā)達國家已完全產(chǎn)業(yè)化[16][19]。

　　我國于1997 年開展碳纖維布補強加固鋼筋混凝土構(gòu)件的研究工作。其中國家工業(yè)建筑診斷與改造工程技術(shù)研究中心最早進行了這項工作；之后，有許多高等院校和科研單位也進行了碳纖維的研究。目前已進行了20 余項研究，發(fā)表論文百余篇，應(yīng)用于實際工程60 余項[2]。在規(guī)范編制方面，中國工程標準化協(xié)會于1998 年組織開始編制《碳纖維布加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，主編單位為北京冶金建筑研究院，副主編單位為四川省建筑科學(xué)研究院，2000 年11 月完成了征求意見稿，于2001 年3 月頒布了《碳纖維片材加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（送審稿），于2001 年9 月頒布了《粘貼碳纖維增強復(fù)合材料加固混凝土工程施工與驗收暫行規(guī)定》，于2002 年6 月頒布了《粘貼碳纖維增強復(fù)合材料加固混凝土工程施工與驗收暫行規(guī)定》（修訂本）。碳纖維加固雖然已經(jīng)很普遍，但規(guī)程還處在初期，還需要進一步完善。這些工作對于FRP 加固修復(fù)結(jié)構(gòu)技術(shù)在我國的發(fā)展將起到至關(guān)重要的作用，為我國基本建設(shè)的發(fā)展起到了良好的推動作用。國家工業(yè)建筑診斷與改造工程技術(shù)研究中心、天津大學(xué)、清華大學(xué)、東南大學(xué)、同濟大學(xué)、大連理工大學(xué)等單位先后開展了CFRP、GFRP 布補強加固鋼筋混凝土構(gòu)件、纖維筋混凝土構(gòu)件、纖維復(fù)合材料與混凝土試塊之間的 粘結(jié)等研究，得到了一些成果。在試驗研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合國外的加固規(guī)范，提出了一些設(shè)計理論和方法[30]。在這方面，我國雖然起步晚，但起點高，發(fā)展迅猛，2000 年6 月于北京召開的中國首屆FRP 混凝土結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)交流會上，碳纖維加固技術(shù)的研究與應(yīng)用成了大會交流的熱點。

　　3 理論分析

　　FRP 加固混凝土柱構(gòu)件原理是約束混凝土，混凝土在軸力作用下開裂，引發(fā)纖維的環(huán)向應(yīng)變，產(chǎn)生環(huán)向應(yīng)力，使混凝上處于三向受力狀態(tài)，強度和延性得到提高，試件性能得到改善[20]。

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　　從上圖5 看出，F(xiàn)RP 約束混凝土的力學(xué)性能分兩個階段。第一階段，F(xiàn)RP 應(yīng)變不大，混凝土橫向裂縫較小，約束效果不是明顯，曲線與素混凝土的曲線相似。第二階段，隨荷載增大，達到混凝土的峰值應(yīng)力時，裂縫發(fā)展加快，混凝土橫向加速膨脹，從而引發(fā)外包FRP環(huán)向應(yīng)變，約束力增大。此時應(yīng)力—應(yīng)變基本上是呈現(xiàn)出一個線性關(guān)系，最后FRP 斷裂，構(gòu)件失去承載力。

　　4 試驗分析

　　FRP 約束混凝土柱實驗[4] [6][7][8][11]，按加載形式可分為：①軸向加載，為靜力實驗，試 驗裝置簡單，加載過程清晰，主要對約束柱的抗拉強度、抗壓強度研究。試驗研究較為充分，影響因素基本上都給予了考慮[23[24]][28]。②低周反復(fù)加載，試件同時受軸向力和反復(fù)水平力的作用，得滯回曲線，可計算試件的延性指標，研究較多，可以綜合研究軸壓比、剪跨比、剪壓比的大小，分析它們對柱抗震性能的影響，用于評價FRP 加固性能。它可分為變幅對稱加載和變幅不對稱加載，一般試驗為變幅對稱加載。③振動臺實驗，通過輸入地震波，模擬真實的地震情況，評價加固試件的實際抗震性能。裝置復(fù)雜，費用較高，較少采用。多數(shù)是通過計算機仿真技術(shù)來模擬地震作用。

　　5 結(jié)論與建議

　　結(jié)合本人認識，提出幾點建議：

　　1、深入研究FRP 對不同截面構(gòu)件的約束性能，提出相應(yīng)的簡化計算公式[11]。構(gòu)件的截面形狀直接影響了FRP 的約束效果。至今，大多數(shù)研究仍然停留在矩形和圓形上，沒有充分考慮其它截面形式，所以今后應(yīng)在此方面多做研究，為了實際應(yīng)用的方便性，還應(yīng)對各種截面提出相應(yīng)的簡化計算公式。

　　2、加大FRP 加固混凝土尺寸效應(yīng)現(xiàn)象的研究[5] [10][11][12] [13] [14][15]。主要是對混凝土強度及其相關(guān)的力學(xué)參數(shù)的尺寸效應(yīng)以及各種力學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系進行研究。隨著FRP 加固技術(shù)在理論和試驗研究的深入，有關(guān)常規(guī)混凝土構(gòu)件的加固設(shè)計理論問題已經(jīng)基本解決。但當用試驗室內(nèi)得到的結(jié)果來指導(dǎo)大型構(gòu)件的加固設(shè)計時，由于混凝土為準脆性，需要考慮其尺寸效應(yīng)。

　　在國內(nèi)，關(guān)于混凝土強度的尺度律問題也引起了普遍關(guān)注，目前已經(jīng)成為土木工程領(lǐng)域的一個研究熱點問題，并得到多個國家基金的支持[5][13][10][11][12],可見混凝土強度的尺寸效應(yīng)是一個土木工程中非常關(guān)鍵的理論基礎(chǔ)研究問題?；炷翉姸瘸叽缧?yīng)是指隨著試件尺寸的增大，強度的試驗測試值有規(guī)律地下降的現(xiàn)象。混凝土強度尺寸效應(yīng)是混凝土這種準脆性材料的固有特征。強度尺寸效應(yīng)是一種普遍現(xiàn)象[15]。

　　3、材料的來源問題。

　　國外已有多種成熟的纖維材料產(chǎn)品，從降低成本及發(fā)展民族工業(yè)上講，我國要大力發(fā)展研究并生產(chǎn)出適合國內(nèi)市場的碳纖維材料也是關(guān)鍵問題。

　　4、完善標準和規(guī)程[9][30]。

　　國外一些國家已有了較完善的標準和規(guī)程，而我國制定的一些規(guī)程還處在初期，還需要進一步完善。我們還需要做一些關(guān)鍵的試驗研究以解決或驗證諸如疲勞性、耐久性、延性等方面的技術(shù)難題，并盡早制訂出完善的標準規(guī)范與施工指南。

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