FRP复合材料在结构加固工程上的应用

FRP（fiber reinforced plastics）复合材料主要有碳纤维（CFRP）、芳纶纤维（AFRP）及玻璃纤维（GFRP）等, 其材料形式主要有片材、棒材和型材。FRP的共同优点是:轻质高强、高弹模、抗疲劳、耐腐蚀耐久性能好、热膨胀系数低等。另外,FRP复合材料可以节省材料、自由裁剪、施工方便且速度快,虽然其前期投资较大,但维护成本低,经济效益明显。因此,FRP（片材）复合材料在土木结构加固工程中应用潜力巨大。

      1FRP复合材料的基本特性

　　随着增强纤维材料的发展,碳纤维、芳纶纤维及玻璃纤维已经成为当前结构工程中加固补强的重要材料。
　　FRP复合材料的性能各异,在拉伸强度及拉伸模量方面,玻璃纤维和芳纶纤维一般比碳纤维低1/3左右;在断裂延伸率方面,芳纶纤维一般是碳纤维的2倍左右,玻璃纤维一般比碳纤维高70%左右;在韧性、抗冲击性能方面,芳纶纤维和玻璃纤维要比碳纤维好得多;在抗碱腐蚀方面,芳纶纤维和玻璃纤维则不如碳纤维好。关于其它方面的性能差异,这里不再赘述。

       2 FRP复合材料在结构加固工程中应用领域

       2.1民用建筑、桥梁及工业厂房

　　FRP复合材料因其优异的力学性能,在民用建筑及工业厂房的加固中应用很多,主要有:①梁加固。加固的作用包括抗弯和抗剪。在进行抗弯加固时,FRP 复合材料的纤维方向与梁的轴向一致,一般贴在梁的受拉侧,已提高梁的承载能力。据有关试验得出,只要该梁不是超筋梁,贴一层AK-60可以提高承载力 30%左右,贴两层可以提高40%左右;在进行抗剪加固时,FRP复合材料的纤维方向与梁的轴向垂直;②板加固。一般对于板的加固净空要求比较高,而且加固后不影响其外观,所以用厚度很薄且柔软的FRP复合材料进行加固是一种理想的选择;③柱加固。芳纶纤维布、玻璃纤维布是比较理想的柱加固材料。因为它们的弹模小,相对于碳纤维（弹模235Gpa）,其延性较好;并且,在进行棱角打磨时一般只需要10mm左右,一般不需打磨,而碳纤维则需要30mm左右, 若采用芳纶纤维就可以节约很多工时。

2.2地铁、隧道

　　因地铁和隧道是一种在地下工作的结构,所以它的受力与地面结构是不一样的。在洞顶和洞侧,它都有土压力的作用,而且也有净空的要求,所以进行裂缝修补时,传统的加固方法不可行,而用芳纶纤维布（不导电）进行加固维修就可以满足它的各方面要求,因为在地铁或隧道的拱顶或侧壁的裂缝一般是多向且不规则的, 这就要求修复材料必须具有良好的抗剪性能,而且还是一种不导电的材料,所以芳纶布在隧道地铁工程中是一种最佳的选择。］

2.3烟囱、水塔

　　由于烟囱水塔这样向高空发展的结构,加固维修特别困难,传统加固方法（如扩大截面法、粘钢法）基本上很难解决这样的问题,而采用轻质高强、耐腐蚀、耐久性能都很好的复合材料（尤其是芳纶纤维）进行加固,就是一种很好的方法。

       3 几种加固方法的比较

       3.1扩大截面法

       这种加固方法是通过增大受力面积来提高结构的承载力,一般用在一些较小且对净空没要求不高的结构中。这种方法虽然具有成本较低的优点,但是增加了原结构的自重,同时减小了净空,工期长,有很大的局限性。目前,在较大的工程中很少用。

3.2粘钢法

　   在用钢板加固时,一般将钢板贴在被加固的结构受力部位的外边缘,同时封闭粘贴部位的裂缝和缺陷,约束混凝土的变形。粘钢法加固的特点:
      ①既可提高结构强度,又可提高刚度;
      ②适应结构（钢结构）又粘又铆,适应节点加固;
      ③延伸率大,适应冲击、振动结构加固;
      ④钢板表面处理要求严格,粘结面易生锈;
      ⑤厚钢板端点处应力集中,混凝土易剥离。
由上述可知,采用这种方法加固必须注意几点:
      ①对钢板的尺寸要求很严格。抗弯时宜薄点,以保证它和原结构的变形协调;抗剪时不仅宜厚点,而且在锚固时应使端部钢板延伸到应力较小区,防止应力集中造成对结构承载力的损害;
      ②贴完后,必须对钢板边缘裂缝进行处理;
      ③还要对钢板进行防腐处理,这也是一项长期的任务。所以其造价很高,而且它的使用范围还有一定的局限性,一般只用在刚度要求很严格的地方。

      3.3FRP复合材料法

      FRP复合材料法加固的特点:
      ①高强度、高弹模,厚度薄、重量轻;
      ②材料可任意长度,任意交叉,适应任意曲面和任意形状结构;
      ③耐腐蚀,抗疲劳性能好;
      ④施工简便,与混凝土结合密实;
      ⑤材料防潮要求严格,且不宜加固节点区域。
　   在目前的FRP材料加固市场中,碳纤维占的比例最多。碳纤维是一种导电、易发生脆性破坏的材料,可以承受很大的静载,但在绝缘性要求很高的电气化铁路、地铁及隧道工程中,不宜采用;同为高强高弹模的芳纶纤维不存在这样的局限,能经常承受冲击载荷,芳纶纤维的极限破坏形式为塑性破坏,而且还是它的优势所在,其在抗剪方面也有很大的优势,在加固墩子时一般也是利用它优异的抗剪性能,但芳纶纤维在裁剪时须用专门的陶瓷剪刀。

       4 FRP复合材料的选择

       4.1环境影响

　　在高碱度和高潮湿度的地区,宜选择碳纤维复合材料,不宜选择玻璃纤维复合材料;在温度变化较大的地区,玻璃纤维的热膨胀系数与混凝土相似,宜选择玻璃纤维;玻璃纤维和芳纶纤维是良好的绝缘体,而碳纤维是可导电体,为避免钢筋的潜在电流腐蚀,碳纤维材料不应与钢筋直接接触。

4.2荷载影响

       对于经常承受冲击或振动荷载的结构,应优先选择芳纶纤维和玻璃纤维复合材料,它们的韧性、抗冲击性能都比碳纤维复合材料好;对于要求耐蠕变和疲劳的结构,应优先选择碳纤维复合材料,碳纤维材料耐蠕变和疲劳的能力比芳纶纤维和玻璃纤维材料好得多。

4.3保护层影响

      保护层的厚度和类型应根据FRP复合材料的要求选择。对环境的抗力（如潮湿、温度、冲击、曝晒等）、施工现场抗力、人为破坏的抗力等,应采取有效的保护措施,以免使FRP复合材料的力学性能减退。保护层通常采用两种方法:①在FRP复合材料外加厚树脂胶层,提供有弹性的保护层;②在FRP复合材料外粉抹一层高强水泥砂浆,保护FRP复合材料不受损害。

5结语

       在我国,自现在及今后相当长的一段时期,各类桥梁及房屋建筑结构的维修、加固、改造将成为建设工程的侧重点。目前国内常用的加固方法主要有纤维布复合材料加固、粘钢板、扩大截面等方法,由上述分析可知,FRP复合材料加固法具有非常明显的优势,并且具有良好的经济效益,必将在结构工程中得到广泛的应用。