纤维增强塑料(FRP)在混凝土结构中的研究与应用

       纤维增强塑料(Fiber Reinforced Plastic FRP)在国外已经被广泛地应用在土木工程中。然而，在我国对于FRP的研究应用还十分有限。作为一种新材料，FRP表现出强度高、重量轻、抗腐蚀等优良特性，使其广受欢迎。本文简介了FRP在国内外的研究应用状况，并提出了一些建议。


1  纤维增强塑料简介

    纤维增强塑料(fiber reinforced plastic或fiber reinforced poly mer，FRP)是一种复合纤维材料，是由合成或有机高纤维构成，是混凝土结构中一种新型复合材料。它具有质量轻、便于施工、比钢筋混凝土结构更耐用、耐腐蚀、高强度质量密度比f是钢筋的10- 15倍）、耐疲劳f是钢筋的3倍）、电磁中性、低导热系数等优点。但其也具有一些缺点。如：施工费用高、弹性模量低、紫外线对其伤害大、长期强度低于短期静力强度、水腐蚀、施加预应力时横向应力大等。

       FRP主要由高性能纤维、聚酯基、乙烯基或环氧树脂组成，典型的FRP大约有60% - 650-/0的纤维，其余是基体。单丝经过浸润树脂、拉拔、缠绕、粘结而形成片材、板材、绳索、棒材、短纤维或格状材。

       FRP可用于新建结构、补强加固旧建筑物、构筑物、预应力结构、路面结构、桥梁工程、海岸和近海工程
中。尤其在一些腐蚀严重或难于修补的结构—工业厂房、桥梁的桥面板、桥墩等结构中更能发挥其强度高、易于施工、剪裁方便等优点。FRP用于工程中的主要有碳纤维（carbon fiber reinforced polymer，CFRP)、玻璃纤维(glass finber reinfored plymer，GFRP)和芳纶纤维faramid fiber reinforced polym er, AFRP).

       碳纤维(CFRP)在所有FRP中弹性模量最高，极限拉应变在11 2-2.0之间，线膨胀系数为0.2x 10-6m/℃，大部分CFRP的抗拉强度大约是3GP a弹性模量为230GPa也有高模量的——弹性模量可达380CPa- 640GPa[lJ。CFRP多使用聚丙烯腈(pobracrylonitrile，PAN)或沥青(pitlr based)为基材。

       芳纶纤维f AFRP)具有最高的极限拉应变。AFRP有三种：Kevlar AF RP、Tw aron AFRP、TechnoraAFRP
AFRP的抗拉强度为2.65GPa-3.4CPa，弹性模量为73CPa-  165C Pa。AFRP的弹性模量与抗拉强度成反比：弹性模量越高，抗拉强度越低；弹性模量低。抗拉强度高。

       玻璃纤维f GFRP)是花费最少的一种FRP。它有两种：E_ glass和S-glass。各自的弹性模量和抗拉强度为2. 3GPa和74GPa，3.9CPa和87 GPa。CFRP的横向抗剪强度低，与混凝土的线膨胀系数相近。CFRP可制成预应力筋用于预应力混凝土结构中。用于补强加固的有玻璃纤维片材和板材。

2  国外对于FRP的研究应用

      1960年美国开始对FRP进行开发，FRP的研究工作主要集中在GFRP。但由于GFRP的弹性模量低而中断研究近20年。由于盐腐蚀钢筋导致了建筑结构和桥梁结构使用性能的退化而将FRP重新提上日程来。康奈尔大学成功地进行了小尺寸FRP预应力梁的试验。南达科他矿业理工大学开发了GFRP筋。

       日本在20世纪70年代就进行了FRP的应用开发。日本现已开发出各种FRP，有FRP筋包括(圆形的、方形的、变形的)FRP绞线、三维和平面格状材、片材、板材。在日本使用最多的是CFRP，其欢是AFRP和CFRP。近年来，FRP片材已经开始使用玻璃和聚乙烯纤维。日本于1993年编制了世界上第一个FRP设计施工规范，并于1997年发行了欧洲版本。FRP片材在1987年作为一种抗震材料提出，1995年神户大地震之后。迅速开展了FRP片材的使用和开发。并编制了相应的设计施工规范H。

       20世纪70年代，德国斯图加特大学开始对FRP进行研究，重点是GFRP预应力筋。1978年，承包商St rabag、化工品商Bayer合作开发了GFRP预应力筋和锚固系统并应用在德国和奥地利的几座桥梁中。1983年，荷兰化学商AKZO、承包商HBC开发了名叫Arapree的AFRP筋。苏黎世EM PA研究院开展了外贴CFRP片材的研究工作。近期的研究工作主要集中在FRP筋的使用上。1991年11月- 1996年底。德国、荷兰的几个大学合作进行了名为“BRITE/EU-RAM”的项目。1993年12月- 1997年底，英国、荷兰、瑞典、法国、挪威合作研究了“EUROCRETE”项目。1997年。来自欧洲不同国家的11个科研队伍开展了名为“ConFib erC rete，N etwork”的合作项目。1986年，德国建成世界上第一座后张法预应力悬索FRP桥。在欧洲，FRP主要应用是桥梁结构。通过粘贴FRP片材或板材来维修加固受损结构、地震区的古建筑，增强结构的安全性及建筑物使用性能。

       在美国、欧洲和日本，FRP筋经常被用于混凝土桥的大梁或桥面板中。对于FRP预应力筋，由于FRP的弹性模量低。因此减少了由于混凝土徐变收缩而造成的预应力损失。FRP索可用于悬索桥中。此外，FRP可作为增强材料应用在海洋结构、桥墩、防波堤、钢筋混凝土隧道、地层锚杆、纤维喷射混凝土、防护墙。由于FRP的非电磁性，使其可用于高速公路导向道、机场导向仪的防护墙。在维修与加固方面。FRP片材、板材以其施工简便、重量轻、施工期短、强度高、延性好、费用低等优点获得满意效果。

       国外对FRP筋、FRP片材、板材在钢筋混凝土构件中的应用进行了基本力学研究。FRP筋作为箍筋抗剪、纵向钢筋抗弯的试验均表明FRP筋既可以代替传统钢筋抗弯、抗剪，又可发挥出FRP筋的重量轻、抗腐蚀好的优点以弥补钢筋的不足。FRP片材或板材的试验研究表明，FRP粘贴在钢筋混凝土梁的受拉面，提高了梁的抗弯能力，减少了裂缝宽度。钢筋混凝土柱外包FRP片材由于混凝土处于三向受力状态。因此提高了柱的承载能力。改善了柱的延性，对于地震区FRP是一种经济、实用的加固补强材料，同时在地震区的承重墙也可粘贴FRP片材帮助承受平面外水平荷载。

      近来，国外开发出一种新的利用FRP补强加固的方法一近表面镶嵌法f N ear Su rface M ou nt ed.NSM) 。该法是将钢筋混凝土构件表面刻出浅槽。槽的大小适合放入FRP筋。将刻好的槽清理干净后。向槽内填入粘结剂，并将FRP筋、FRP片材轻轻按压进槽中，使粘结剂充满筋的四周，然后用粘结剂将槽的表面填平。这种方法对比外贴FRP片材来说，与钢筋混凝土构件的粘结锚固更可靠，并且施工时间更短。由于FRP筋非常靠近构件表面，因此被称为NSM技术

       Neven Krstuloric和Antoine[111提出了一种称为自应力纤维复合物(Self St ressing  Fiber  Composit es SSFC)的概念。其主要思想是将形状记忆合金(ShapeM emory Alloys，SMA)熔入FRP中。由于SMA具有在低温下可冷冻加热后可恢复先前状态的特性，因此。将SMA作为FRP的主要材料就可制成自应力纤维复合物。SSFC可在树脂基凝固后任意改变形状以获得不同的预应力。SSFC最显著的优点是无需复杂的预应力锚固设备就可获得满意的预应力。

3  我国的研究应用现状

       我国于1997年开展碳纤维布补强加固钢筋混凝土构件的研究工作，其中国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心最早进行了这项工作，之后，有许多高等院校和科研单位也进行了碳纤维的研究。目前已进行了20余项研究，发表论文20余篇，应用于实际工程60余项。在规范编制方面。中国工程建设标准化协会标准《碳纤维布加固修复混凝土结构技术规程》已接近于完成。

       对FRP开展研究与应用的主要是CFRP和CFRP用于补强加固混凝土构件。国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心、天津大学、清华大学、东南大学等单位先后对CFRP、GFRP补强加固钢筋混凝土构件开展了一些研究工作，得到了一些成果：(1)外贴CFRP、CFRP布增强了钢筋混凝土梁。柱的抗弯、抗剪性能。(2)由于FRP布对混凝土的约束，使
得混凝土构件的延性得以提高。（3）在循环荷载作用下。FRP包裹的柱延性明显提高。(4)提出了数值计算方法和实用计算方法。

4  关于FRP研究应用的建议

       FRP在我国还处于起步发展阶段，虽然近年来一些大学、科研单位进行了一些研究应用，得到了一些可喜的成果，但对于FRP的研究应用还远远不够。在此。笔者结合查阅的国内外文献对我国的FRP应用与研究提出几点建议：

      (1)在我国，对于FRP的使用主要集中在CFRP片材补强加固建筑结构方面，对于其他方面的研究应用开展不多。国外FRP的使用可以说已经涉及到土木工程的方方面面，桥梁、隧道、机场、码头、公路、铁路、民用建筑、构筑物都使用了FRP。因此，我国需要大力开发FRP的使用，使其形成规模化、产业化。

       (2) FRP筋（预应力筋）在国外的研究应用已经很广泛，己呈现出替代普通钢筋的趋势。在这方面我国还是空白。因此，广大科研工作者还需继续努力以填补这项空白。
       (3) FRP片材、板材补强加固技术仍有许多研究工作要开展。如FRP外贴混凝土梁的抗弯、抗剪破坏机理研究；延性评估：疲劳性能研究：FRP片材、板材与混凝土构件的粘结锚固；裂缝问题：长期使用性能。
       (4)在使用FRP时，由于FRP的弹性模量低，构件的挠度和裂缝宽度将比钢筋混凝土构件大，这样将会不满足规范规定的限值。因此，对于FRP的使用量、配置率还需进一步研究。

       FRP为土木工程领域提供了一种经济有效的新材料，尤其与传统的钢筋混凝土结构相结合更能发挥其突出的优点。随着我国经济建设的飞速发展，相信FRP在我国的土木工程领域将有美好广阔的前景。