FRP复合材料在结构加固工程中的应用

FRP复合材料在结构加固
工程中的应用
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FRP复合材料在结构加固工程中的
应用
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通过介绍FRP复合材料，因其轻质高强、高弹模、耐腐蚀性能
好及抗冲击性能好等一系列优点，在桥梁、地铁及一些工业厂房等混
凝土结构的加固与修复领域中，应用潜力巨大。

土木工程学科的发展，在很大程度上依赖于性能优异的
新材料新技术的应用和发展。

在已有结构的加固改造领域，
不仅要求材料经济美观、便于施工，且要求施工后的结构承载力能够
明显提高。

而FPR复合材料以其优异的力学性能和广泛的适用性发挥
着越来越重要的作用。

FRP（fiberreinforcedplastics ）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。

1、FRP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。

一些典型的FRP （片材）复合材料的基本力学性能见下表。

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。