纤维增强复合材料在土建结构加固工程中的应用

王汉民

（青海省教育厅教育项目服务中心，青海西宁 810008）

自20世纪60年代以来，纤维增强复合材料（FRP）开始逐渐被用于土建结构加固工程中。经过几十年的发展，该材料加固技术己逐渐成为土建领域结构加固的常用技术之一。纤维增强材料是一种高性能新型复合材料。所谓复合材料，广义来讲，是将两种或两种以上组分复合而制得的材料，主要包括基体和增强体两部分。其中，陶瓷、金属或聚合物等一般作为基体，而纤维、颗粒或晶须等则充当增强体。

FRP便是以纤维作为增强体的一种复合材料［1］。

根据纤维增强体的不同，FRP主要分为碳纤维(CFRP)、玻璃纤维、聚乙烯纤维、聚芳酰胺纤维、BPO纤维以及硼纤维等增强复合材料。对于将FRP作为土建结构的加固材料方面，国内外相关学者或工程师己经做了大量的实验及理论研究，也取得了非常重要的成果，大大推动了FRP的应用发展进程［2］。本文基于FRP材料在结构加固中的应用特点，分析总结了其在混凝土构件补强、钢结构损伤修复以及桥梁结构加固中的应用情况，并从特殊结构适用性、黏结胶性能、破坏面特性以及不同环境加固工艺等角度出发，提出了FRP材料未来在土建结构加固领域中的研究方向和发展建议。

FRP具有质量轻、密度低、耐腐蚀、结构强度高、抗撕裂等特点，己经被广泛运用于军工、电子、航空航天、化工、建筑、机械、材料等领域之中［3］。使用FRP对土建结构进行加固己经成为一种较成熟的加固方法，其在1994年美国大地震以及灾后重建过程中发挥了巨大的作用，在保证质量的基础上，大大降低了土建修建和维护的费用。2003年，我国标准化管理部门更是出台了《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》以指导FRP材料的使用。FRP在土建加固过程中的应用，有着以下技术特点。

（1）施工简便。纤维增强材料容易随意切割，可以根据土建结构的实际情况在施工现场快速进行裁剪，在保证质量的前提下，能够快速完成工作。传统的加固方法包括粘钢加固法、增大截面法以及体外预应力法等，这些传统技术在施工方面都较为繁琐，且施工工期长，材料运输及使用不便。使用FRP材料则避免了这些问题，既无需湿作业，也无需动用焊接设备，施工快速而方便，时间及人力成本较低［4］。

（2）高度抗疲劳性。FRP使用了纤维作为增强剂，使其水平方向的韧性得以提高，抗疲劳能力增强。一般金属的疲劳极限为拉伸强度的40%左右，而FRP则可以达到70%，优越的抗疲劳能力使其在土建加固工程中优于粘钢加固法［5］。另外，FRP的材料强度甚至是普通钢材的9～10倍，使其在应用中更加耐拉。

（3）耐候性好。建筑物加固材料在使用过程中会经常遇到高温、风雨、霜冻甚至酸碱的侵蚀，这些条件对加固材料提出了苛刻的要求。而FRP材料具有极为优异的耐腐蚀性能，无需反复加固，避免了后期的维护费用。除此之外，在某些使用腐蚀品的化工厂房、危化品仓库等建筑的结构加固中，也可以使用FRP材料，从而较为可靠地保证后续生产安全［6］。

2.1 混凝土构件补强

在混凝土构件的加固中，FRP最初是以棒材或型材的形式进行加固的，有时也通过剪断成丝拌入混凝土的方式进行应用，以最大程度提高混凝土强度。目前，在混凝土加固过程中，一般是以结构胶粘接的形式加以利用，即将FRP材料用环氧树脂胶粘接在建筑物表面，使得纤维材料能够与建筑物结构同时做功，从而大幅度提高构件的承载能力。

在实践方面，毕国强［7］研究了碳纤维复合材料在建筑物加固中的应用方法，详细阐述了CFRP在混凝土结构加固中的使用技术。并指出，碳纤维布在混凝土加固过程中，要慎重选择好粘接剂，主剂和固化剂应以3：1的比例进行配比，先均匀涂抹于建筑物表面，然后再进行纤维布的粘贴。梁庞［8］对楼板和墙体混凝土结构出现的问题进行了研究，以20世纪90年代的汽车库改造办公楼工程为例，详细介绍了纤维布加固混凝土结构的施工步骤以及质量检验控制措施。

张静钰［9］探究了复合材料在建筑加固中的应用，介绍了内嵌入式、外贴式等建筑加固方法。其中，重点介绍了芳纶纤维、玻璃纤维加固技术，并认为在芳纶纤维加固过程中，需要注意对框架柱以及节点进行加固；
而玻璃纤维由于其弹性模量较小，所以在加固时需要以环绕粘贴的方式进行加固。

2.2 损伤钢结构修复

在现有的工程结构形式中，钢结构以其轻质高强、造型美观、可回收利用等优势，被广泛用于一些土建工程施工中，例如化工领域厂房的修建、危化品库房、近海或海洋工程以及通讯电信相关建筑等。在这些工程结构的使用过程中，经常会由于施工、生产、制造、物体打击以及腐蚀等原因而造成难以逆转的损伤，尤其是在一些钢结构中更加常见。钢结构一旦发生损伤，其有效荷载能力势必会受到影响，抗拉和抗压强度急剧降低，宏观力学性能下降，甚至有发生工程事故的风险。在不能及时更换材料的工况下，就必须要对钢结构进行修复和加固。

彭福明等［10］研究了CFRP材料加固钢结构的施工措施，包括选材、设计和裁剪CFRP的方法，黏结件的表面处理以及验收控制等。指出目前以纤维材料加固损伤钢结构时还应加强对CFRP的力学性能分析，深入研究温度效应对粘接强度的影响，避免出现局部刚度较大的问题。

2.3 桥梁结构加固

我国现存的许多桥梁由于各种原因长期缺乏维护保养，或多或少存在年久失修的问题，主要包括混凝土开裂、基座变形、钢筋腐蚀、墩台滑动等。有些桥梁的承载力甚至己经不能满足≥25%的设计要求。鉴于工期、通行要求以及投资成本等因素，许多地方的桥梁很难做到全部拆除重建，而采用FRP材料开展加固的方式，则成为解决上述问题的有效手段。相比于粘钢加固、化学灌浆加固以及体外预应力加固法，使用FRP材料加固桥梁，不仅材料投资较少，工期也相对较短，是一种非常适合桥梁结构加固的方法。

在该领域，李慧峰等［11］研究了CFRP材料在桥梁加固中的应用技术，详细计算了碳纤维材料的物理力学性能，并进行了抗弯性能实验，最后提出了CFRP材料加固桥梁的原理和计算方法。谷拴成等［12］结合黄陵—李章河麦洛安西大桥的加固工程，使用QLJC软件对桥梁结构进行了模拟数值计算，介绍了碳纤维材料及加固方案的选取方法，并经过现场检测和理论计算的对比，证明碳纤维加固能够有效满足使用功能需求。桂久宽［13］针对桥梁长时间服役后发生的承载力退化现象，应用碳纤维加固技术进行快速有效地加固和修复，实现大幅度提高桥梁承载力的目的。

欧阳利军等［14］则研究了玄武岩纤维增强复合材料（BFRP）在结构加固中的应用，指出BFRP由于具有良好的延展性、耐高温性、耐磨性和耐腐蚀性，非常契合桥梁加固所需材料特点。同时，其造价相比碳纤维更低，故也成为了代替碳纤维的良好材料。

目前，国内外学者在将FRP材料用于土建结构加固方面己进行了较多的实验研究，但对FRP材料的力学性能以及承载力的理论研究仍存在不足，尤其是在FRP材料加固土建结构的破坏特征以及加固结构构件的设计方法方面，还有较大的完善提升空间，有必要开展进一步研究。

（1）特殊结构加固的适用性。当前的FRP材料主要被应用于建筑物和桥梁的加固工程之中，而在木质结构、钢结构以及砌体结构的加固工程中应用较少。除此之外，在一些特殊工程结构加固中也可以考虑使用FRP材料，例如凉水塔、化工厂房、海上作业平台以及某些围墙等防护工程，然而这些特殊工程对结构强度要求较高，因此必须加强FRP在这些领域中的应用和研究深度。

（2）黏结胶的性能优化。纤维复合材料主要通过黏结胶进行黏结，在很多情况下，加固效果并不取决于纤维材料本身的性能，而取决于FRP材料和建筑整体结构黏结的牢固程度。一些特殊工况下，FRP材料加固工程要求能够承受长期的高温、低温、浸水以及腐蚀环境，而FRP材料本身虽能满足这些条件，但黏结胶有时无法满足这些特殊工况要求，导致应用过程中的韧性降低，造成加固质量不达标。同时，在预应力FRP的研究方面，目前还仅限于理论分析，实践与应用发展较为缓慢，后续应当加强试验力度。

（3）黏结破坏面特性研究。FRP材料由多种物质复合而成，在受到外力作用时，各种材料的受力状态差异较大，甚至存在多种破坏模式，断裂情况也相当复杂。因此，必须加强FRP材料黏结破坏面的特性研究，在此基础上深入分析FRP的力学性能，以期设计出性能更佳的FRP材料。

（4）不同环境下的加固工艺。目前，FRP材料在使用过程中一般都会严格遵守施工要求，控制好温度和湿度，一旦温度或湿度超过工艺指标都将被禁止施工，通常规定的工艺指标为：环境温度5～35℃，相对湿度低于70%。但是该工艺指标在遭遇雨季以及冬季时，将极大程度上影响工程施工进程，因此必须加强不同环境下的加固工艺研究，以期在保证质量的前提下，避免不良环境条件对工期的影响。

在土建结构加固工程中，相比于传统的粘钢加固法、扩大截面法等加固技术，FRP加固技术具有施工简便、不破坏原结构、高度抗疲劳性以及耐久性好等显著的应用优势。实践表明，通过FRP材料进行结构加固有利于提高工程质量、缩短施工工期。因此，目前利用FRP材料进行土建结构加固的案例也越来越多，并逐渐趋于成熟。

现阶段，FRP加固技术主要运用于混凝土结构、钢结构以及桥梁结构等加固工程中。在这些领域，FRP加固技术己经被广泛研究。但目前FRP技术的发展时间较短，其在力学性能以及承载力的理论研究方面尚存在不足，未来还需要进一步加强FRP加固技术在特殊结构适用性、黏结胶性能优化、黏结破坏面特性以及不同环境下加固工艺等方面的研究，使FRP材料能够适用于更加广阔的应用场景，推动我国城市更新背景下的土建结构加固行业发展。

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