FRP复合材料的分类、应用和研究现状

　　一、FRP 复合材料的概述和特点

　　科技的发展和新材料的使用为土木工程这一学科的发展奠定了基础。性能好的新材料在土木工程结构加固领域有着巨大的应用前景。这是由其优良性能决定的，FRP 复合材料有以下特点。

　　（1）和传统的钢筋材料相比，FRP 复合材料抗拉强度高。无论是有碳纤维（CFRP）、芳纶纤维（AFR）还是玻璃纤维（GFRP），这三者的抗拉强度都具有明显的优势，而且可以和高强钢丝媲美。塑性变形这一情况基本上不会产生，即使 FRP 复合材料达到了抗拉强度。

　　（2）适用于腐蚀性较大的环境。钢材和 FRP 复合材料相比，抗腐蚀性和使用时间的长久就会逊一筹。使用复合材料可以使结构的使用时间延长，寿命拉大，即使是在腐蚀性很强的环境下。

　　（3）自重小，因此为施工提供方便和快捷。钢材的密度是 FRP 复合材料的 4 倍，因此自重小，便于在建筑结构中采用。可以方便施工，节省人力成本。被用于老旧结构的维修加固时，优越性更为明显，效果更佳。

　　（4）热膨胀系数低。FRP 的热膨胀系数基本上和混凝土差不多。因此，在工程环境中的温度发生变化时，FRP 和混凝土会互相合作，共同应对这一变化，较大程度的温度应力也不会产生。

　　（5）弹性模量较小。普通钢筋的弹性模量一般为 FRP的 3~4 倍。因此，裂缝展开较宽以及混凝土结构的挠度较大这两种现象将会不可避免的产生。

　　（6）在对抗剪裁方面的能力弱，即抗剪强度差。数据显示，FRP 一般情况下不会超过自身抗拉强度的 12%左右。因此，在将 FRP 用于预应力筋时要考虑这一点，因此需要研制匹配的锚以及夹子，同样进行 FRP 的材性试验时也要考虑到这一点。

　　（7）价格比较高。FRP 的生产需要一系列的工艺，因此制作工序比较复杂，因此需要相应的长线挤压台座的配合才能完成制作。FRP 的强度比较高，因此对挤压成型造成了一定的阻力。FRB 筋的 80%~90%的部分由纤维组成，因此纤维含量高。例如，直径为 9mm 的 FRB 筋中，大约含有12 万根的连续纤维。

　　总之，FRB 的材料不仅质量好，而且外观精美，为施工提供许多快捷。FPR 复合材料正符合了这一要求，而且承载力具有明显的优势。FRP（fiber reinforced plastics）复合材料具有优异的物理性能，同时轻质高强，能够抵抗疲惫，耐腐蚀，使用时间长，热膨胀系数低。FRP 的维护成本低，这一优良性能弥补了工厂早期投资大的缺点。FRP 复合材料可以很容易的剪裁，因此方便使用和施工。总之，FRP 复合材料在 FRP 在土木工程结构加固应用中有着巨大的潜力。

　　二、FRP 复合材料的分类和应用

　　FRP 复合材料上面已经提到价格成本高，这方面的实践经验少之又少，因此，最初的应用受到了一定程度的限制。随着生产的扩大以及生产技术的提高，FRP 有了一定程度的下滑。施工经验的增多，这种材料得到广泛的应用，特别是在土木工程中。FRP 复合材料主要分为 3 类，即碳纤维（CFRP）、高强玻璃纤维（GFRP）复合材料以及芳纶纤维（AFRP）。在土木工程结构的加固过程中，FRP 的主要功能体现在修复和新结构的形成。应用方面如下：（1）隧道和地铁。由于地铁和隧道是地下作业的方式，因此它们的受力状况和地面截然不同。土压力的作用存在于洞的顶部以及洞的侧面。

　　同时，对净空也要较高的要求。因此，加固和修补裂缝的方法要慎重选择，显然，传统的加固方法不符合这一要求。芳纶纤维布却明显的符合这一要求，因为它具有优良的抗剪能力。同时，能够适应地铁和隧道在拱顶和侧壁的裂缝，这些侧壁和裂缝大多是多向和不规则的。（2）烟囱和水塔。烟囱和水塔的加固和维修有一定的难度，这和其自身向高处发展的结构密不可分。扩大截面法、粘钢法等这些传统的方法以及不能满足这样高难度的加固和修护，因此需要轻质高强、耐腐蚀能力好、用的时间长的复合材料，比如：芳纶纤维。

　　三、FRP 复合材料的研究现状

　　1．抗弯加固性能

　　将 FRP 复合材料贴在一些结构中的受拉区，比如混凝土结构。这样结构的承载限度将会被扩大，裂缝的扩展也会得到一定程度上的。和普通的混凝土结构，以及用黏钢加固过后的结构相对比，用 FRP 复合材料加固后的混凝土结构和前两者有明显的不同，同时，承载能力的算法也不一样。近些年，无论是国内的研究者还是国外的研究者都将目光聚焦在FRP 复合材料加固混凝土梁的研究上，比如：抗弯能力、破坏力度、承载里的估计、影响因数。同时，复合材料加固后的混凝土梁也在研究范围内，比如：截面变形、裂缝展开等问题。最近几年，受力性能试验研究和理论分析渐渐进入研究者的视野范围内，学者对抗弯能力计算方法和滞后应变跨中挠度的计算公式也投入大量的精力。

　　2．抗剪加固性能

　　上面提到过，将 FRP 复合材料贴在混凝土梁的受剪区域可以增强这一区域的抗剪性能。建筑工地的加固方法通常分为 3 类，即侧面粘贴、U 型粘贴以及包裹粘贴三种方式，其中最经济又实用的要数包裹粘贴。梁的配箍率、混凝土强度、FRP 配筋率以及梁的剪跨比都是影响 FRP 抗剪加固性能的主要因素，同时，、FRP 的粘贴方式与锚固性能、FRP 及黏结胶本身的材料性能等因素也不可忽视。破坏机制和承载力的计算是目前国内外学者研究的重点。承载力的估算的建立基础是混凝钢筋土构件桁架理论模型。

　　3．抗震加固性能

　　要想增大混凝土的极限压应变，增高构件的延性，实现建筑结构的抗震目的，就需要借助外包 FRP 约束塑性铰区。

　　国内外研究学者已经在以下方面做出了努力：外包 FRP 加固混凝土柱、梁柱节点以及结构的抗震性能试验研究、理论分析和工程应用。在这些研究成果之上，提出了约束混凝土应力一应变关系的估算模型。FRP 约束混凝土结构延性特征和滞回耗能性能主要受两个性能的影响，即侧向约束模量和侧向约束强度。同时，约束钢管混凝土的概念也被提出，在新型的钢管混凝土柱里面加入 FRP 横向附加约束，可以提高结构的抗震能力。

　　在抗震加固方面，使用 FRP 外包混凝土柱是一种既经济又效果好的加固方法。这种方法已经在世界各地得到广泛的应用，有关的 FRP 加固混凝土柱力学性能方面的研究分析成果也不断的涌现。用 FRP 加固房屋结构柱与桥柱的例子已屡见不鲜，而且有着很高的成功率。目前，FRP 自动缠绕系统已经被研发，而且得到大量的实践应用，为施工提供了很多方便，如图 1 所示。

　　4．抗疲劳加固性能

　　弯曲疲劳和剪切疲劳是 FRP 复合材料加固构件的组成部分。以荷载形式作为划分标准，将其又可以划分为常副荷载和变幅荷载。FRP 片材加固构件的疲劳程度主要和以下方面有关系：（1）原有的混凝土结构的抗疲劳程度。（2）FRP加固部分的疲劳断裂程度。（3）FRP 材料与混凝土界面的抗疲劳破坏能力。

　　四、FRP 复合材料加固技术展望

　　FRP 复合材料的发展空间是巨大的，同时前景也不错。在研究和应用时需要注意以下几个方面：首先，在应用单一品种的 FRP 复合材料的基础上，要更加重视不同性能的 FRP复合材料的混合。混合后的特性和以及改变性能的状况都要留意。要努力克服 FRP 复合材料的弱点，发挥其长处，这样才能更好的适应现代工程的加固要求，满足社会的需要。其次，高强高性能是 FRP 复合材料的一大优点，因此，要将有力的措施应用于结构的加固中。采取预应力，让 FRP 在施工方面的研究更加深入，结构设计更加灵活。这样才能满足更高标准的加固补强要求。最后，要解决有关 FRP 复合材料的开发和研制工作，比如：筋、索、棒材这些设备的开发。

　　五、结束语

　　总之，FRP 复合材料和传统的材料相比，有着良好的性能，在工程的结构加工中有着广泛的应用前景。在一些方面虽然存在一些问题需要突破，但是只要解决了这些问题，FRP的前途就会更加光明。

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