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（山东省建筑科学研究院 山东 济南 250031）
【摘 要】混凝土结构加固已经成为结构工程中重点研究的领域之一。FRP是一种轻质、高强的新型加固材料，对结构进行加固具有施工方便、快捷，几乎不增加结构自重等优点。本文介绍了FRP新型材料的力学性能，重点分析了FRP新型结构加固技术在我国的研究状况。最后提出混凝土结构加固后的受力特点和急需解决的问题。
【关键词】混凝土结构；纤维增强聚合物；加固技术
FRP Reinforced Concrete Structure and Its Application
Yang Yong，Mei Zuo-yun，Yang Zhao-peng
（Shandong Provincial Academy Of Building Research Jinan Shandong 250031）
【Abstract】In recent years, the strengthening techniques of concrete structure have been an important research field in structure engineering. FRP is a new lightweight high-strength material, and the construction will be convenient and shortcut, and the deadweight of structure will hardly be added. In this paper, the mechanic capability is introduced, the study of reinforced techniques with FRP in China is analyzed. At last, the mechanic characteristics and some questions are discussed.
【Keyword】Concrete structure; Fiber Reinforced Polymer; Strengthening technology
据统计，我国现存的各种建筑物总面积在100亿m2以上，其中绝大多数是混凝土结构，而且有一半以上投入使用已超过20年。由于结构耐久性差、化学腐蚀、工作荷载改变，以及设计与施工上的缺陷等原因，建筑物不断产生各种安全隐患，所以常常要求对混凝土结构进行补强加固，否则有可能产生重大的安全事故。
FRP称为纤维增强聚合物，是一种轻质、高强的新型加固材料。在上世纪90年代中期日本阪神大地震后的重建过程中，该材料在日本得到推广应用。目前FRP在欧美发达国家及亚洲部分国家已相当普及，而我国在此领域的研发工作起步较晚。
1. FRP材料力学性能
通常用于混凝土结构加固的FRP材料主要有3种：碳纤维增强聚合物CFRP、芳纶纤维增强聚合物AFRP和玻璃纤维增强聚合物GFRP，其中CFRP应用较多。与其他加固材料相比，FRP具有以下几点力学特性［2］。
（1）抗腐蚀性：FRP材料对酸、碱以及土壤等物质的化学腐蚀有很强的抵抗力。
（2）蠕变性：FRP材料蠕变量的大小主要取决于其纤维种类和承受的应力大小。
（3）疲劳性能：FRP材料的疲劳寿命与所承受的应力大小、试件形状、纤维含量、重复荷载循环次数以及频率等因素有关。研究表明，CFRP的耐疲劳性能明显优于钢材。
（4）耐火性能：在350°C时，CFRP材料仍有其正常温度下持荷能力的35 %，抗拉弹性模量的40％。
（5）抗紫外线：一些FRP材料会与紫外线发生化学反应而导致其力学性能的降低。但此问题可以通过加入特殊的外加剂或在FRP材料表面涂一层防护层(如一薄层混凝土)就可以解决。
2. FRP加固技术的研究［1、3］
经FRP加固的混凝土结构，在抗弯性能、抗剪性能、抗震性能、抗压性能等各个方面都会有不同程度的改善：
2.1 抗弯加固性能。
二十世纪90年代，人们便开始对FRP加固梁进行了大量的试验研究和理论分析［4-6］。研究结果表明：用FRP加固的钢筋混凝土梁，其极限承载力将有明显提高，尤其是少筋梁的极限承载力提高幅度最大；用CFRP布对梁加固，则可以明显提高钢筋屈服后的刚度。同时，该技术对结构裂缝的发展也有较强的抑制作用，主要表现在：裂缝的宽度、间距、高度均变小；裂缝变细、变密、变短；抵抗弯曲裂缝的性能得到明显改善。
但是FRP加固技术可以提高试验梁受弯承载力的同时，还应该注意以下两点：(1)用量问题。因为FRP的使用会在一定程度上影响受弯构件的破坏形态。例如，当CFRP用量过多时,构件的破坏形态将由CFRP被拉断引起的破坏转变为混凝土被突然压碎。与此同时，由于CFRP为完全弹性的材料，它与钢筋的共同工作会减弱钢筋塑性性能对构件延性的影响，即构件的廷性将有所降低。(2)使用效率问题。试验发现，同样的FRP用量,分条粘贴比整条粘贴的加固效果略好。同时，随着粘贴层数的增加，其使用效率也将有所降低。
2.2 抗剪加固性能。
图1为CFRP对混凝土梁和柱进行抗剪加固的示意图。国内外很多学者对此结构进行了破坏机理、承载力计算等方面的研究，发现其抗剪加固的机理与箍筋相似。用CFRP包裹剪跨区的试验梁，其极限抗剪强度一般能够提高20％-40％，且CFRP的间距越小、粘贴层数越多，其增强作用也越明显，即梁抗剪承载力提高幅度越大。CFRP此贡献的大小主要取决于梁剪跨比、混凝土强度和配箍率等试验参数：剪跨比越大，补强加固效果越好；混凝土强度越高，补强加固效果越好；配箍率越低，补强加固效果越好。
CFRP加固在提高钢筋混凝土梁抗剪承载力的同时，还可以明显地改善构件的变形性能，增强构件的变形能力。试验表明，加固后梁的斜裂缝会由一条主斜裂缝转变为分布于CFRP条包裹带之间的众多微裂缝。而且在斜截面破坏之前都有CFRP条的撕裂、起鼓和起皱等破坏先兆，给人们以警告，从而改善了原有钢筋混凝土粱脆性剪切破坏的缺陷。
2.3 抗震性能。
我国是个多地震国家，大多数地区都处于地震区。在这些地区，对建筑结构进行抗震加固，以及对震损结构的修补常常是结构工程师的主要工作内容。同时在抗震设计中也要求对主要承重构件进行局部加强，使其满足有关的延性要求，这就需要有一些行之有效的抗震加固措施。
通过试验研究证实，沿构件横向外包CFRP，对内部混凝土能够起到很好的约束作用，提高混凝土的极限压应变值，继而推迟了受压区混凝土的破碎，充分发挥了钢筋的塑性变形性能，改善了构件的延性。该方法对混凝土的约束作用与箍筋相比，更为直接、有效。图2为CFRP约束柱加固示意图。
图3为无约束混凝土及CFRP约束混凝土的应力-应变关系曲线。从图中可以明显地看出：对无约束混凝土，应力达到峰值后即刻下降，表明其延性较差；而对CFRP约束的混凝土，当应力接近无约束混凝土强度时，混凝土发生侧向膨胀，CFRP约束力增大，直至CFRP断裂破坏，表明破坏过程延性发展充分。
2.4 抗压加固性能。
由于FRP为柱体结构提供了有效的横向约束，所以包裹FRP后试件的抗压强度有所提高，同时混凝土的变形性能也得到了较大程度的改善，其效果随材料用量的增加而显著增强。试验研究发现，在材料用量相同的情况下，窄条CFRP的加固效果要优于宽条FRP的加固效果，即FRP在使用时存在宽度效应影响。
2.5 正截面承载力加固性能。
粘贴FRP补强加固方法，对受弯破坏的钢筋混凝土柱承载力的提高是十分有效的。试验证明，沿柱轴线方向粘贴两层碳纤维织物时，柱的承载力最多可提高45％。FRP的使用同样存在尺寸效应：随着材料宽度的增加，其抗拉强度的使用效率将有所降低。一般情况下，随材料粘贴层的增加，补强加固的效果将更明显，但两者并不呈线性增长关系。
3. 混凝土加固结构的受力特点［1］
采用FRP材料对混凝土结构进行加固，可以有效提高结构的各种力学性能，但不是说加固之后的结构就是万无一失的，此时仍需要注意应力、应变滞后性和结构整体性的问题：
3.1 应力、应变的滞后性。
由于加固前承受荷载的作用，原结构已存在一定的弯曲和压缩变形，所以新加部分必须在受新增荷载作用时才开始受力，这就导致新加部分的应力、应变滞后于原结构的应力、应变，即新旧结构难以同时达到应力峰值。因此，对应力水平指标超过一定限值的结构进行加固时，必须首先采取有效的卸载措施，否则达不到理想的加固效果。
3.2 新旧部分的整体性。
加固后的结构属于组合结构，新旧两部分必然存在着整体工作问题，而整体工作的关键在于结合面能否有效地传递剪力。根据中国建筑科学研究院的实验研究，混凝土加固结构结合面的受剪承载力可按下式计算：
τ≤fv+0.56ρsvfy
式中：τ——结合面剪应力设计值；
fv——结合面混凝土抗剪强度设计值；
ρsv——横贯结合面的剪切-摩擦筋配筋率；
fy——剪切-摩擦筋抗拉强度设计值。
4. 结语
FRP材料具有施工方便、快捷，几乎不增加结构自重，且适用面广等优点，所以FRP加固技术将对延长21世纪基础结构设施的工作寿命以及结构的可持续建设，发挥重要的作用。中国拥有巨大的建筑市场,大量的钢筋混凝土结构急需补强与加固，FRP加固技术作为一种新兴的、技术含量较高的加固方法,具有很大的研究推广价值和巨大的社会经济效益。
与国外发达国家相比，我国对FRP加固技术的研究和应用都不够成熟，需要积极加强产、学、研相结合，促进FRP产品的国产化；需要增进各科研院所和高等院校之间的合作，积极开拓FRP技术研究与应用的新领域；需要积极组织编制FRP及其相关产品的设计、施工与验收的技术标准和规程。这样才能真正推广FRP在我国建筑行业的应用。
参考文献
［1］ 张益多，刘荣桂.混凝土结构加固技术研究及应用综述［J］.江苏大学学报（自然科学版），2003，（24）：91-94
［2］ 谷倩，张祥顺，彭少民.新材料FRP的研究与应用综述［J］.华中科技大学学报（城市科学版），2003，（23）：89-92
［3］ 赵彤、谢剑等。碳纤维织物补强加固混凝土结构研究（综述）［J］.工程力学增刊，2002：758-763
［4］ 吴刚，安 琳，吕志涛．碳纤维布加固钢筋混凝土梁抗弯加固试验研究［J］．建筑结构，2000，30(7)：3-6
［5］ 欧阳煜，黄奕辉，钱在兹，顾祥林．玻璃纤维片材加固混凝土梁的抗弯性能研究［J］．土木工程学报，2002，35(3)：1-6
【摘 要】混凝土结构加固已经成为结构工程中重点研究的领域之一。FRP是一种轻质、高强的新型加固材料，对结构进行加固具有施工方便、快捷，几乎不增加结构自重等优点。本文介绍了FRP新型材料的力学性能，重点分析了FRP新型结构加固技术在我国的研究状况。最后提出混凝土结构加固后的受力特点和急需解决的问题。
【关键词】混凝土结构；纤维增强聚合物；加固技术
FRP Reinforced Concrete Structure and Its Application
Yang Yong，Mei Zuo-yun，Yang Zhao-peng
（Shandong Provincial Academy Of Building Research Jinan Shandong 250031）
【Abstract】In recent years, the strengthening techniques of concrete structure have been an important research field in structure engineering. FRP is a new lightweight high-strength material, and the construction will be convenient and shortcut, and the deadweight of structure will hardly be added. In this paper, the mechanic capability is introduced, the study of reinforced techniques with FRP in China is analyzed. At last, the mechanic characteristics and some questions are discussed.
【Keyword】Concrete structure; Fiber Reinforced Polymer; Strengthening technology
据统计，我国现存的各种建筑物总面积在100亿m2以上，其中绝大多数是混凝土结构，而且有一半以上投入使用已超过20年。由于结构耐久性差、化学腐蚀、工作荷载改变，以及设计与施工上的缺陷等原因，建筑物不断产生各种安全隐患，所以常常要求对混凝土结构进行补强加固，否则有可能产生重大的安全事故。
FRP称为纤维增强聚合物，是一种轻质、高强的新型加固材料。在上世纪90年代中期日本阪神大地震后的重建过程中，该材料在日本得到推广应用。目前FRP在欧美发达国家及亚洲部分国家已相当普及，而我国在此领域的研发工作起步较晚。
1. FRP材料力学性能
通常用于混凝土结构加固的FRP材料主要有3种：碳纤维增强聚合物CFRP、芳纶纤维增强聚合物AFRP和玻璃纤维增强聚合物GFRP，其中CFRP应用较多。与其他加固材料相比，FRP具有以下几点力学特性［2］。
（1）抗腐蚀性：FRP材料对酸、碱以及土壤等物质的化学腐蚀有很强的抵抗力。
（2）蠕变性：FRP材料蠕变量的大小主要取决于其纤维种类和承受的应力大小。
（3）疲劳性能：FRP材料的疲劳寿命与所承受的应力大小、试件形状、纤维含量、重复荷载循环次数以及频率等因素有关。研究表明，CFRP的耐疲劳性能明显优于钢材。
（4）耐火性能：在350°C时，CFRP材料仍有其正常温度下持荷能力的35 %，抗拉弹性模量的40％。
（5）抗紫外线：一些FRP材料会与紫外线发生化学反应而导致其力学性能的降低。但此问题可以通过加入特殊的外加剂或在FRP材料表面涂一层防护层(如一薄层混凝土)就可以解决。
2. FRP加固技术的研究［1、3］
经FRP加固的混凝土结构，在抗弯性能、抗剪性能、抗震性能、抗压性能等各个方面都会有不同程度的改善：
2.1 抗弯加固性能。
二十世纪90年代，人们便开始对FRP加固梁进行了大量的试验研究和理论分析［4-6］。研究结果表明：用FRP加固的钢筋混凝土梁，其极限承载力将有明显提高，尤其是少筋梁的极限承载力提高幅度最大；用CFRP布对梁加固，则可以明显提高钢筋屈服后的刚度。同时，该技术对结构裂缝的发展也有较强的抑制作用，主要表现在：裂缝的宽度、间距、高度均变小；裂缝变细、变密、变短；抵抗弯曲裂缝的性能得到明显改善。
但是FRP加固技术可以提高试验梁受弯承载力的同时，还应该注意以下两点：(1)用量问题。因为FRP的使用会在一定程度上影响受弯构件的破坏形态。例如，当CFRP用量过多时,构件的破坏形态将由CFRP被拉断引起的破坏转变为混凝土被突然压碎。与此同时，由于CFRP为完全弹性的材料，它与钢筋的共同工作会减弱钢筋塑性性能对构件延性的影响，即构件的廷性将有所降低。(2)使用效率问题。试验发现，同样的FRP用量,分条粘贴比整条粘贴的加固效果略好。同时，随着粘贴层数的增加，其使用效率也将有所降低。
2.2 抗剪加固性能。
图1为CFRP对混凝土梁和柱进行抗剪加固的示意图。国内外很多学者对此结构进行了破坏机理、承载力计算等方面的研究，发现其抗剪加固的机理与箍筋相似。用CFRP包裹剪跨区的试验梁，其极限抗剪强度一般能够提高20％-40％，且CFRP的间距越小、粘贴层数越多，其增强作用也越明显，即梁抗剪承载力提高幅度越大。CFRP此贡献的大小主要取决于梁剪跨比、混凝土强度和配箍率等试验参数：剪跨比越大，补强加固效果越好；混凝土强度越高，补强加固效果越好；配箍率越低，补强加固效果越好。
CFRP加固在提高钢筋混凝土梁抗剪承载力的同时，还可以明显地改善构件的变形性能，增强构件的变形能力。试验表明，加固后梁的斜裂缝会由一条主斜裂缝转变为分布于CFRP条包裹带之间的众多微裂缝。而且在斜截面破坏之前都有CFRP条的撕裂、起鼓和起皱等破坏先兆，给人们以警告，从而改善了原有钢筋混凝土粱脆性剪切破坏的缺陷。
2.3 抗震性能。
我国是个多地震国家，大多数地区都处于地震区。在这些地区，对建筑结构进行抗震加固，以及对震损结构的修补常常是结构工程师的主要工作内容。同时在抗震设计中也要求对主要承重构件进行局部加强，使其满足有关的延性要求，这就需要有一些行之有效的抗震加固措施。
通过试验研究证实，沿构件横向外包CFRP，对内部混凝土能够起到很好的约束作用，提高混凝土的极限压应变值，继而推迟了受压区混凝土的破碎，充分发挥了钢筋的塑性变形性能，改善了构件的延性。该方法对混凝土的约束作用与箍筋相比，更为直接、有效。图2为CFRP约束柱加固示意图。
图3为无约束混凝土及CFRP约束混凝土的应力-应变关系曲线。从图中可以明显地看出：对无约束混凝土，应力达到峰值后即刻下降，表明其延性较差；而对CFRP约束的混凝土，当应力接近无约束混凝土强度时，混凝土发生侧向膨胀，CFRP约束力增大，直至CFRP断裂破坏，表明破坏过程延性发展充分。
2.4 抗压加固性能。
由于FRP为柱体结构提供了有效的横向约束，所以包裹FRP后试件的抗压强度有所提高，同时混凝土的变形性能也得到了较大程度的改善，其效果随材料用量的增加而显著增强。试验研究发现，在材料用量相同的情况下，窄条CFRP的加固效果要优于宽条FRP的加固效果，即FRP在使用时存在宽度效应影响。
2.5 正截面承载力加固性能。
粘贴FRP补强加固方法，对受弯破坏的钢筋混凝土柱承载力的提高是十分有效的。试验证明，沿柱轴线方向粘贴两层碳纤维织物时，柱的承载力最多可提高45％。FRP的使用同样存在尺寸效应：随着材料宽度的增加，其抗拉强度的使用效率将有所降低。一般情况下，随材料粘贴层的增加，补强加固的效果将更明显，但两者并不呈线性增长关系。
3. 混凝土加固结构的受力特点［1］
采用FRP材料对混凝土结构进行加固，可以有效提高结构的各种力学性能，但不是说加固之后的结构就是万无一失的，此时仍需要注意应力、应变滞后性和结构整体性的问题：
3.1 应力、应变的滞后性。
由于加固前承受荷载的作用，原结构已存在一定的弯曲和压缩变形，所以新加部分必须在受新增荷载作用时才开始受力，这就导致新加部分的应力、应变滞后于原结构的应力、应变，即新旧结构难以同时达到应力峰值。因此，对应力水平指标超过一定限值的结构进行加固时，必须首先采取有效的卸载措施，否则达不到理想的加固效果。
3.2 新旧部分的整体性。
加固后的结构属于组合结构，新旧两部分必然存在着整体工作问题，而整体工作的关键在于结合面能否有效地传递剪力。根据中国建筑科学研究院的实验研究，混凝土加固结构结合面的受剪承载力可按下式计算：
τ≤fv+0.56ρsvfy
式中：τ——结合面剪应力设计值；
fv——结合面混凝土抗剪强度设计值；
ρsv——横贯结合面的剪切-摩擦筋配筋率；
fy——剪切-摩擦筋抗拉强度设计值。
4. 结语
FRP材料具有施工方便、快捷，几乎不增加结构自重，且适用面广等优点，所以FRP加固技术将对延长21世纪基础结构设施的工作寿命以及结构的可持续建设，发挥重要的作用。中国拥有巨大的建筑市场,大量的钢筋混凝土结构急需补强与加固，FRP加固技术作为一种新兴的、技术含量较高的加固方法,具有很大的研究推广价值和巨大的社会经济效益。
与国外发达国家相比，我国对FRP加固技术的研究和应用都不够成熟，需要积极加强产、学、研相结合，促进FRP产品的国产化；需要增进各科研院所和高等院校之间的合作，积极开拓FRP技术研究与应用的新领域；需要积极组织编制FRP及其相关产品的设计、施工与验收的技术标准和规程。这样才能真正推广FRP在我国建筑行业的应用。
参考文献
［1］ 张益多，刘荣桂.混凝土结构加固技术研究及应用综述［J］.江苏大学学报（自然科学版），2003，（24）：91-94
［2］ 谷倩，张祥顺，彭少民.新材料FRP的研究与应用综述［J］.华中科技大学学报（城市科学版），2003，（23）：89-92
［3］ 赵彤、谢剑等。碳纤维织物补强加固混凝土结构研究（综述）［J］.工程力学增刊，2002：758-763
［4］ 吴刚，安 琳，吕志涛．碳纤维布加固钢筋混凝土梁抗弯加固试验研究［J］．建筑结构，2000，30(7)：3-6
［5］ 欧阳煜，黄奕辉，钱在兹，顾祥林．玻璃纤维片材加固混凝土梁的抗弯性能研究［J］．土木工程学报，2002，35(3)：1-6