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结构修复材料

结构修复材料FRPs—最新进展

KWNeale

希尔布鲁克大学魁北克加拿大

摘要

FRPs（纤维增强聚合物）目前在土木工程领域得到广泛而迅速的应用。

人们认为此材料在应用于既有建筑的加固和修复方面具有很强的吸引力。

笔者对自1997年以来运用FRPs加固结构所取得的进展进行了评论。

此修复技术包括：

利用FRP外套对柱子加固或抗震应用，利用FRP外套和纤维板加固梁，及其在砌体和其他结构类型中的应用。

关于FRPs修复技术中的耐久性因素得于讨论。

关于此技术在领域内取得的进展得于评价。

最后对制定FRPs技术的设计规范和实用指导进行了初步探讨。

1.引言

近年来FRPs在土木工程领域的介入与推广非常迅速。

FRPs优越的材料性能使其具有巨大的吸引力，并在土木工程结构领域得于广泛应用。

关于FRPs加固结构的最初观点及实例见相关文章[1]。

运用FRP加固或修复的实例与前景在会议论文集、主题讲座及期刊的文章中均可参阅[2-6]。

以上提及的参考信息为这一技术阐述了详细的背景而且也为技术的研究发展运用提供展示平台。

此技术领域的知识体系正不断庞大，科研活动水平不断提高，证实FRPs正广泛为土木工程业内人士所接受。

工程结构的修复是大量的；全球范围内的桥梁或由于恶化和腐蚀导致结构缺陷，或由于使用荷载和交通容量已超出先前的设计指标而导致功能陈旧；同样诸如停车场和城市工程结构方面的问题。

尽管FRPs比常规的建材贵，但以FRP修补方法代替传统修复方法在经济上仍然是可行的，因为可以节约劳动力的花费。

确实，FRPs是未来建材的选择之一，特别是用于震后桥梁和建筑的修复。

本文阐述了运用FRPs加固和修复结构；及所取得的进展；FRPs修复技术中的长期耐久性问题；及其设计指导和规范的创建。

大量的著者和兴趣浓厚的读者对当今和未来的FRPs修复技术谈及了更多相关细节。

人们建议在FRP技术领域成立研究团体而1997年便得于实现，速度之快实是超乎媒体的眼界。

笔者详述了在这一技术领域的国际活动中具有代表性的观点及目前运用FRP修复结构的技术方法。

2.柱的加固和抗震应用

用FRP外套加固修复钢筋混凝土柱子，受到研究者与施工者的好评。

利用FRP纤维布顺一个方向包裹在柱子外围可使柱身得到加强和外部约束。

原型尺寸试验表明：

FRP外套可使柱轴向承载力得于可靠加强，并明显增加延性。

最近的进展中，经FRP封套后承受单冲与周期荷载的预测型模型制作得相当准确。

大量的此类模型在试验中得于应用。

这些测试虽然是实施于小样本模型，但推测到大尺寸柱子时测试结果的准确性仍然可以得到证实。

以FRP外套修整钢筋混凝土柱以加强其抗震性能是一个令人重视的话题。

最近一研究中，先观察在地震型荷载下柱子最初破坏时的特征，然后以FRP外套修复，结果柱子仍能继续承受地震型荷载[16-18]。

诸如此类的研究为大尺寸样本提供有价值的试验数据并且证实了此种修复技术的有效性。

在重叠拼接处的抗弯剪能力的加强也得于证实。

试验表明：

设计得当的外套用于柱子加固，可以阻止在铰接处的拼接破坏，加强弯曲延性，并且在脆性剪切破坏转向无弹性弯曲变形的范围内提供足够的抗剪强度。

3.以FRP外套和纤维板加固梁

利用FRP纤维板提高钢筋混凝土梁的抗弯能力，这一研究的先头工作最初在15年前由瑞士的联邦材料测试研究中心（EMPA）的Meier小组进行[10]。

EMPA对钢板加固梁的研究显示，尽管钢板加固是成功的。

但它还有一些不足。

其中很大的困难就是将沉重的钢板安装到所需部位的过程，以及粘结接触面钢板被腐蚀的可能性，以及钢板拼接接缝的问题。

这些困难促使EMPA小组去研究以轻质碳纤维材料代替钢板。

之后人们对此产生浓厚兴趣并进行了大量研究。

详述如下。

3.1抗弯加固及分析

用FRP外套和纤维板粘结于钢筋混凝土梁能获得预期的加固效果。

然而就最终破坏时弯曲变形有一定程度的减少而言,这一般也会伴随着一部分延性的损失。

多种的破坏形式如：

粘结板的受拉破坏，受压区的混凝土破坏，以及突发或持续的纤维板剥离破坏[1]。

最近在FRP纤维板加固梁的研究中，集中研究了多种破坏形式和预测结构最终破坏的分析模型。

目前利用一些准确的模型可以捕获诸如材料的非线性特征、混凝土开裂后的性能、混凝土与钢筋之间的相互影响、及FRP的增强效果这些重要信息[20-23]。

有效的梁腹锚固可以防止剥离破坏[24,25]。

另一重要研究成果就是将此加固技术用于有初期裂缝的梁[26,27]。

3.2粘结与荷载传递

FRP梁加固令人重视的另一方面就是混凝土与FRP加固层接触面之间的粘结性能和荷载传递。

为了加强对应力分布的理解和对破坏的预见，研究者进行了大量的分析和试验。

最终成果是建立了FRP加强体系以避免出现过早的纤维板破坏。

3.2预应力FRP纤维布

最新研究的又一成果是利用FRP纤维布和纤维板预应力加固梁[33,34]。

这项研究发展了FRP加固中锚固和预应力施加的一个全新体系。

人们通过实验室观察和建立模型，来研究预应力加固钢筋混凝土梁或预应力梁的方法。

预应力FRP加固可以有效地减少裂缝宽度和延缓开裂时间。

因此，当对纤维布或纤维板施加预应力后梁的适用性得于改进。

与非预应力FRP加固梁相比，预应力FRP加固梁会让梁的强度得于轻度提高，而且预应力使得FRP得于更有效的利用，因为预应力可使梁的整体变形减小[33]。

而且，预应力可以降低中和轴的位置使更多的截面处于受压状态，使混凝土更有效地参与工作。

3.4疲劳性能

对处于周期荷载下的FRP加固梁的性能的研究也在进行。

最大成果就是运用预应力加固在钢筋混凝土梁的受拉面粘贴碳纤维布，然后对它进行疲劳性能的观察研究。

结果表明利用FRP加固后的梁的抗疲劳性能得于加强[35,36]。

　　对矩形或T形截面梁进行单冲和周期荷载作用下的破坏试验，通过一定方法分析疲劳性能并与试验结果相比较[36]，在周期荷载作用下运用预应力加固的梁的应变能力得于估计，并建立一设计模型，用于研究以FRP薄材阻止疲劳破坏。

对于用碳纤维加固常规钢筋混凝土梁或预应力梁后的疲劳寿命的预测，这一分析模型给出了良好而偏于安全的结果。

3.5抗剪加固

除抗弯加固，用FRP纤维布或纤维板提高钢筋混凝土梁和预应力梁的抗剪强度的研究也在进行[37-41]。

各种修复方法正在被检验。

比如利用板条或平板材料粘于梁侧或采用U形FRP封套粘于梁侧和梁底。

通过大量建模研究，确立了新型的抗剪加固体系[40]。

研究证明采用FRP修复技术可明显提高抗剪强度。

破坏的形式和抗剪强度提高的程度，主要取决于粘结与锚固方式。

目前正研究采用FRP纤维布综合提高抗弯和抗剪强度。

如果FRP加固方法设计得当，可使梁的脆性破坏转化为延性的弯曲破坏。

4．砌体及其他结构方面的应用

尽管FRP修复用于钢筋混凝土结构的研究最广泛，但在其他结构中也值得运用,有关砌体方面的早期研究见相关文章[1]。

最近更深层次的研究正在开展[42-44]，包括同时采用FRP材料的束条和纤维板，相关的各种锚固体系，预应力的施加，温度影响和各种荷载条件，试验表明FPRs无可争议地可以提高砌体结构的强度与延性。

人们对FRPs在结构修复中的一些特殊运用展开研究。

采用FRPs薄材加固墙间的钢筋混凝土柱便是一个实例（墙间柱以常规钢筋混凝土为材料但宽厚比达到五-六）[45]。

此项研究开创了一种新的轴向加固体系，可使墙柱体系的强度提高40%。

FRP加固技术运用于砌体结构[46]，木结构的拼接接点的抗弯加固[47]，混凝土和钢结构的梁柱节点的加固[49]，和钢构件的裂缝的修补[51]。

5．FRP修复技术的耐久性问题

FRPs材料在粗糙和腐蚀环境下的性能目前备受关注。

的确在过去两年多的会议中多次论及FRP材料的耐久性问题[2-5]。

目前美国对此进行了大量研究[52]。

最近对FRP修复体系的研究表明：

如果材料的树脂成分没有足够的吸湿性能，那么它的化学成分将不可避免地分解还原[53]。

在严寒地区采用FRP修复技术也受重视。

在严寒气候中的已经FRP加固的混凝土结构的性能正被研究。

经受自然条件和实验室加速条件下的碳纤维包封的试块的研究表明：

在抗拉强度与粘结性能方面材料具备足够的抗风雨性能，而且在冻融条件下表现出良好的延性[54]。

在FRP封套的混凝土试块的研究中，尽管试块在冻融条件下的延性与强度都比室温下要降低且脆性有所提高[55,56]，然而由于在冻融条件下 FRP包裹的试块比同条件下的混凝土试块有明显提高，因此在冻融条件下加FRP外套可以使试块强度恢复到室温下的水平。

最近对在冻融条件下梁受FRP加固的影响程度进行了分析，证实冻融循环并没有导致粘结性能的恶化。

此外，还对在干湿条件下的FRP加固梁的性能加于研究[58,59]。

初步证明此条件下FRP梁并无明显的破坏。

另一方面是针对利用FRP套修复因钢筋腐蚀而损坏的梁这种情况下的延性性能的研究[60]。

这项工作中，改进了混凝土柱腐蚀的实验室模拟技术。

在加速腐蚀条件下大尺寸构件的试验研究中，在柱腐蚀过程中的FRP的影响得于估计。

大量的与延性相关的研究直到目前才展开。

现在仍有很多问题和争论有待解决。

诸如人为促成条件和真实条件下的相互的关系，从小尺寸样本试验推断原型尺寸的结果的准确性。

而且，每一个研究中实验室的模拟环境差异很大，因此很难对已有数据进行综合分析。

所以对特殊环境下的FRP技术体系的研究目前不能得到确切结果。

而时效加速的实验室条件的建立无疑会有助于我们对FRP加固技术中的延性特征有基本了解。

6．应用与评价

在过去的几年里，FRP修复技术很显著地在全世界范围内得到大量实际应用。

最典型的是在钢筋混凝土、砌体及木结构中的应用[1,6,8-10,12-49,61-66]。

最近FRP修复工程的项目面极广，如梁柱加固、震后修复、腐蚀损坏的梁的修复、及应用于各种结构构件，如桥面、基桩、预制预应力壳、烟囱、灯塔、屋面、预应力水池等。

而且这些修复工程是在相当宽泛的环境条件下进行的。

几年来，刚开始很多实例用来被“演示”，其主要目的是以其价值收益来说服人们使用这种较新的FRP修复技术。

由于FRP修复技术以往的成功，此项技术以令人惊讶的速度被推广使用。

日本自1993年来用于修复所需的FRP材料量每年以3倍的速度在增长，1996年估计要125吨[6,61]。

同时在南亚对FRP材料的需求估计价值将达到120亿美元。

Meier[10]说自1991年来世界范围内已有一千多个结构运用FRP纤维板进行预应力加固。

另一个能表明市场需求快速增长的实例：

如在美国一个停车场的上坡道就用了18500平方米的FRP材料。

另一重要方面是对各种加固技术进行现场评价。

其中包括原位荷载试验[67,68]，利用纤维传感器长期监视结构的行为[64]。

积极的观测结果使FRP修复技术得到广泛的支持，而且也以它的可靠度、耐久性及经济效益说服人们利用此种新技术。

7．制定设计规范的进展

在FRPs运用于日常的结构修复加固之前，应当制定可利用的规范指导。

近来，研究者们推出了很多实用指导和设计程式，以及基于商业经济收益的设计参考。

可行性规范的公式化正处于初步探讨之中[6,11,69-76]，并且人们期望在不久的将来规范能够进一步具体化。

很明显，在制定FRP加固修复工程的设计规范时，保持规范在国际范围内的一致性和通用性是全球研究者值得努力的目标。

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