纤维增强复合材料在工程加固中的应用和探讨

李 延，何 远，窦 勇

（滁州职业技术学院，安徽 滁州 239000）

纤维增强复合材料在工程加固中的应用和探讨

李 延，何 远，窦 勇

（滁州职业技术学院，安徽 滁州 239000）

本文介绍了纤维复合材料研究现状与工程中的应用。对研究和应用现状进行了总结与分析，对复合材料的研究和应用前景作出展望，为将来更加深入的研究和更广泛的应用打下了一定的基础。

复合材料；研究；应用；展望

一、概述

材料的发展是人类进步的重要标志之一，长久以来人们研究制造材料的方法是通过材料科学家的努力制造出各种新材料，以达到获得更优异性能材料的目的，但是这种方法难度高且周期长。同时，人们也发现将两种以上的材料进行复合能够发挥两种材料的优点从而得到更高性能的材料，更突出的特点是可以对材料进行设计使材料产生各向异性以完成特殊的功能。这无疑在某些方面是材料科学发展的一条捷径。

二、材料性能

作为混杂材料之一的纤维增强复合材料FRP(Fiber Reinforced Ploymer/Plastic)具有突出的优越性能：

(一)试验数据表明FRP强度高可达3000Mpa以上，密度低，约为钢材的1/5，铝的1/4，其比强度和比模量都比钢、铝合金高出很多，是钢的5倍，铝合金的4倍，钛合金的3.5倍。因此，用FRP制件在强度相同的条件下，可减轻构件质量和减小尺寸。这对土木工程抗震尤有意义。

（二）FRP的疲劳性能也具有明显的优势。一般认为疲劳破坏是由于在材料内部存在着微小的裂纹，因而存在应力集中现象，在交变荷载作用下微小裂纹不断发展又进一步加大了裂纹的发展，减小了受力面积并加大了应力集中现象，从而使其在远小于其破坏强度的情况下破坏。但是纤维与基体的界面能够阻止裂缝的开展从而提高其抗疲劳性能。

（三）由于比模量高，FRP具有更高的自振频率。使其与土木结构的自振频率有效错开，从而不易发生共振。[5]同时由于基体界面良好的吸能作用使其具有较高的阻尼，降低加速度峰值，这些性能对于抗震具有重要的作用。根据有阻尼体系运动方程，有阻尼体系单质点运动幅值是按指数函数规律衰减的，阻尼不断消耗能量，使得震动减弱直至消失。

几种FRP材料的横向纵向的力学性能见表1。

表1 常用纤维和树脂的力学性能

三、纤维增强复合材料的研究与应用

（一）混凝土加固工程中的应用

在2005年，中国水利水电科学研究院结构材料所曾会同北京中水科海利工程技术有限公司对秦屯泄洪闸使用FRP碳纤维布进行了加固。该闸建于上世纪60年代，至今已运行40余年，结构出现了严重的老化，主要是闸墩的贯穿性裂缝冻融剥蚀混凝土碳化和剥落，严重地影响了结构的安全。经现场检测表明，在每个闸墩均存在沿弧门支臂方向的裂缝，裂缝的长度为2.5m～4m不等，裂缝宽度为0.5mm～1.0mm，均为贯穿性裂缝，闸墩前水平向裂缝一般长3m左右，从牛腿前部延伸至弧形闸门轨道处，裂缝宽度为7mm～10mm，均为贯穿性裂缝，竖向裂缝一般发生在牛腿的前后，从牛腿高程处基本裂至底部，缝长超过3m，缝宽约5mm，也均为贯穿性裂缝，其它细微裂缝较多。该破坏造成的问题主要是在结构的设计受压区出现了拉应力，以及桥墩沿水平裂缝的抗滑移失稳。经设计采用的加固措施是：对于贯穿性裂缝的修补，首先对裂缝内部进行化学灌浆，灌浆材料为改性环氧树脂浆材，然后在胶材上沿垂直裂缝方向粘贴双层碳纤维布进行加固。对锈蚀的钢筋则先进行除锈处理，除锈后在钢筋表面涂一层防锈漆，采用立模浇筑聚合物混凝土，回填处理钢筋时开的槽，3天后拆除模板，将混凝土表面打磨平整，然后在修复后的裂缝表面上，沿弧门推力方向粘贴双层碳纤维布（CFRP），进行补强加固处理。该闸经加固后使用至今，经验证效果良好。

在该加固工程中，加固理论是在受拉裂缝区以垂直裂缝方向粘贴FRP纤维布，因为主拉应力垂直于裂缝方向，将混凝土的拉应力传递给FRP纤维布，由于FRP布的强度远大于混凝土的拉应力从而达到加固效果。可以设想粘贴的纤维布在满足荷载的前提下应该尽可能的减少用量，一方面可以减少造价，另一方面利于提高结构的整体性能。这就需要对FRP布的粘贴数量与方向进行优化设计。

（二）木结构加固工程中的应用

我国曾对天安门城楼大型木柱采用碳纤维布进行加固，使用表明这种加固有效地提高了强度，延长了使用年限。2000年，同济大学预应力研究所和上海同吉预应力工程有限公司采用CFRP片材加固上海财经大学24m跨度的木结构，使用至今效果良好。经试验验证该种加固方法可以提高木结构的轴心抗压能力20%～30%。其加固形式如下如图1所示。

这种加固方法的原理是利用纤维布的握裹力来增强结构的轴心抗压承载力和极限变形，因为立柱在三向应力作用下的强度与变形均大大提高了。

图1

（三）FRP片材加固结构的试验研究

2005年，武汉大学土木建筑学院使用纤维片材加固地下管道的试验。地下管道加固试验的研究有两个内容，分别为地下管道受内部液体压力作用下的加固和地下管道受外部压力下的加固。其受力与结构简图如图2所示：

图2

这两种实验的加固方法均为在管道内壁粘贴FRP碳纤维布。试验结果[1]表明两种情况下管道的承载能力均产生了明显的提高，外压力作用下极限承载力提高效果达到46.8%[3]，内压力作用下达到了24.2%[4]。

利用弹性力学理论[2]对该实验进行分析，在上述实验中虽然粘贴纤维布的形式是相同的但是加固机理是不同的。我们将圆环取出一个微段分析其内力，如图3所示：

图3

在弹性体小变形条件下，承受内压力圆环的内力计算公式为壁拉应力是外壁拉应力的1.22倍。内壁用FRP布加强后管道的破坏则由外壁强度来决定，这一结论也与试验相符合。这说明在内压力下内贴纤维布的方法是可行的。

在外压力下，σφ的值为压应力，纤维布不能直接承受荷载，而其极限承载力确提高了46.8%。这是因为当管道发生较大的变形后管道上下的内壁产生了拉应力，纤维与混凝土和钢筋共同工作从而提高了承载力。同时试验说明在纤维用量相同的条件下保护层厚度，粘贴方式和施工工艺对承载力的提高也有明显的影响，这是因为承载力的提高不只取决于加固材料的强度而且与内力重分布有重要的关系。

通过上述分析，我们可以得出结论：该试验在利用FRP增强复合材料的高强抗拉能力没时有对纤维与基体材料的协同工作和内力重分布建立严格的理论。因此在进行加固设计时，除了需要考虑加固材料的强度外，还应该考虑塑性内力重分布和保护层厚度、粘贴方式等因素才能满足设计和研究的需要。

四、前景与展望

综上所述，在将来的研究当中应该建立结构的整体应力应变本构关系，建立纤维最佳用量的计算模型。而且由于混杂材料的离散性比较大，粘贴和缠绕方式还不规范都急需建立相应的计算公式和标准。通过本文可以看出现有的研究和应用大多是碳纤维和环氧树脂进行复合，这种复合材料存在着碳纤维材料刚度低没有塑性流动阶段等缺点，由于强度太高和价格原因结构体在弹性小变形阶段直接使用FRP进行加固是不经济的。但极限强度高可以设想将碳纤维和金属基体混合后的材料将具有两种材料共同的优点。如果使用复合材料对工程结构进行定向设计，增大其阻尼，并充分发挥其二次刚度将具有广阔的前景。

[1]庄荣忠，杨勇新.FRP加固木结构的研究和应用现状[J].四川建筑科学研究，2008，（5）：89-92.

[2]徐芝纶.弹性力学简明教程[M].北京：高等教育出版社，2009.

[3]章卫松，陈尚建，刘逸敏.纤维材料加固钢筋混凝土压力管道的试验研究[J].中国农村水利水电，2005，（6）：56-58.

[4]刘逸敏，陈尚建，章卫松.纤维材料加固钢筋混凝土压力管道的试验研究[J].中国农村水利水电，2005，（5）：67-69.

[5]周祖福.复合材料学[M].武汉：武汉理工大学出版社，2009.

TU337.9+4 < class="emphasis_bold">文献标识码：A

A

1671-5993（2011）04-0065-03

2011-11-25

李延(1979-)，男，河南开封人，滁州职业技术学院土木系教师。

何远(1971-)，男，河南开封人，河南大建建筑设计有限公司工程师。

窦勇(1986-)，男，河南开封人，河南大学土木建筑学院结构工程硕士研究生。