fr复合材料在结构加固工程中的应用

FRP复合材料在结构加固工程中的应用

通过介绍FRP复合材料，因其轻质高强、高弹模、耐腐蚀性能好及抗冲击

性能好等一系列优点，在桥梁、地铁及一些工业厂房等混凝土结构的加固与修复

领域中，应用潜力巨大。

土木工程学科的发展，在很大程度上依赖于性能优异的新材料新技术的应用

和发展。在已有结构的加固改造领域，不仅要求材料经济美观、便于施工，且要

求施工后的结构承载力能够明显提高。而FPR复合材料以其优异的力学性能和广

泛的适用性发挥着越来越重要的作用。

FRP(fibcrreinforccdplastics)复合材料主要有碳纤维(CFRP)、芳纶纤

维(AFRP)及玻璃纤维(GFRP)等,其材料形式主要有片材、棒材和型材。FRP

的共同优点是：轻质高强、高弹模、抗疲劳、耐腐蚀耐久性能好、热膨胀系数低

等。另外，FRP复合材料可以节省材料、自由裁剪、施工方便且速度快，虽然其

前期投资较大，但维护成本低，经济效益明显。因此，FRP(片材)复合材料在

土木结构加固工程中应用潜力巨大。

1、FRP复合材料的基本特性

随着增强纤维材料的发展，碳纤维、芳纶纤维及玻璃纤维已经成为当前结构

工程中加固补强的重要材料。一些典型的FRP(片材)复合材料的基本力学性能

见下表。

FRP复合材料的性能各异，在拉伸强度及拉伸模量方面，玻璃纤维和芳纶纤

维一般比碳纤维低1/3左右；在断裂延伸率方面，芳纶纤维一般是碳纤维的2

倍左右，玻璃纤维一般比碳纤维高70与左右；在韧性、抗冲击性能方面，芳纶纤

维和玻璃纤维要比碳纤维好得多；在抗碱腐蚀方面，芳纶纤维和玻璃纤维则不如

碳纤维好。关于其它方面的性能差异，这里不再赘述。

2、FRP复合材料在结构加固工程中应用领域

2.1民用建筑、桥梁及工业厂房

FRP复合材料因其优异的力学性能，在民用建筑及工业厂房的加固中应用很

多，主要有：①梁加固。加固的作用包括抗弯和抗剪。在进行抗弯加固时，FRP

复合材料的纤维方向与梁的轴向一致，一般贴在梁的受拉侧，已提高梁的承载能

力。据有关试验得出，只要该梁不是超筋梁，贴一层AK-60可以提高承载力30%

左右，贴两层可以提高40%左右；在进行抗剪加固时，FRP复合材料的纤维方向

与梁的轴向垂直；②板加固。一般对于板的加固净空要求比较高，而且加固后不

影响其外观，所以用厚度很薄且柔软的FRP复合材料进行加固是一种理想的选

择；③柱加固。芳纶纤维布、玻璃纤维布是比较理想的柱加固材料。因为它们的

弹模小，相对于碳纤维（弹模235Gpa）,其延性较好；并且，在进行棱角打磨时

一般只需要10mm左右，一般不需打磨，而碳纤维则需要30mm左右，若采用芳纶

纤维就可以节约很多工时。

2.2地铁、隧道

因地铁和隧道是一种在地下工作的结构，所以它的受力与地面结构是不一样

的。在洞顶和洞侧，它都有土压力的作用，而且也有净空的要求，所以进行裂缝

修补时，传统的加固方法不可行，而用芳纶纤维布（不导电）进行加固维修就可

以满足它的各方面要求，因为在地铁或隧道的拱顶或侧壁的裂缝一般是多向且不

规则的，这就要求修复材料必须具有良好的抗剪性能，而且还是一种不导电的材

料，所以芳纶布在隧道地铁工程中是一种最佳的选择。

2.3烟囱、水塔

由于烟囱水塔这样向高空发展的结构，加固维修特别困难，传统加固方法（如

扩大截面法、粘钢法）基本上很难解决这样的问题，而采用轻质高强、耐腐蚀、

耐久性能都很好的复合材料（尤其是芳纶纤维）进行加固，就是一种很好的方法。

3、几种加固方法的比较

3.1扩大截面法

这种加固方法是通过增大受力面积来提高结构的承载力，一般用在一些较小

且对净空没要求不高的结构中。这种方法虽然具有成本较低的优点，但是增加了

原结构的自重，同时减小了净空，工期长，有很大的局限性。目前，在较大的工

程中很少用。

3.2粘钢法

在用钢板加固时，一般将钢板贴在被加固的结构受力部位的外边缘，同时封

闭粘贴部位的裂缝和缺陷，约束混凝土的变形。粘钢法加固的特点：①既可提高

结构强度，又可提高刚度；②适应结构（钢结构）又粘又抑，适应节点加固；③

延伸率大，适应冲击、振动结构加固；④钢板表面处理要求严格，粘结面易生锈;

⑤厚钢板端点处应力集中，混凝土易剥离。

由上述可知，采用这种方法加固必须注意几点：①对钢板的尺寸要求很严格。

抗弯时宜薄点，以保证它和原结构的变形协调；抗剪时不仅宜厚点，而且在锚固

时应使端部钢板延伸到应力较小区，防止应力集中造成对结构承载力的损害；②

贴完后，必须对钢板边缘裂缝进行处理；③还要对钢板进行防腐处理.，这也是一

项长期的任务。所以其造价很高，而且它的使用范围还有一定的局限性，一般只

用在刚度要求很严格的地方。

3.3FRP复合材料法

FRP复合材料法加固的特点：①高强度、高弹模，厚度薄、重量轻；②材料

可任意长度，任意交叉，适应任意曲面和任意形状结构；③耐腐蚀，抗疲劳性能

好；④施工简便，与混凝土结合密实；⑤材料防潮要求严格，且不宜加固节点区

域。

在目前的FRP材料加固市场中，碳纤维占的比例最多。碳纤维是一种导电、

易发生脆性破坏的材料，可以承受很大的静载，但在绝缘性要求很高的电气化铁

路、地铁及隧道工程中，不宜采用；同为高强高弹模的芳纶纤维不存在这样的局

限，能经常承受冲击载荷，芳纶纤维的极限破坏形式为塑性破坏，而且还是它的

优势所在，其在抗剪方面也有很大的优势，在加固墩子时一般也是利用它优异的

抗剪性能，但芳纶纤维在裁剪时须用专门的陶瓷剪刀。

4、FRP复合材料的选择

4.1环境影响

在高碱度和高潮湿度的地区，宜选择碳纤维复合材料，不宜选择玻璃纤维复

合材料；在温度变化较大的地区，玻璃纤维的热膨胀系数与混凝土相似，宜选择

玻璃纤维；玻璃纤维和芳纶纤维是良好的绝缘体，而碳纤维是可导电体，为避免

钢筋的潜在电流腐蚀，碳纤维材料不应与钢筋直接接触。

4.2荷载影响

对于经常承受冲击或振动荷载的结构，应优先选择芳纶纤维和玻璃纤维复合

材料，它们的韧性、抗冲击性能都比碳纤维复合材料好；对于要求耐蠕变和疲劳

的结构，应优先选择碳纤维复合材料，碳纤维材料耐蠕变和疲劳的能力比芳纶纤

维和玻璃纤维材料好得多。

4.3保护层影响

保护层的厚度和类型应根据FRP复合材料的要求选择。对环境的抗力（如潮

湿、温度、冲击、曝晒等）、施工现场抗力、人为破坏的抗力等，应采取有效的

保护措施，以免使FRP复合材料的力学性能减退。保护层通常采用两种方法：①

在FRP复合材料外加惇树脂胶层，提供有弹性的保护层；②在FRP复合材料外粉

抹一层