FRP 約束混凝土柱發(fā)展現(xiàn)狀簡述

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編者按：近年來，F(xiàn)RP 在國內(nèi)外土木工程中已開始被廣泛應用，尤其是用于結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的修復與加固。FRP 的一個重要應用方向是將其用于約束混凝土，即通過FRP 的約束使混凝土處于三向應力狀態(tài)，從而提高其強度，改善其塑性和韌性性能。

　　目前，國內(nèi)外針對FRP 約束混凝土已開展過不少研究，取得了不少研究成果。對一些熱點問題，如構(gòu)件的承載力、徐變性能、抗震性能、抗火性能以及火災后的構(gòu)件修復加固等，研究工作還在不斷深入當中。現(xiàn)特刊登幾篇有關(guān)這方面的最新研究成果，已饗讀者。

摘要： 作為一種在土木工程中開始被廣泛應用的新型結(jié)構(gòu)材料，F(xiàn)RP 具有輕質(zhì)、高強、抗腐蝕和耐疲勞等優(yōu)點，近年來備受國內(nèi)外土木工程界的關(guān)注。簡要介紹了FRP 約束混凝土在土木工程中的應用， 并對其研究現(xiàn)狀進行簡述，最后探討了值得進一步深入研究的若干關(guān)鍵問題。

關(guān)鍵詞： FRP 約束混凝土　柱　組合作用　修復　加固　耐火極限　徐變

　　FRP (Fiber Reinforced Polymers) 是指以纖維或其制品作為增強材料的一種復合材料，它以樹脂基體為分散介質(zhì)，以增強材料為分散相，二者的有機組合使所制成的FRP 復合材料具有單獨組分所不可比擬的如耐腐蝕、抗疲勞、比強度和比模量高等諸多優(yōu)點。

FRP 品種繁多，性能各別，用途廣泛，目前在國內(nèi)外土木工程中應用較多的主要有玻璃纖維增強復合材料(GFRP) 、碳纖維增強復合材料(CFRP) 和芳綸纖維增強復合材料(AFRP) 等。其中GFRP 在我國早在20 世紀五六十年代就已開始應用，目前已廣泛應用于國防、船舶、化工、建材等諸多領(lǐng)域。相對GFRP而言，CFRP 和AFRP 通常具有更高的強度和彈性模量，近二十年來發(fā)展非常迅速，已在很多領(lǐng)域得到廣泛應用，目前雖仍存在價格較高的瓶頸，但相信在不久的將來隨著其性價比的不斷提高，工程應用也會更加普遍。

FRP 的一個重要應用方向是將其用于約束混凝土，即通過FRP 的約束作用使混凝土處于三向應力狀態(tài)，從而提高其強度，并改善其塑性和韌性性能。目前國內(nèi)外針對FRP 約束混凝土已開展過不少研究，研究工作還在不斷深入當中。

本文首先就FRP 約束混凝土在土木工程中的應用進行簡要介紹，然后介紹其研究的現(xiàn)狀，最后探討值得進一步深入研究的若干關(guān)鍵問題。

1 　在土木工程中的應用

FRP 在土木工程中的應用大致始于20 世紀60年代[1～6 ] 。最初主要是將其制成筋材，以實現(xiàn)在腐蝕環(huán)境下代替普通鋼筋或預應力鋼筋，另外還有少數(shù)工程將其制成薄殼和折板等。FRP 在土木工程中的大規(guī)模應用始于20 世紀80 年代，尤其是在經(jīng)歷了洛杉磯(1994) 和阪神(1995) 等幾次大地震后，不少國家都對既有建筑結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)的修復和抗震加固提出新的要求，而FRP 能很好地滿足這方面的需要，其中FRP 約束混凝土是其中較合理的一種應用。FRP 約束混凝土主要存在兩種應用形式：一種是將FRP 沿柱環(huán)向纏繞，另一種是在FRP 管中澆筑混凝土。前者主要用于修復加固，而后者主要用于新建工程中。

FRP 約束混凝土可廣泛應用于土木工程各領(lǐng)域，如建筑結(jié)構(gòu)、橋梁結(jié)構(gòu)和地下結(jié)構(gòu)等，以下對其作一簡要介紹。

1.1 　建筑結(jié)構(gòu)

FRP 在舊有民用建筑的維修加固中已被大量采用，如美國Texas Hamilton 飯店，部分柱子采用FRP進行了維修加固;美國Bergstroms 機場的Hilton 飯店的柱結(jié)構(gòu)也采用了類似的加固辦法。

日本目前也有大量利用FRP 對民用建筑結(jié)構(gòu)中的柱子進行修復加固的實例。文獻[ 7 ]的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，在日本利用FRP 對一般建筑物和橋梁進行加固分別占到總加固量的45 %和40 % ，其余則是對煙囪、隧道及其他形式結(jié)構(gòu)的加固。

目前，在建筑結(jié)構(gòu)中的加固大都將纖維沿柱環(huán)向纏繞。關(guān)于如何將預制FRP 管用于約束混凝土已有一些理論和試驗研究，相信不久的將來其在新建工程中的應用也將快速增長。

1.2 　橋梁結(jié)構(gòu)

近年來，在美、日等國利用FRP 對橋梁柱進行修復加固已經(jīng)得到了較為普遍的應用。其方法主要有三種：直接粘貼預制好的板殼、現(xiàn)場繞絲后用樹脂浸漬及粘貼FRP 布。如美國在Sacramento 西部Yolo高架橋中3 000多根柱都采用了GFRP 的預制護套加固，加固時安裝了無損監(jiān)測儀以監(jiān)測這種外粘了護套的組合柱體系工作性能，結(jié)果證明這種組合柱的工作性能良好。同樣采用FRP 對橋梁進行加固的還有日本的Shinmiya 橋、Tabras Golf Club 橋、Birdie橋和Sumitomo 橋等，美國的Rapid City 橋，德國的Lunensche2Gasse 橋、Ulenberg2Strass 橋和Ludwigshafen橋等[8 ] 。采用FRP 對舊橋進行修復加固一般可以做到節(jié)約勞動力和節(jié)省大量后期維護費用。相對于修復加固而言，目前直接將FRP 管材用于新建橋梁中形成FRP 約束混凝土的實例還不多見，但也已經(jīng)在美國的示范工程中被采用， 如美國的I - 5PGilman 橋[9 ] 。該橋是一座長137m 的雙翼扇形斜拉橋，用于連接被州屬公路分成東西兩半的加利福尼亞大學的San Diego 校區(qū)。該斜拉橋的三角形橋塔高58m ，采用了內(nèi)填混凝土的CFRP 約束混凝土組合體系，所用的圓形CFRP 管的內(nèi)徑為1.52m ，壁厚13mm ，管內(nèi)澆筑普通混凝土。該CFRP 管的設(shè)計是以其縱向碳纖維抗彎，橫向纖維抗剪并對其內(nèi)部的核心混凝土起到約束作用，同時還在CFRP 管的內(nèi)部設(shè)置了橫向加勁肋，以保證管與混凝土之間力的傳遞。該橋的縱向連續(xù)梁也采用了內(nèi)填輕質(zhì)混凝土的CFRP 管。

近年來，在國內(nèi)利用FRP 對橋墩柱進行修復加固也有所應用。如位于江蘇省如皋市東陳鎮(zhèn)317 國道上的雙池橋，在使用過程中有兩根鋼筋混凝土橋墩柱被河道運輸船碰撞而出現(xiàn)環(huán)向貫通性裂縫，為保證橋梁的正常使用，在橋墩柱的裂縫部位采用外貼CFRP 進行了修復加固，該工程于2001 年6 月完工。

1.3 　地下結(jié)構(gòu)

由于FRP 具有耐腐蝕的優(yōu)點，用于地下結(jié)構(gòu)具有明顯的優(yōu)越性，例如美國紐約在許多地鐵站的頂板和站臺柱結(jié)構(gòu)中采用了FRP。此外，將FRP 約束混凝土用于預制樁也有較好開發(fā)應用前景。

除上述應用領(lǐng)域外，尚有FRP 在桿塔結(jié)構(gòu)、儲液罐、管道和煙囪結(jié)構(gòu)中應用的報道。例如由美國Delta 結(jié)構(gòu)技術(shù)公司負責加固完成的Alamo QuarryMarket 煙囪采用了FRP 進行加固。

2 　力學性能研究現(xiàn)狀

隨著FRP 約束混凝土在實際工程中應用的日趨廣泛，有關(guān)其力學性能的研究也不斷深入，其中的熱點問題除應力- 應變關(guān)系研究外，還包括構(gòu)件的承載力、徐變性能、抗震性能、抗火性能以及火災后的構(gòu)件修復加固研究等。

2.1 　應力- 應變關(guān)系

關(guān)于FRP 約束混凝土的應力- 應變關(guān)系目前已有大量研究成果[10～16 ] ，其中以對圓形截面的研究居多，近來開始大量研究方、矩形截面。基于試驗觀測，不同研究者對FRP 約束混凝土的應力- 應變關(guān)系描述基本一致[10～16 ]：FRP 約束混凝土在彈性階段的應力- 應變關(guān)系曲線和無約束混凝土的曲線基本重合，表明此時FRP 基本未對混凝土產(chǎn)生約束作用。隨著荷載的繼續(xù)加大，當混凝土的應力接近素混凝土抗壓強度時，素混凝土由于沒有橫向約束作用，在豎向產(chǎn)生一些微細裂縫，并不斷擴展，最終導致混凝土被壓碎，應力- 應變關(guān)系進入下降段;而FRP 約束混凝土在軸向加載過程中隨著混凝土的橫向膨脹，將促使FRP 的環(huán)向應變迅速增長，反過來又對混凝土提供有效的約束，使混凝土的應力仍能有效增長，其增長的幅度將取決于截面形狀、FRP 加固量、纖維纏繞方向等因素，此時試件的極限強度和變形能力均有明顯提高。加載后期，由于FRP 約束大小的不同，約束后混凝土的應力- 應變關(guān)系存在強化和軟化兩種情況。對于方形或矩形等非均勻約束截面，F(xiàn)RP 的約束效果要稍差，大都出現(xiàn)軟化現(xiàn)象。試件最終破壞是由于FRP 達到極限應變而被拉斷，破壞的發(fā)生具有突然性。

為模擬上述應力- 應變關(guān)系，不同研究者先后提出了不下數(shù)十種計算模型，不同模型的計算結(jié)果尚存在較大差別。這些模型大致可分為用于設(shè)計和用于分析兩類。用于設(shè)計的模型是基于對大量實測應力- 應變關(guān)系曲線的統(tǒng)計分析，采用不同的方程形式對其進行直接模擬。模型間的主要差別在于如何合理考慮FRP 對混凝土的約束作用。由于試驗時所用的纖維特性、樹脂特性、纖維鋪設(shè)方向、截面形狀及混凝土特性等均不盡相同，加上試驗結(jié)果本身存在離散性，目前尚沒有一種被廣泛認可的模型。用于分析的模型是基于混凝土的側(cè)向膨脹規(guī)律，計算FRP 的應力和混凝土受到的約束力，根據(jù)已有的受定側(cè)壓力下混凝土的應力- 應變關(guān)系來確定FRP約束混凝土的應力- 應變關(guān)系。由于FRP 對混凝土的約束是被動的，上述計算需要通過大量迭代才能完成[16 ] 。用于分析模型的計算結(jié)果是否足夠準確主要取決于對混凝土側(cè)向膨脹規(guī)律模擬的準確程度。相信在將來一段時間內(nèi)，如何準確模擬FRP 約束混凝土的應力- 應變關(guān)系，仍是研究中的一個熱點。

2.2 　純彎和壓彎構(gòu)件力學性能

在實際結(jié)構(gòu)中，由于構(gòu)件都具有一定的長細比，且荷載大都存在偏心，因而有必要研究FRP 約束混凝土純彎和壓彎構(gòu)件的力學性能。相對應力- 應變關(guān)系研究而言，有關(guān)構(gòu)件力學性能的研究開展尚不夠充分[17～24 ] 。

已有研究結(jié)果表明[17～24 ] ，在通常長細比下，F(xiàn)RP的約束作用仍可有效提高純彎和壓彎構(gòu)件的極限承載力和變形性能，且提高幅度隨構(gòu)件的長細比及荷載偏心率的增大而呈現(xiàn)明顯降低的趨勢。由于FRP對圓形截面的混凝土約束效果較好，因而即使在大長細比情況下， FRP 的約束作用仍能得以發(fā)揮[22 ] ，但對于大長細比的方形截面鋼筋混凝土柱，未見FRP 的約束作用能提高其極限承載能力，但對偏心距較小構(gòu)件其延性有所改善[23 ] 。由此可見，要對該類構(gòu)件進行修復加固尚需開展進一步的深入研究。

2.3 　長期荷載下性能

收縮和徐變是混凝土在長期荷載作用下的固有特性。FRP 約束混凝土的核心混凝土收縮和徐變特性與普通混凝土的區(qū)別主要在于： FFP 約束混凝土在受力過程中，核心混凝土由于受到FRP 的約束可能會處于復雜受力狀態(tài)，且其核心混凝土通常處于密閉環(huán)境條件。

文獻[25～28 ]針對FRP 約束混凝土軸心受壓短柱進行了長期荷載作用下的變形試驗和理論分析。結(jié)果表明，在長期荷載作用下，試件早期變形發(fā)展很快，后期趨于穩(wěn)定。與素混凝土相比，F(xiàn)RP 約束混凝土試件的收縮應變約為素混凝土試件的10 %～20 %。如采用FRP 管約束混凝土，在長期荷載作用過程中，F(xiàn)RP 管和混凝土之間將存在應力轉(zhuǎn)移。此外，文獻[27 ]還在長期荷載作用結(jié)束后測試了構(gòu)件的承載力，表明長期荷載作用與否對FRP 約束混凝土軸壓短柱的極限承載力影響很小。由于在長期荷載作用下，大長細比構(gòu)件會產(chǎn)生附加撓度，并有可能引發(fā)構(gòu)件發(fā)生徐變失穩(wěn)。由于該類試驗存在一定難度，目前尚未見有關(guān)這方面的研究報道。

2.4 　抗震性能

FRP 約束混凝土具有良好的動力反應性能，國內(nèi)外不少學者都對其開展過試驗研究和理論分析[29～36 ] ?？紤]到實際工程應用，研究對象一般都是FRP 約束鋼筋混凝土。結(jié)果表明，相對于鋼筋混凝土柱，F(xiàn)RP 約束鋼筋混凝土柱的荷載- 位移滯回曲線均更為飽滿，有較高的承載力、良好的延性和耗能能力。總體而言，采用FRP 約束后，可提高構(gòu)件的延性和抗剪能力。在長細比較小時，與對比構(gòu)件相比，F(xiàn)RP 約束后構(gòu)件的破壞形式通常由脆性剪切破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂醒有缘膹澢茐?。此外，采用FRP 約束后，在鋼筋混凝土柱中有可能大大減少約束箍筋的含量，甚至完全不需要約束箍筋，從而改變了傳統(tǒng)的抗震柱中需配置大量約束箍筋的做法。

2.5 　耐火極限

由于FRP 中的樹脂通常不耐火，因而到目前為止，F(xiàn)RP 常被用于橋梁結(jié)構(gòu)或不需要進行抗火設(shè)計的建筑結(jié)構(gòu)中， 使得FRP 的推廣和應用受到限制[37～38 ] 。近年來，國內(nèi)外已有部分研究者嘗試對其進行研究。雖然目前采用數(shù)值方法計算FRP 約束混凝土的耐火極限并不存在理論上的困難，但如采用防火保護的方法保護FRP 在達到規(guī)定的耐火極限時不發(fā)生破壞，其需要的防火保護層厚度將難以在工程設(shè)計中被接受。一種更為合理的考慮方法是允許FRP 發(fā)生破壞，利用柱構(gòu)件本身具有的耐火性能進行抗火設(shè)計。

2.6 　其他新型FRP 約束混凝土

除上述通常意義上的FRP 約束混凝土外，近年來部分研究者又開始開發(fā)一些新型的FRP 約束混凝土[39～42 ] ，如FRP - 混凝土- 鋼組合柱、FRP 約束鋼管混凝土和FRP 約束型鋼混凝土等。其中FRP -混凝土- 鋼組合柱是指在FRP 管內(nèi)置鋼管，并在兩層管之間灌注混凝土的一種新型組合柱。上述新型構(gòu)件的研究增添了FRP 約束混凝土研究活力。

3 　結(jié)語

由于FRP 約束混凝土在土木工程領(lǐng)域中有著廣闊的應用前景，而有關(guān)其研究和應用的歷史尚不長，除針對上述課題開展進一步的深入研究外，尚有不少迫切需要解決的實際問題，如梁柱節(jié)點區(qū)的錨固、火災設(shè)計方法、火災后采用FRP 加固的應用研究等。

隨著FRP 約束混凝土力學性能研究的日趨深入和完善，相信研究者會更深入掌握其各方面的力學性能，以促進更合理地設(shè)計應用FRP 約束混凝土。

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