FRP复合材料在混凝土结构加固中的应用

王福成，解国梁，郭巍，刘少东

（黑龙江八一农垦大学工程学院，大庆 163319）

FRP复合材料在混凝土结构加固中的应用

王福成，解国梁，郭巍，刘少东

（黑龙江八一农垦大学工程学院，大庆 163319）

利用FRP复合材料对钢筋混凝土梁进行加固，加固后的混凝土梁承载能力能够得到很大的提升，能弥补工程中混凝土梁承载能力的不足。通过工程实例验证，利用FRP复合材料对一住宅楼阳台底板处的悬挑梁进行加固处理，提高了悬挑梁的抗弯承载力，增强了混凝土结构使用的安全性，取消了因需重新浇筑混凝土梁造成的工程造价的增加，具有一定的社会经济效益。

FRP；加固；混凝土结构

目前正处于服役期状态中的建筑物，因受使用环境与自然环境的共同作用，建筑物的使用功能会逐渐减弱，从而对建筑物的安全性、耐久性和适用性有影响，在一定程度上缩短了结构的使用寿命，若拆除重新修建则会造成工程成本大量增加，为了解决这种矛盾，可以对建筑物进行结构检测、维修加固或改变建筑物使用功能。利用特殊材料对结构构件可以进行工程加固，在加固材料的选择上，FRP材料以质量轻便、强度较高等特点在建筑加固领域中得到了广泛研究和应用。对FRP加固技术的研究最早出现于20世纪80年代[1]，德国和瑞士研究的较早，之后美国、日本等国家的科研院校、材料生产商对这方面的工作都进行了研究。利用FRP加固结构构件的技术是一种应用范围较广、加固性能较好的混凝土结构补强加固技术。加固特点是适用面广、耐久性好、耐腐蚀性等优点。

1 FRP材料

由纤维和树脂组成的复合材料，又叫纤维增强聚合物（FRP）[2]，纤维起增加材料强度的作用，基体材料起传递剪力、粘结材料和加固体的作用。FRP材料在结构受力过程中能表现出较强的抗拉强度，其抗拉强度明显高于钢筋，FRP材料与其他材料的力学性能比较，有很多的优点，具体见图1所示。FRP材料也具有良好的抗腐蚀性，对酸、碱及氯盐等物质的化学腐蚀有较强的抵抗力。迄今为止生产和应用的纤维主要是玻璃纤维、碳纤维和芳纶纤维。

图1 FRP材料与其他常用材料的力学性能比较Fig.1Mechanical performance compare of FRP materials with other common materials

2 FRP加固方法

2.1 内嵌入式加固方法

近年来，一些研究人员提出了内嵌入式加固方法[3]，该方法是利用在加固的结构构件表面开浅沟，使用粘结剂将加固材料与结构构件粘结成整体，利用FRP材料的良好的力学性能，使两种材料能够共同变形，协同工作，达到提高构件抗弯或抗剪能力的目的，从而起到加固结构构件的作用。具体施工方法示意图见图2所示：

图2 嵌入式加固法示意图Fig.2Embedded strengthening method scheme

利用内嵌式加固混凝土构件，加固材料放置在混凝土保护层中，外界磨擦和撞击等意外荷载对FRP材料破坏作用能够减少，结构构件承受负弯矩区域的加固效果比较明显，内嵌式加固方法使FRP材料与混凝土的结合面积增加，能提高FRP材料的利用率。

内嵌式加固方法，施工方便，不需要大量的物力、大型工程机械及不占用大的工作空间。在进行内嵌式加固时，为保证施工质量，施工时须按照以下步骤进行：

（1）按照加固设计的要求尺寸，在结构构件表面开槽；

（2）为了保证槽内没有任何浮灰和残渣，需仔细清除槽中存留的灰尘和残渣；

（3）在槽的1/2高度处停止注入粘结剂；

（4）对放入槽中的FRP筋或FRP板轻轻施压，继续注入树脂或粘结剂至槽中，使树脂或粘结剂填满槽；

（5）待粘结剂固化后，对结构构件表面进行处理。

2.2 外贴式加固方法

外贴式加固法[3]，主要利用粘结剂将加固材料粘贴在混凝土构件表面的加固方法，具体加固方法如图3所示。

图3 外贴加固法示意图Fig.3Overlay strengthening method scheme

外贴式加固方法具有方便，高效的优点。FRP材料有较好的耐腐蚀性能，利用外贴式加固法加固的混凝土结构构件，不需定期维护、能节约维修费用，达到节省工程造价的目的。

外贴FRP加固的具体施工工艺如下所示：

结构构件基底处理→涂底胶→结构构件表面找平→粘贴FRP材料→采取抹灰或喷防火涂料对FRP材料进行保护。

3 加固理论分析与计算简介

3.1 FRP净纤维抗拉应力：

3.2 FRP系统的单位宽度的应力值：

3.3 主要计算步骤

其中：利用求第一个转换截面的弯矩图面积之和，计算到开裂中和轴的弹性高度。没有配受压钢筋的矩形梁可简化如下：

4 工程实例

某五层住宅主体结构采用砖混结构，在施工过程中发现悬挑梁的箍筋（Ф8钢筋）伸长率不满足要求，其位置在基础圈梁箍筋和一层阳台底板处。根据结构受力的特点，处于一层阳台板处的悬挑梁中的箍筋，会对悬挑梁的强度产生一定的影响，故对此处的悬挑梁进行加固处理[4-5]。

在悬挑梁根部的悬挑端处利用外贴法加固，每根悬挑梁粘贴三处环形封闭碳纤维片材一层，以此来起到加固作用。具体施工流程为：

（1）确定加固位置

在加固部位对悬挑梁进行定位放线，对每根悬挑梁端部加工成三条封闭的环带，并对环带进行加固前的处理工作。

（2）对加固部位表面进行基层处理

（3）刷涂底胶

在处理后的加固基层处刷涂底胶，用毛刷将底胶均匀涂刷在处理完成的结构构件基面上。

图4 加固前的混凝土梁Fig.4Concrete beam before strengthening

图5 加固前准备Fig.5Preparing before strengthening

图6 现场施工图Fig.6Construction scheme on the spot

图7 加固后的混凝土梁Fig.7Concrete beam after strengthening

（4）碳纤维布的切割和粘贴

按加固尺寸裁剪制作碳纤维布，碳纤维布粘贴完成后，需做一定防护处理，可在碳纤维布上撒干砂后形成结合层，后期在碳纤维布上进行水泥砂浆防护。

5 结论

通过该工程实践证明，利用FRP加固混凝土结构构件，可降低梁强度降低对结构构件带来的危害，改善工程的耐久性与安全性，加固后混凝土梁的抗弯承载力有显著提高，能控制混凝土的开裂及原有裂缝的开展，在一定程度上延长混凝土结构的使用寿命，保证加固后的混凝土强度。

［1］江见鲸，王元清，龚晓南，等.建筑工程事故分析与处理［M］.北京：中国建筑工业出版社，2004.

［2］GB50367-200.混凝土结构加固设计规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2006.

［3］吴永河.某公寓楼的抗震加固设计［J］.工程抗震与加固改造，2009（4）：82-85.

［4］陈安萍.房屋改建加固工程应用实例［J］.工程抗震与加固改造，2009（4）：79-95.

［5］李敏锋，金国芳，王晓亮，等.FRP加固钢筋混凝土梁的变形简化计算分析［J］.四川建筑科学研究，2011（2）：87-90.

［6］谭淑华，姜宇.FRP加固砌体结构技术探讨［J］.辽宁建材，2011（3）：38-39.

［7］丁亚红，郝慧敏.FRP加固技术研究概述［J］.工程抗震与加固改造，2012，34（2）：69-71.

［8］昝生福.FRP在土木工程结构加固应用中的研究进展［J］.中国水运（下半月），2014（1）：377-378.

［9］杨曌，武鹍，明方闯，等.喷射FRP在砌体结构加固中的研究与应用［J］.工程建设与设计，2015（2）：25-27.

［10］姜伟，解恒燕，郑鑫，等.用遗传神经网络方法预测活性粉末混凝土强度［J］.黑龙江八一农垦大学学报，2014，26（4）：23-25.

Application of FRP Composite Material of Reinforce in Concrete Structures

Wang Fucheng，Xie Guoliang，Guo Wei，Liu Shaodong
（College of Engineering，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319）

By FRP reinforced concrete beams，the carrying capacity of concrete beams could get much improvement，and shortage of bearing capacity of concrete beams were made up.FRP composite materials were used to reinforce the cantilevered beam of the balcony floor，which improved the bearing capacity of concrete structures，and extended the service life of concrete structures，thereby reduced construction cost.It could be a greater social and economic benefits for the community.

FRP；strengthening；concrete structure

TU319

A

1002-2090（2017）03-0089-04

10.3969/j.issn.1002-2090.2017.03.020

2016-12-05

王福成（1979-），男，讲师，东北石油大学毕业，现主要从事力学分析方面的研究工作。