FRP加固剪力墙抗冲击性能的研究进展

时成龙，张纪刚,2,*，张宜聪，张梦琳

(1.青岛理工大学 土木工程学院，青岛 266033；2.山东省高等学校蓝色经济区工程建设与安全协同创新中心，青岛 266033)

纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Plastics，简称 FRP)对钢筋混凝土结构进行结构动力性能(抗震、抗冲击、抗爆)提升已经成为工程界和学术界共同关心的课题.纤维增强复合材料因其轻质高强、耐腐蚀、施工便捷、耐久性及抗疲劳性能好、可设计性强等特点在土木工程领域得到广泛应用和研究，成为继混凝土、钢材后的第三大建筑材料[1-3].FRP材料的一个最常见应用是用作外包混凝土结构进行混凝土结构加固.大量的试验研究表明FRP加固混凝土结构的延性通常取决于FRP材料本身的断裂应变[1-2]，因此利用大应变FRP材料断裂应变大的特点，可以增加钢筋混凝土结构的延性，防止混凝土结构倒塌.

随着纤维复合材料的发展，将纤维复合材料应用到剪力墙/板加固中的方法应运而生，当混凝土结构受到外部的冲击、爆炸等动力荷载时，其破坏形态主要是弯曲破坏，因此在冲击作用下，控制构件的挠度变形就变得尤为重要.纤维复合材料利用自身的轻质高强、抗拉强度高的特点外贴混凝土结构中，从而减小结构的挠度变形，对结构起到加固的作用，提高使用寿命，减少财产的损失.

1 FRP-混凝土界面黏结性能

目前FRP(主要是指CFRP/GFRP/AFRP/BFRP)加固混凝土结构时，通常使用环氧树脂将FRP粘贴在混凝土表面，提高结构的承载力，这就要求树脂基复合材料具备强度高的性能[4].除此之外，土木工程中还将FRP筋、FRP管等复材应用到混凝土结构中，相比较传统的建筑材料，纤维增强复合材料具有强度高、密度为钢材的1/4等优点，其中碳纤维增强复合材料(CFRP)和玻璃纤维增强复合材料(GFRP)应用较多，应力-应变关系如图1所示.

影响FRP-混凝土界面黏结性能的主要是剪应力，目前研究剪应力的主要试验方法：单剪实验、双剪实验、梁式实验和修正梁实验.而在实际加固中FRP-混凝土界面往往都是不平整的，这就导致混凝土界面除了受到剪应力作用还受到正应力作用，因此YU等[5]通过对FRP-混凝土界面在两种应力共同作用下的数值分析，从而验证了两种应力的存在才是导致混凝土界面剥离的主要因素，在复合材料中，纤维与纤维增强复合材料也存在着一定的差距，如图2所示.

图2 FRP、纤维应力-应变关系[5]

到目前为止，针对影响FRP-混凝土界面黏结性能的因素，国内外学者通过研究FRP宽度、厚度、层数、粘贴长度等试验[6-9]，对混凝土界面黏结受力进行详细分析；与此同时研究人员还发现混凝土表面的处理程度对界面的黏结性能有较大影响[10-14]，分别对混凝土表面进行凿毛、打磨、喷砂、打毛等处理方式，结果发现凿毛和喷砂对FRP外贴混凝土结构提高承载力具有明显的效果.

研究人员在总结前人成果的基础上，将FRP-混凝土界面黏结方式进行改进，提出黏结强度模型[15]、黏结滑移模型[16]；SAIIDI、施嘉伟、BRUNO等[17-19]通过研究FRP-混凝土界面动态黏结性能，发现应变率对黏结强度、界面断裂、应力应变有较大的影响.但是目前对于FRP-混凝土界面黏结性能的研究主要集中在静态荷载条件，而在动态荷载下的研究还比较少，受力机理还不够明确.

2 理论分析与数值模拟

目前针对FRP外贴剪力墙抗冲击的研究以试验研究为主，再加上ANSYS/LS-DYNA，ABAQUS等大型有限元分析软件进行数值模拟，研究学者首先根据分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar(简称SHPB))进行材料性能试验，提出了在超高速响应下的正交异性材料模型[20]；冲击以摆锤和落锤冲击为主要的冲击装置，开展了高速和中低速荷载作用下的试验研究与理论模型研究.李兵等[21]针对剪力墙恢复力曲线模型的选取提出了三线型模型和二线型模型，并且根据剪跨比的大小，来选取曲线模型；史先达[22]从不同的冲击能量角度考虑，提出了墙板塑性铰线法的静力设计方法，并给出了α的建议值.理论分析与试验的研究是数值模拟的基础，将试验结果与理论分析结果进行对比应用到数值模拟中，剪力墙受到冲击、爆炸等动荷载下，材料、构件的变形特征需要研究人员通过模拟反映出来.

在理论分析的基础上，加上数值模拟的辅助，研究人员将混凝土结构在高应变率效应的非线性动力反应进行精准模拟，将非线性材料子程序(VUMAT)嵌入ABAQUS有限元分析软件中[23]，能够准确实时反映混凝土结构的动态效应.王德斌等[24]在现有模型的基础上，针对材料的应变率效应采用SCOTT改进后的混凝土模型和钢筋模型，发现可以有效地模拟不同加载速率下RC柱的力学性能.提高数值模拟精度的关键就是混凝土本构模型和钢筋本构模型的选取，目前研究人员对混凝土采用的模型主要是弹塑性损伤模型(*MAT_CSCM_CONCRETE)，钢筋采用的模型主要是双折线模型(*MAT_PLASTIC_KINEMATIC).研究人员可以继续对本构模型进行二次开发，寻求更加接近真实情况本构模型.

3 FRP抗冲击性能试验研究与应用

3.1 中高速冲击的试验研究

FRP材料自身的应力应变关系和应变率的相关性是研究FRP加固钢筋混凝土结构抗冲击性能的基础.OU等[25]利用Instron落锤冲击系统对CFRP在应变率为1/600，40，80，120和160 s-1时的动态拉伸力学性能进行了试验研究，试验结果表明FRP材料是应变率敏感材料.在一定的应变率范围内，拉伸强度、峰值应变和韧性会随应变率的增大而增大.AIZUBAIDY等[26]使用 Instron 落锤冲击试验机研究了在不同应变率下CFRP的动态拉伸力学性能，结果表明CFRP的动态拉伸性能与应变率有关，其拉伸强度和断裂应变随应变率的增加而增加.WANG等[27]分析了高速侵彻(210，90，70 m/s)下的CFRP加筋板能量吸收机理(图3)，在高速冲击时能量主要以纤维拉断破坏的形式耗散.目前抗侵彻性能的研究主要是从能量角度和FRP层数进行研究，对于弹体头部形状对冲击的影响研究比较少[28].YU等[29]在CFRP板外侧粘贴金属层，在高速冲击下金属层并没有改变CFRP层的破坏形式，只是降低了冲击破坏的程度，但是抗冲击性能明显提高.一般来说，高速冲击混凝土结构一次并不会导致结构破坏，往往需要多次撞击才能使结构失去承载力，因此为了观察详细的高速冲击过程，试验中主要是通过高速摄像机、加速计或光学传感器来详细记录冲击过程.

图3 CFRP加筋板[27]

3.2 钢筋混凝土板的抗冲击性能研究

FRP加固钢筋混凝土剪力墙在冲击荷载作用下的响应和破坏机理，其类似于爆炸荷载作用下的响应和破坏机理，因此，在冲击荷载作用下板可能会产生负弯矩[30].将高强度FRP材料粘贴到混凝土受拉区表面，提高梁、板和墙的抗弯性能，除此之外，增加FRP约束层数能够显著改善其抗弯性能.MCVAY根据钢筋混凝土板的冲击试验结果，将板的断裂分为三个阶段：临界层裂、中等层裂、严重层裂[31].CRAWFORD等[32]研究发现芳纶纤维增强复合材料(AFRP)的抗冲击能力要优于CFRP和GFRP，应用于冲击加固工程中性能更好；BHATTI等[33]对9块钢筋混凝土板在AFRP和CFRP加固下的抗冲击性能进行研究，发现在一次和多次冲击下，随着速度的增加板的挠度变形增大，反力也随着挠度的增加而增加.不同类型FRP加固结构的抗冲击性能需要从承载能力和能量吸收两方面进行研究，相同数量的FRP材料，板的横向加固比纵向加固具有更高的承载力.马小敏[34]进行了芳纶纤维复合板在平头弹高速冲击荷载作用下的研究，发现增加纤维层数能够明显减小挠度变形，从而提高结构对能量的吸收效率.

在冲击荷载作用下，夹层复合材料具有良好的抗弯和剪切性能，特别是纤维增强复合材料板，在航空航天、机械工程、车辆等方面广泛应用[35-36].BFRP筋因其强度高、刚度小的特点，常用于钢筋混凝土板配筋中，在相同条件下，BFRP筋板的抗爆炸冲击损伤程度最小，具有更强的抗冲击性能[37].实际上，研究人员利用BFRP刚度小的优点，通常将混凝土构件设计为延性破坏，从而提高承载能力[38].研究表明，在冲击荷载条件下，结构的强度和刚度明显降低，夹层结构可以充分发挥良好的能量吸收能力[39-41],但是复合材料对冲击荷载较为敏感[42-44]，为了解决这一问题，研究人员使用夹层CFRP板[45-46]，将蜂窝填充CFRP板与普通板进行对比发现，不仅可以减轻板的质量，还表现出优异的吸能能力和抗冲击性能.除此之外，将玻璃纤维增强复合材料应用到金属板中的抗冲击性能进行了研究[47],在低速冲击下分析了GFRP板在摆锤冲击下的破坏机理[48].SADRAIE等[49]对6块钢筋混凝土板外贴GFRP布在落锤冲击下的试验研究(图4)，改变GFRP布的粘贴布置方式、配筋率以及板厚等参数，结果表明，随着板厚的增加，板的刚度也增大，但是钢筋吸收能量的效率降低.

图4 落锤冲击试验装置[49]

3.3 剪力墙局部粘贴FRP抗冲击性能的研究

目前对于FRP加固钢筋混凝土结构在抗冲击性能领域的研究还非常有限.在工程加固防护领域中，纤维增强复合材料的应用往往都是大面积外贴钢筋混凝土结构，对于不需要加固的部分就会造成材料浪费，减小复合材料外贴钢筋混凝土构件的面积，可以有效地减少冲击荷载造成的复合材料碎片破坏的威胁，因此在冲击荷载下进行针对性的加固就显得尤为重要.周喜辉等[50]选取五种不同的CFRP补片(圆形/正四边形/菱形/正六边形/正八边形)对板进行抗冲击性能试验研究，结果表明，圆形补片抗冲击性能最优，分层损伤最小.LI等[51]对CFRP带分布式、集中式布置在墙体外侧，在瓦斯爆炸作用下的抗冲击性能进行研究，发现集中式布置可以更好地减小墙体的挠度，承载力更高，从而防止墙体的倒塌，避免过多的布置CFRP带.研究人员发现采用CFRP布局部加固[52](图5)，并没有降低墙体的耗能能力，反而可以改善墙体的强度和变形能力；对于钢筋混凝土板的冲击研究[53]，发现在板底粘贴双向玻璃纤维布条可以明显减小板的位移，增加纵向GFRP布条数量，破坏模式变为冲孔弯曲破坏.大量试验研究表明，在冲击荷载作用下，必然会导致结构出现分层和基体裂纹[54],甚至会出现纤维层的断裂与结构的穿孔[55-56].因此将聚脲与纤维增强复合材料相结合，使得新型组合材料具有良好的刚度和延性，提高混凝土结构的能量吸收能力.将GFRP和聚脲一起喷涂到墙体加固方法比单纯的聚脲喷涂抗冲击效果更明显，尽管增加聚脲喷涂的厚度会提高混凝土构件的抗冲击能力，但是价格昂贵，不符合经济的理念，因此，将纤维增强复合材料与聚脲混合喷涂，将会充分发挥两种材料的优点，提高钢筋混凝土剪力墙抗冲击性能.

图5 剪力墙局部粘贴CFRP[52]

综上，研究人员对纤维增强复合材料加固混凝土结构在中高速冲击、低速冲击下的抗冲击性能进行试验研究，总结了现在常用于加固的纤维材料以及混合型新材料、新方法.这将进一步推进对纤维增强复合材料抗冲击加固的研究，局部粘贴纤维布条、纤维与聚脲混合喷涂混凝土结构表面将会是接下来重点研究的方向，面对新材料的研发，钢筋混凝土结构加固技术将会更加完善.

3.4 FRP在土木工程中的应用

目前，针对爆炸荷载作用下FRP结构性能的经验和研究成果比较成熟，但是冲击荷载对结构的影响不同于爆炸荷载，那是因为冲击荷载通常具有相对较低的荷载率，并且通常集中在结构上的点荷载.钢筋混凝土结构的冲击响应具有复杂性，但是研究人员利用FRP筋的高强度特性来改善钢筋混凝土梁的冲击后可用性[57-58].PHAM等[59]在钢筋混凝土梁的冲击区域粘贴U形BFRP布和整个梁粘贴BFRP布进行减振对比分析，分析表明，两种粘贴方法具有相同的抗冲击性能，但是U形BFRP布更加经济，从而提供了一种局部加固的方法.同时，U形FRP布显著延缓了FRP带的剥离，提高了梁的承载力,增加CFRP布的层数尽管可以提高混凝土抗冲击能力，但是发现冲击能量的增加并没有明显改变最大冲击荷载[60]；宿华祥等[61]对钢筋混凝土框架在冲击荷载作用下的倒塌进行分析，发现在倒塌过程中框架柱会出现“拱作用”现象，随着箍筋配筋率的增加，框架结构抗冲击能力也明显增加，从而延缓结构的倒塌.

FRP加固钢筋混凝土柱抗冲击性能的研究主要集中在FRP层数、布置方式、粘贴界面等材料层面，对于不同的冲击方式、冲击位置以及冲击破坏模式研究的较少.ALAM等[62]对 CFRP 加固钢管混凝土圆柱的侧向抗冲击性能进行了有限元分析，研究表明FRP的加固长度超过一定长度后，CFRP 对混凝土柱的抗冲击性能不再提高，且只需加固柱子全长的 34%，就能防止柱子在侧向冲击作用下发生整体弯曲.考虑到GFRP比CFRP的断裂应变要高，CHEN等[63]进一步对GFRP包裹混凝土柱进行冲击试验，证实了GFRP包裹混凝土柱可以吸收更多的能量，减小柱的位移变形；但是研究发现，增加CFRP的层数可以提高冲击力和冲击持续时间，防止柱发生一次冲击脆性破坏，延缓破坏时间.

综上所述，目前关于FRP加固钢筋混凝土结构的抗冲击性能的研究还处于起步阶段，多数集中在FRP材料和FRP约束混凝土材性层面，构件层面相对系统的研究还比较少.应变率对 FRP材料和FRP加固钢筋混凝土结构构件的影响并没有统一的认识，没有公认的设计公式，需要进一步的研究.在构件层面上试验研究和理论分析工作都还处于初步探索阶段，应变率效应对FRP加固钢筋混凝土结构的影响还不明确，需要进一步的研究.

4 结论

综述了纤维增强复合材料加固钢筋混凝土剪力墙/板抗冲击性能的优势和重要性，详细介绍了目前常用的四种纤维增强复合材料在实际工程中抗冲击的材料性能.结合目前纤维增强复合材料在冲击荷载下的应用与研究，随着科学技术的进步，提高纤维增强复合材料在冲击荷载下的承载力，还需要进行以下几个方面的研究与探索：

1) 针对FRP拉伸断裂应变的不足，提出大应变FRP，弥补普通FRP的缺点，解决实际工程中的难题，提高抗冲击性能.

2) 利用形状记忆合金(SMA)的超弹性，将形状记忆合金与纤维增强复合材料组合形成超弹性复合材料，具有良好的延性和超弹性的优点，从而减小连续冲击的响应.

3) 研发出具有长期使用性能的纤维增强复合材料，使其与混凝土结构能共同作用，提高使用寿命，减小经济损失.

4) 纤维增强复合材料与混凝土界面的黏结性能还需进一步研究，可以加入智能传感器，避免在使用过程中出现剥落的问题.