FRP材料在建筑工程结构加固中的应用

韩霖

摘 要：FRP材料质量轻、强度高，使得其在加固领域应用十分广泛。对FRP材料加固技术进行梳理，按照梁的抗弯抗剪加固、板的抗弯加固、柱的加固、节点加固和墙体加固五个应用类型，以及粘贴加固、嵌入式加固、预应力加固和复合加固四个加固方式，从多个角度对FRP材料加固技术现状及发展趋势作了全面分析，以期对FRP材料加固技术的研发提供参考。

关键词：FRP；加固；应用类型；加固方式

中图分类号：TU5                                   文献标识码：A                                  文章编号：2096-6903（2023）04-0022-03

0 引言

经过长时间的使用，建筑结构的安全、适用性和耐久度都会有所降低，建筑的使用寿命也会缩短，影响正常使用。拆除重建会造成重大的经济损失，因此通常的做法是对建筑物进行维修、加固，使其恢复使用性能。

传统的加固方法有加大截面法、粘钢法、外包钢法、预应力法、喷射混凝土法、增设构件法等。这些加固方法虽然能够改善结构的刚度、强度和抗震性，但存在明显的不足。例如：加大截面法和喷射混凝土法加固会使得结构自重过大；粘钢法和外包钢法加固又会破坏结构的外观，对原结构的美观性造成影响；预应力法加固依赖于预应力的施加是否到位，加固效果有待验证；增设构件法加固可能会影响原结构的使用功能。基于上述不足，需要研究一种新型的加固技术。

1FRP材料的特点与优势

FRP是纤维增强复合材料[1]（Fiber Reinforced Plastic）的统称。按高分子材料来分，FRP可分为碳纤维增强材料（CFRP）、玻璃纤维增强材料（GFRP）和芳纶纤维增强材料（AFRP）等。按材料的形状来分，可分为片材、棒材和网格状材料，其中应用最广泛的是片材[2，3]。

相较于传统的钢材、混凝土等结构材料，FRP材料質量更轻、导热系数更小，且FRP材料几乎没有明显的疲劳极限，即使有了裂缝损伤，其仍能够继续承担荷载作用，力学性能优异，能够明显增加结构的耐久性和抗裂性。

相较于传统的加固方法，FRP材料加固具有强度更高、施工更高效优势，同时对结构的外观影响较小。FRP的轻质特性使得加固后的结构不会明显增加自重和体积。此外，FRP材料加固不受结构类型和形式的影响，任何结构构件均能适用。

总之， FRP材料具有优异的物理性能，同时轻质高强，能够抵抗疲惫，耐腐蚀；且FRP材料易剪裁，可以根据需要剪裁成任意形状、任意大小以满足加固要求，在施工中使用更加方便。因此，FRP材料在建筑工程结构加固应用中有着巨大的潜力。

2 RP材料在建筑工程结构加固中的应用现状

2.1 FRP材料在结构加固中的应用类型

2.1.1 梁的抗弯、抗剪加固

在梁的受拉面内嵌或外贴FRP材料，可以对梁进行抗弯加固。其具体施工方式是：先对梁底的粘贴区域进行处理，去除松动或薄弱的表层结构，再对外露的混凝土层进行打磨，以提高混凝土与FRP材料之间的粘结可靠度，最后使用专门的胶黏剂贴覆紧密。粘贴FRP板的钢筋混凝土梁如图1所示。

用FRP材料进行梁的抗剪加固，方式主要有缠绕加固、U型箍加固、仅在梁侧面贴FRP加固等。虽然方式各有不同，但其原理均是利用FRP条对梁侧混凝土的紧固力，提高梁的抗剪力。

2.1.2 板的抗弯加固

与梁的抗弯加固类似，板的抗弯加固也是将FRP材料粘贴于板的受拉面。与梁的抗弯加固不同之处在于，由于混凝土板具有一定的长宽尺寸，而FRP材料通常是以条状或者带状形式出现，故在对单向板进行加固时，通常将FRP材料沿混凝土板的短跨方向粘贴，对双向板进行加固时，通常是沿横、纵两个方向粘贴FRP材料。粘贴FRP条带的混凝土板如图2所示。

2.1.3 柱的加固

FRP材料在混凝土柱的加固中，比较常用的方法是外包纤维布和条带，纤维布可以采用单向或双向形式，由树脂浸润后，粘贴包裹在柱的表面，纤维的方向沿柱的环向设置。在进行包裹时，可以采用单层或多层纤维布完全包裹，也可以采用连续螺旋箍或间隔环箍的方式进行局部包裹。外包FRP加固钢筋混凝柱如图3所示。

2.1.4 梁柱节点加固

对梁柱的节点进行加固的目的主要是为了提高建筑结构的抗震性能，进而延长建筑的使用寿命。在节点处缠绕或粘贴FRP材料，可以提高节点处的承载力极限，降低节点的裂纹发生开率。节点加固详图如图4所示。

2.1.5 墙体加固

在设计阶段，对部分砌体墙结构往往只考虑重力载荷和风载荷，而忽略了地震荷载的作用，因此砌体墙无法很好地满足抗拉、抗剪及抗弯要求，抗震性能较差。为了提高墙体的抗震能力，通常是在墙体表面沿着对角线方向交错贴设FRP材料，以提高墙体的抗弯和抗剪性能，减少裂缝的产生。此种方法也可以用于修补已经开裂的墙体。墙体加固详图如图5所示。

2.2 FRP材料的加固方式

2.2.1 粘贴式FRP加固

根据FRP材料对梁、板、柱以及节点的加固应用可知，FRP材料在加固结构构件时，通常有两种方式：一是将FRP片材沿构件的纵向粘贴设置，以提高构件的抗拉、抗弯性能；另一种是将FRP片材沿横向粘贴于构件两侧，或将FRP材料设置成U形箍以及环形箍，以提高构件的抗剪、抗压和抗震性能。上述两种方法统称为粘贴式FRP，后续又发展出了嵌入式FRP加固、预应力FRP加固以及复合加固技术。

2.2.2 嵌入式FRP加固

嵌入式FRP加固是先在混凝土表面开槽，然后将FRP筋或FRP板条和树脂置于槽中，以达到加固目的。

2.2.3 预应力FRP加固

预应力FRP加固结合了预应力加固与FRP加固的优势，通过对FRP 材料施加预应力，不仅能使FRP高强的优势能够得到充分地发挥，还能使结构在使用极限时的状态能够得到改善。

2.2.4FRP与钢板复合加固

由于单独粘贴FRP加固梁，会使梁的延性大大降低，而单独粘贴钢板加固梁，又对受拉钢筋屈服后梁的抗弯承载力提高有限。考虑到两种加固方式各有优缺点，可以将这两者加固方式结合进行复合加固，使FRP材料和钢板能够共同协调工作，各自发挥其优势。

3FRP材料在建筑工程结构加固中的应用发展历程

FRP材料在建筑工程结构加固中的应用研究主要集中在中国、日本和韩国。其中，日本的研究起步最早，起步于1990年，在1996—2006年间得到了快速发展，但日本对于节点加固申请很少，研究重点主要在于通过粘贴的方式加固梁、板、柱，对于嵌入式加固和预应力加固的研究较少。韩国的研究主要集中在梁、板、柱的加固，对于梁的加固方式在粘贴加固、嵌入式加固和预应力加固方面均有涉猎。

国内对FRP材料在建筑工程结构加固中的应用研究起步较晚，始于2000年前后，经历了2002—2008年缓慢增长期和2010年至今的高速发展期。这与我国2008年发生汶川特大地震，国家和政府出台相应的结构修复和加固政策密不可分。相较于日韩两国的研究范围局限性，我国在FRP材料用于建筑工程结构加固方面的研究所涉范围最广，在梁、板、柱、墙和节点5大应用类型，并对各应用类型下所采用的加固方式均进行了研究。但是研究重点仍集中在梁、板、柱的加固，对于节点加固和墙体加固的研究较少，且对于梁、板的加固重点在于采用预应力加固，而复合加固多用于柱的加固。

在FRP材料应用于建筑工程结构方面，粘贴加固技术出现最早，首次出现在1990年日本的专利申请中，用于加固墙体（JPH04336242A）。随后，对于粘貼加固的研究主要集中在如何保证FRP的固定效果，并依次提出了通过钉子固定（JPH1058571A）和通过固定器固定FRP材料（JP4314163B2）。考虑到FRP材料粘贴到表面后容易剥离，日本首次提出了嵌入式加固，即在待加固结构表面开槽，将FRP筋或FRP板条和树脂置于其中来达到加固目的（JP2003176508A）。进一步的，长沙理工大学提出了将嵌入式加固与粘贴加固相结合（CN101691817A），在待加固结构表面间隔开槽，将FRP材料部分至于槽中。

在粘贴加固的基础上，日本又于2002年提出了预应力FRP加固技术（JP2003328561A），通过对FRP施加预应力，加固后的结构其开裂荷载、屈服荷载、极限荷载的提高幅度远大于非预应力加固的提高幅度，并能有效改善裂缝的发展。为了保证预应力的有效施加，同济大学提出了对预应力锚具进行改进（CN102418318A），改进点在于采用卷筒法方式，实现对FRP布材的有效锚固，避免FRP的剪切破坏。

2011年，在嵌入式加固与预应力加固的基础上，长沙理工大学又提出了嵌入式和预应力加固相结合的方法（CN102304958A）。在采用嵌入式加固的基础上，对FRP材料施加预应力，能够进一步提高加固效果。

复合加固最早是由武汉大学提出的，其采用钢板和FRP材料综合加固混凝土梁，使钢板与FRP材料共同协调工作，增强了梁的延性，与采用单一的加固方式相比，显著提高了梁的承载力。

从上述发展过程看出，我国在FRP材料在建筑工程结构加固的应用研究上，主力集中在高校层面，虽然具备一定的技术储备，但产学研接合程度有待加强。且各高校的研究重点在于FRP材料的嵌入式加固、预应力加固和复合加固，粘贴加固研究较少，这与通过粘贴方式进行加固在国内外研究比较成熟有一定关系。

4 结语

综合FRP材料在建筑工程结构加固中的应用发展可知，我国对FRP加固技术的研究仍有较大的可挖掘空间，为了将FRP加固技术能更加标准、规范地用于建筑工程结构加固，还需要进行更深入、更系统的研究。

以后研究方向主要有以下3点：①FRP预应力加固技术有待进一步研究。预应力加固的优势十分明显，而将FRP材料施加预应力后再用于加固，可以充分发挥FRP材料的高强度性能，可以有效提高建筑结构的承载力和耐久性。②FRP粘贴加固的施工方法有待进一步改进。现阶段，FRP粘贴加固主要采用人工施加胶黏剂实现粘贴，效率低下，且胶黏剂有刺激性，为了提高施工效率，保证施工人员的健康，需要进一步研究机械化的施工方法。③多种纤维材料混合应用的研究有待进一步加强。FRP材料在纤维种类方面具有多样性，而不同的纤维材料又有不同的特点，后续可以基于不同纤维材料在加固方面的特点，综合考虑后进行混合应用，以提高建筑结构的承载力，同时又兼顾经济性和延性改善方面的要求。

参考文献

[1] 王善元，张汝光.纤维增强复合材料[M].上海：中国纺织大学出版社，1998.

[2] 滕锦光.FRP加固混凝土结构[M].北京：中国建筑工业出版社，2005.

[3] 王文炜，赵国藩.FRP加固混凝土结构技术及应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2007.