浅析预应力FRP加固技术

　　摘要：1984年，瑞士联邦材料实验室的Meier等人对纤维增强复合材料(FRP)加固钢筋混凝土结构的技术进行了较为系统的试验研究，同时将该技术应用于实践。此后，美国、加拿大等国家也开始注重这项技术，并通过对已经损坏结构的加固和修复，充分发挥了FRP加固技术的优势。而本文正是预应力FRP加固技术的研究。

　　关键词：预应力; FRP; 加固技术

　　1.一般加固技术

　　混凝土结构有两种加固方法:直接加固和间接加固。设计时可根据实际条件和使用要求选择恰当的方法和配套的技术。

　　2.FRP加固技术及应用

　　自FRR问世以来，广泛应用于桥梁、航空航天、船舶、汽车、化工、医学和机械等领域，其优异的性能也得到了普遗认同。目前在混凝土结构加固上使用较多，但钢结构上也有应用。我国在20世纪80年代也曾尝试过：云南海孟公路姚山河桥采用了外贴玻璃纤维布同时内夹高强钢丝的加固方法，此后采用环氧树脂粘贴玻璃纤维布的加固手段被应用在广东官汕线郭屋楼桥、湖南椒浦大江口桥、南京长江大桥引桥以及韶关地区风村桥等处。

　　FRP具有以下优点：

　　(1)采用FRP材料可减轻结构自重。FRP材料的强度可以高出钢材10倍，但重量却不到钢材的1/5。当考虑抗震作用时，FRP材料的应用还能缓解地震作用。

　　(2)FRP的耐腐蚀性良好，即使是在酸、碱、盐及潮湿环境中都可以得到长期的使用，在这一点上，传统结构材料是不能与其相媲美的。在美国每年因钢材腐蚀造成的工程结构损失高至700亿美元，桥面混凝土开裂直接导致钢筋发生严重的锈蚀，近20%的桥梁因此损坏严重;在我国同样原因带来的损失也在逐渐增加。一些发达国家在寒冷地区较大规模采用FRP结构以抵抗冰盐带来的严重后果，极大降低了结构的维护费用，结构的使用寿命也被延长。

　　(3)FRP弹性性能很好，应力应变呈线性关系，即使发生了较大的变形依然还可以恢复原来的形状，塑性变形很小，这对于保证施工质量是有利的。

　　(4)施工质量容易保证。当被加固结构表面不是很平整时，FRP板材也基本可以达到100%的保证率，而采用粘钥方法进行加固时久很难保证。

　　(5)FRP还具有其它的一些优势，包括透电磁波、绝缘、隔热、热胀系数小等，这使得在特殊场合使用FRP成为可能，如雷达设施、地磁观侧站、医疗核磁共振设备结构。

　　同时，FRP加固与其他加固方法相比，在总体造价上具有较好的性价比。实际上，FRP片材加固还存在一些缺点：

　　(1)新加固的结构材料会有较严重的应力滞后，当被加固构件不发生更大的变形时，纤维布的应变始终为零，换言之，加固材料没有发挥到其抗拉强度。当建筑结构承受的荷载以恒载为主时，这种加固没有实质性的作用，必须给加固材料赋予一定的初始应变。这就使得预应力FRP加固钢筋混凝土结构的研究迫在眉睫。

　　(2)耐火性与耐高温性能差这主要是因为环氧树脂的耐高温性能差，当环境温度超过100℃时，环氧树脂的力学性能发生变化，只有特殊的环氧树脂可以在温度达到200℃时时依然正常工作。

　　(3)纤维布还有一个明显的缺陷—延性较差，纤维复合材料应用到结构上，其延性不足的具体表现就是构件的延性不足。当构件变形过大时，FRP会被拉断，这是一种脆性破坏，构件的突然断裂会给人身安全带来很大的隐患。当结构变形较大或在抗震性能方面要求较高时，这一点是十分不利的。

　　(4)纤维布与混凝土连接处的应力传递能力是有限的，当结构还没达到极限承载力的时候可能己经发生剥离破坏等。

　　3.预应力FRP加固综述

　　应用于加固新建或己有建筑的碳纤维材料，其抗拉强度一般都达到3000Mpa以上，而其弹性模量相对较小，只有230GPa左右，高弹性模量的取值范围也只在380~640GPa左右。如果碳纤维布的抗拉强度要得到充分的发挥，材料就必须发生很大的变形，当与钢筋共同工作时，钢筋达到屈服强度时CFR强度的利用率也只有1/5，碳纤维的绝大部分抗拉强度被忽略，加上被加固结构的裂缝和变形很难得到控制。当在实际工程中采用大量的CFRP来控制结构的变形和裂缝时，复合材料高强度的特点又没有用武之地。

　　当不改变被加固构件的截面尺寸，而构件的配筋率也不改变时，为了避免破坏时，受压区边缘混凝土压碎，受拉钢筋达到屈服强度，而复合材料的拉应变很低，这就必须提高纤维材料在构件极限荷载下的拉应力，同时控制构件受拉区边缘混凝土的初应变，而给纤维布加上预应力正好可以解决这个问题。

　　3.1FRP预应力的施加体系

　　采用FRP片材进行加固时，如果考虑预应力的施加，就可以使纤维片材在承受更大的荷载之前产生比较大的初始应变，这样可以减小加固材料与混凝土材料之间的应变滞后的现象，明显改善加固效果，而且由于预应力带来的反拱效应，被加固构件在初始荷载下的挠度也有一部分被抵消，构件的裂缝宽度减小甚至闭合，加载后新裂缝的出现也被限制，从而提高构件的抗弯刚度，改善受有构件的使用性能。预应力施加体系有：

　　(1)反拱法

　　在梁跨内布置i对称的千斤顶，向梁实际受力的反方向施加荷载，使梁产生与受力状态相反的初始变形，再用环氧树脂将纤维布粘贴到梁的受拉面，等环氧树脂固化后， 赵启林等利用该方法张拉CFRP片材。这种做法原理简单，实际操作起来也很方便，但真正施加到纤维材料上的预应力水平较低，不适用于实际工程的加固。

　　(2)外部张拉法

　　使用张拉设备对FRP布进行张拉，涂上环氧树脂将纤维粘贴到梁的受拉面，等粘结材料固化好后，剪掉梁两端的FRP片材。虽然这种张拉方法能实现较高水平的预应力，但是实际操作起来比较复杂;施工时必须逐层张拉然后粘贴，等粘结材料的有一定的强度方能进行下一纤维的粘贴，导致工期延长。

　　(3)直接纵向张拉法

　　使用角钢来固定张拉设备，机械张拉FRP片材，然后涂上粘结材料将其粘贴在被加固构件表面。该张拉方法较适用于对梁加固，需将张拉设备固定在梁或柱上，板的加固不适合用这种方法。

　　(4)波形齿夹具张拉法

　　这是由卓静、李唐宁，研发的一种专门针对FRP片材的锚具，主要由两块相互吻合的波形齿夹板以及紧固螺栓等组成。该锚具夹持和锚固FRP片材的可靠性已经过多次试验验证，锚固性能德定，同时，利用波形齿夹具锚自身的特点，通过串联的方式可以容易地对FRP片材施加预应力。但该方法也有其缺点:加固时孺对加固构件凿孔并进行埋设锚夹具。

　　4.预应力FRP加固的优点

　　FRP预应力的施加有两种，一种是对纤维筋条预加预应力，这在新建结构中应用较广;另一种是对片材施加预应力，因为纤维布是直接粘贴在构件的受拉区表面，施工工艺很简单方便，更适合对已有结构进行加固补强。预应力FRP加固的优点如下：

　　(1)抗疲劳能力强FRP的疲劳强度很大，高于钢材，工业厂房中承受反复动力荷载的梁很普遍，采用这种方法加固可以提高整体预应力构件的疲劳承载力。

　　(2)相对于非预应力纤维加固法，预应力纤维加固可以更好的控制裂缝的开展，更好地防止由于弯曲裂缝扩展导致的界面剥离破坏。

　　(3)对FRP施加预应力后，加固结构的开裂荷载、屈服荷载和极限荷载较未施加预应力时的情况有显著提高。这是因为FRP与被加固梁粘结很好，是梁受拉面产生预拉力。

　　(4)刚度增强荷载相同时，预应力FRP加固结构的挠度比非预应力FRP加固结构的挠度小，有利于改善结构的变形性能。

　　参考文献：

　　[1]王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京:人民交通出版社，2007.

　　[2]尚晓江.ANSYS结构有限元高级分析方法与范例应用[M].北京:中国水利水电出版社，

　　2005.

　　[3]郑云，叶列平，岳清瑞.FRP加固钢结构的研究进展[J].工业建筑2005,35.