FRP 約束混凝土柱發(fā)展現(xiàn)狀簡述

　　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(yīng)用，尤其是用于結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的修復(fù)與加固。FRP 的一個重要應(yīng)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(yīng)力狀態(tài)，從而提高其強(qiáng)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(diǎn)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(zāi)后的構(gòu)件修復(fù)加固等，研究工作還在不斷深入當(dāng)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(yīng)用的新型結(jié)構(gòu)材料，F(xiàn)RP 具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、抗腐蝕和耐疲勞等優(yōu)點(diǎn)，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(yīng)用， 并對其研究現(xiàn)狀進(jìn)行簡述，最后探討了值得進(jìn)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(fù)　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(qiáng)材料的一種復(fù)合材料，它以樹脂基體為分散介質(zhì)，以增強(qiáng)材料為分散相，二者的有機(jī)組合使所制成的FRP 復(fù)合材料具有單獨(dú)組分所不可比擬的如耐腐蝕、抗疲勞、比強(qiáng)度和比模量高等諸多優(yōu)點(diǎn)。

      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(yīng)用較多的主要有玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(GFRP) 、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP) 和芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(AFRP) 等。其中GFRP 在我國早在20 世紀(jì)五六十年代就已開始應(yīng)用，目前已廣泛應(yīng)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(qiáng)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(yīng)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(yīng)用也會更加普遍。

       FRP 的一個重要應(yīng)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(yīng)力狀態(tài)，從而提高其強(qiáng)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(dāng)中。

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

1 　在土木工程中的應(yīng)用

      FRP 在土木工程中的應(yīng)用大致始于20 世紀(jì)60年代[1～6 ] 。最初主要是將其制成筋材，以實(shí)現(xiàn)在腐蝕環(huán)境下代替普通鋼筋或預(yù)應(yīng)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(yīng)用始于20 世紀(jì)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(fù)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(yīng)用。FRP 約束混凝土主要存在兩種應(yīng)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(fù)加固，而后者主要用于新建工程中。

     FRP 約束混凝土可廣泛應(yīng)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(jìn)行了維修加固;美國Bergstroms 機(jī)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(jìn)行修復(fù)加固的實(shí)例。文獻(xiàn)[ 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(jìn)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(yù)制FRP 管用于約束混凝土已有一些理論和試驗(yàn)研究，相信不久的將來其在新建工程中的應(yīng)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(jìn)行修復(fù)加固已經(jīng)得到了較為普遍的應(yīng)用。其方法主要有三種：直接粘貼預(yù)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(yù)制護(hù)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(hù)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(jìn)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(jìn)行修復(fù)加固一般可以做到節(jié)約勞動力和節(jié)省大量后期維護(hù)費(fèi)用。相對于修復(fù)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(shí)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(xué)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(jìn)行修復(fù)加固也有所應(yīng)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(yùn)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(jìn)行了修復(fù)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(diǎn)，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(yù)制樁也有較好開發(fā)應(yīng)用前景。

     除上述應(yīng)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(yīng)用的報道。例如由美國Delta 結(jié)構(gòu)技術(shù)公司負(fù)責(zé)加固完成的Alamo QuarryMarket 煙囪采用了FRP 進(jìn)行加固。

2 　力學(xué)性能研究現(xiàn)狀

      隨著FRP 約束混凝土在實(shí)際工程中應(yīng)用的日趨廣泛，有關(guān)其力學(xué)性能的研究也不斷深入，其中的熱點(diǎn)問題除應(yīng)力- 應(yīng)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(zāi)后的構(gòu)件修復(fù)加固研究等。

2.1 　應(yīng)力- 應(yīng)變關(guān)系

      關(guān)于FRP 約束混凝土的應(yīng)力- 應(yīng)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(yàn)觀測，不同研究者對FRP 約束混凝土的應(yīng)力- 應(yīng)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(yīng)力- 應(yīng)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(dāng)混凝土的應(yīng)力接近素混凝土抗壓強(qiáng)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(xì)裂縫，并不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致混凝土被壓碎，應(yīng)力- 應(yīng)變關(guān)系進(jìn)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(yīng)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(yīng)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(qiáng)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(yīng)力- 應(yīng)變關(guān)系存在強(qiáng)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(dá)到極限應(yīng)變而被拉斷，破壞的發(fā)生具有突然性。

      為模擬上述應(yīng)力- 應(yīng)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(shí)測應(yīng)力- 應(yīng)變關(guān)系曲線的統(tǒng)計分析，采用不同的方程形式對其進(jìn)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(yàn)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(yàn)結(jié)果本身存在離散性，目前尚沒有一種被廣泛認(rèn)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(yīng)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(yīng)力- 應(yīng)變關(guān)系來確定FRP約束混凝土的應(yīng)力- 應(yīng)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(zhǔn)確主要取決于對混凝土側(cè)向膨脹規(guī)律模擬的準(zhǔn)確程度。相信在將來一段時間內(nèi)，如何準(zhǔn)確模擬FRP 約束混凝土的應(yīng)力- 應(yīng)變關(guān)系，仍是研究中的一個熱點(diǎn)。

2.2 　純彎和壓彎構(gòu)件力學(xué)性能

      在實(shí)際結(jié)構(gòu)中，由于構(gòu)件都具有一定的長細(xì)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(xué)性能。相對應(yīng)力- 應(yīng)變關(guān)系研究而言，有關(guān)構(gòu)件力學(xué)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(xì)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(xì)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(xì)比情況下， FRP 的約束作用仍能得以發(fā)揮[22 ] ，但對于大長細(xì)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(jìn)行修復(fù)加固尚需開展進(jìn)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(fù)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(xiàn)[25～28 ]針對FRP 約束混凝土軸心受壓短柱進(jìn)行了長期荷載作用下的變形試驗(yàn)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(yīng)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(yīng)力轉(zhuǎn)移。此外，文獻(xiàn)[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(xì)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(yàn)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(yīng)性能，國內(nèi)外不少學(xué)者都對其開展過試驗(yàn)研究和理論分析[29～36 ] ?？紤]到實(shí)際工程應(yīng)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?？傮w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(xì)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(jìn)行抗火設(shè)計的建筑結(jié)構(gòu)中， 使得FRP 的推廣和應(yīng)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(jìn)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(hù)的方法保護(hù)FRP 在達(dá)到規(guī)定的耐火極限時不發(fā)生破壞，其需要的防火保護(hù)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(jìn)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(yīng)用前景，而有關(guān)其研究和應(yīng)用的歷史尚不長，除針對上述課題開展進(jìn)一步的深入研究外，尚有不少迫切需要解決的實(shí)際問題，如梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)的錨固、火災(zāi)設(shè)計方法、火災(zāi)后采用FRP 加固的應(yīng)用研究等。

      隨著FRP 約束混凝土力學(xué)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(xué)性能，以促進(jìn)更合理地設(shè)計應(yīng)用FRP 約束混凝土。

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