FRP 约束混凝土柱发展现状简述

　　编者按：近年来，FRP 在国内外土木工程中已开始被广泛应用，尤其是用于结构或构件的修复与加固。FRP 的一个重要应用方向是将其用于约束混凝土，即通过FRP 的约束使混凝土处于三向应力状态，从而提高其强度，改善其塑性和韧性性能。

　　目前，国内外针对FRP 约束混凝土已开展过不少研究，取得了不少研究成果。对一些热点问题，如构件的承载力、徐变性能、抗震性能、抗火性能以及火灾后的构件修复加固等，研究工作还在不断深入当中。现特刊登几篇有关这方面的最新研究成果，已飨读者。

摘要： 作为一种在土木工程中开始被广泛应用的新型结构材料，FRP 具有轻质、高强、抗腐蚀和耐疲劳等优点，近年来备受国内外土木工程界的关注。简要介绍了FRP 约束混凝土在土木工程中的应用， 并对其研究现状进行简述，最后探讨了值得进一步深入研究的若干关键问题。

关键词： FRP 约束混凝土　柱　组合作用　修复　加固　耐火极限　徐变

　　FRP (Fiber Reinforced Polymers) 是指以纤维或其制品作为增强材料的一种复合材料，它以树脂基体为分散介质，以增强材料为分散相，二者的有机组合使所制成的FRP 复合材料具有单独组分所不可比拟的如耐腐蚀、抗疲劳、比强度和比模量高等诸多优点。

      FRP 品种繁多，性能各别，用途广泛，目前在国内外土木工程中应用较多的主要有玻璃纤维增强复合材料(GFRP) 、碳纤维增强复合材料(CFRP) 和芳纶纤维增强复合材料(AFRP) 等。其中GFRP 在我国早在20 世纪五六十年代就已开始应用，目前已广泛应用于国防、船舶、化工、建材等诸多领域。相对GFRP而言，CFRP 和AFRP 通常具有更高的强度和弹性模量，近二十年来发展非常迅速，已在很多领域得到广泛应用，目前虽仍存在价格较高的瓶颈，但相信在不久的将来随着其性价比的不断提高，工程应用也会更加普遍。

       FRP 的一个重要应用方向是将其用于约束混凝土，即通过FRP 的约束作用使混凝土处于三向应力状态，从而提高其强度，并改善其塑性和韧性性能。目前国内外针对FRP 约束混凝土已开展过不少研究，研究工作还在不断深入当中。

      本文首先就FRP 约束混凝土在土木工程中的应用进行简要介绍，然后介绍其研究的现状，最后探讨值得进一步深入研究的若干关键问题。

1 　在土木工程中的应用

      FRP 在土木工程中的应用大致始于20 世纪60年代[1～6 ] 。最初主要是将其制成筋材，以实现在腐蚀环境下代替普通钢筋或预应力钢筋，另外还有少数工程将其制成薄壳和折板等。FRP 在土木工程中的大规模应用始于20 世纪80 年代，尤其是在经历了洛杉矶(1994) 和阪神(1995) 等几次大地震后，不少国家都对既有建筑结构和桥梁结构的修复和抗震加固提出新的要求，而FRP 能很好地满足这方面的需要，其中FRP 约束混凝土是其中较合理的一种应用。FRP 约束混凝土主要存在两种应用形式：一种是将FRP 沿柱环向缠绕，另一种是在FRP 管中浇筑混凝土。前者主要用于修复加固，而后者主要用于新建工程中。

     FRP 约束混凝土可广泛应用于土木工程各领域，如建筑结构、桥梁结构和地下结构等，以下对其作一简要介绍。

1.1 　建筑结构

       FRP 在旧有民用建筑的维修加固中已被大量采用，如美国Texas Hamilton 饭店，部分柱子采用FRP进行了维修加固;美国Bergstroms 机场的Hilton 饭店的柱结构也采用了类似的加固办法。

      日本目前也有大量利用FRP 对民用建筑结构中的柱子进行修复加固的实例。文献[ 7 ]的统计数据表明，在日本利用FRP 对一般建筑物和桥梁进行加固分别占到总加固量的45 %和40 % ，其余则是对烟囱、隧道及其他形式结构的加固。

       目前，在建筑结构中的加固大都将纤维沿柱环向缠绕。关于如何将预制FRP 管用于约束混凝土已有一些理论和试验研究，相信不久的将来其在新建工程中的应用也将快速增长。

1.2 　桥梁结构

      近年来，在美、日等国利用FRP 对桥梁柱进行修复加固已经得到了较为普遍的应用。其方法主要有三种：直接粘贴预制好的板壳、现场绕丝后用树脂浸渍及粘贴FRP 布。如美国在Sacramento 西部Yolo高架桥中3 000多根柱都采用了GFRP 的预制护套加固，加固时安装了无损监测仪以监测这种外粘了护套的组合柱体系工作性能，结果证明这种组合柱的工作性能良好。同样采用FRP 对桥梁进行加固的还有日本的Shinmiya 桥、Tabras Golf Club 桥、Birdie桥和Sumitomo 桥等，美国的Rapid City 桥，德国的Lunensche2Gasse 桥、Ulenberg2Strass 桥和Ludwigshafen桥等[8 ] 。采用FRP 对旧桥进行修复加固一般可以做到节约劳动力和节省大量后期维护费用。相对于修复加固而言，目前直接将FRP 管材用于新建桥梁中形成FRP 约束混凝土的实例还不多见，但也已经在美国的示范工程中被采用， 如美国的I - 5PGilman 桥[9 ] 。该桥是一座长137m 的双翼扇形斜拉桥，用于连接被州属公路分成东西两半的加利福尼亚大学的San Diego 校区。该斜拉桥的三角形桥塔高58m ，采用了内填混凝土的CFRP 约束混凝土组合体系，所用的圆形CFRP 管的内径为1.52m ，壁厚13mm ，管内浇筑普通混凝土。该CFRP 管的设计是以其纵向碳纤维抗弯，横向纤维抗剪并对其内部的核心混凝土起到约束作用，同时还在CFRP 管的内部设置了横向加劲肋，以保证管与混凝土之间力的传递。该桥的纵向连续梁也采用了内填轻质混凝土的CFRP 管。

      近年来，在国内利用FRP 对桥墩柱进行修复加固也有所应用。如位于江苏省如皋市东陈镇317 国道上的双池桥，在使用过程中有两根钢筋混凝土桥墩柱被河道运输船碰撞而出现环向贯通性裂缝，为保证桥梁的正常使用，在桥墩柱的裂缝部位采用外贴CFRP 进行了修复加固，该工程于2001 年6 月完工。

1.3 　地下结构

      由于FRP 具有耐腐蚀的优点，用于地下结构具有明显的优越性，例如美国纽约在许多地铁站的顶板和站台柱结构中采用了FRP。此外，将FRP 约束混凝土用于预制桩也有较好开发应用前景。

     除上述应用领域外，尚有FRP 在杆塔结构、储液罐、管道和烟囱结构中应用的报道。例如由美国Delta 结构技术公司负责加固完成的Alamo QuarryMarket 烟囱采用了FRP 进行加固。

2 　力学性能研究现状

      随着FRP 约束混凝土在实际工程中应用的日趋广泛，有关其力学性能的研究也不断深入，其中的热点问题除应力- 应变关系研究外，还包括构件的承载力、徐变性能、抗震性能、抗火性能以及火灾后的构件修复加固研究等。

2.1 　应力- 应变关系

      关于FRP 约束混凝土的应力- 应变关系目前已有大量研究成果[10～16 ] ，其中以对圆形截面的研究居多，近来开始大量研究方、矩形截面。基于试验观测，不同研究者对FRP 约束混凝土的应力- 应变关系描述基本一致[10～16 ]：FRP 约束混凝土在弹性阶段的应力- 应变关系曲线和无约束混凝土的曲线基本重合，表明此时FRP 基本未对混凝土产生约束作用。随着荷载的继续加大，当混凝土的应力接近素混凝土抗压强度时，素混凝土由于没有横向约束作用，在竖向产生一些微细裂缝，并不断扩展，最终导致混凝土被压碎，应力- 应变关系进入下降段;而FRP 约束混凝土在轴向加载过程中随着混凝土的横向膨胀，将促使FRP 的环向应变迅速增长，反过来又对混凝土提供有效的约束，使混凝土的应力仍能有效增长，其增长的幅度将取决于截面形状、FRP 加固量、纤维缠绕方向等因素，此时试件的极限强度和变形能力均有明显提高。加载后期，由于FRP 约束大小的不同，约束后混凝土的应力- 应变关系存在强化和软化两种情况。对于方形或矩形等非均匀约束截面，FRP 的约束效果要稍差，大都出现软化现象。试件最终破坏是由于FRP 达到极限应变而被拉断，破坏的发生具有突然性。

      为模拟上述应力- 应变关系，不同研究者先后提出了不下数十种计算模型，不同模型的计算结果尚存在较大差别。这些模型大致可分为用于设计和用于分析两类。用于设计的模型是基于对大量实测应力- 应变关系曲线的统计分析，采用不同的方程形式对其进行直接模拟。模型间的主要差别在于如何合理考虑FRP 对混凝土的约束作用。由于试验时所用的纤维特性、树脂特性、纤维铺设方向、截面形状及混凝土特性等均不尽相同，加上试验结果本身存在离散性，目前尚没有一种被广泛认可的模型。用于分析的模型是基于混凝土的侧向膨胀规律，计算FRP 的应力和混凝土受到的约束力，根据已有的受定侧压力下混凝土的应力- 应变关系来确定FRP约束混凝土的应力- 应变关系。由于FRP 对混凝土的约束是被动的，上述计算需要通过大量迭代才能完成[16 ] 。用于分析模型的计算结果是否足够准确主要取决于对混凝土侧向膨胀规律模拟的准确程度。相信在将来一段时间内，如何准确模拟FRP 约束混凝土的应力- 应变关系，仍是研究中的一个热点。

2.2 　纯弯和压弯构件力学性能

      在实际结构中，由于构件都具有一定的长细比，且荷载大都存在偏心，因而有必要研究FRP 约束混凝土纯弯和压弯构件的力学性能。相对应力- 应变关系研究而言，有关构件力学性能的研究开展尚不够充分[17～24 ] 。

      已有研究结果表明[17～24 ] ，在通常长细比下，FRP的约束作用仍可有效提高纯弯和压弯构件的极限承载力和变形性能，且提高幅度随构件的长细比及荷载偏心率的增大而呈现明显降低的趋势。由于FRP对圆形截面的混凝土约束效果较好，因而即使在大长细比情况下， FRP 的约束作用仍能得以发挥[22 ] ，但对于大长细比的方形截面钢筋混凝土柱，未见FRP 的约束作用能提高其极限承载能力，但对偏心距较小构件其延性有所改善[23 ] 。由此可见，要对该类构件进行修复加固尚需开展进一步的深入研究。

2.3 　长期荷载下性能

      收缩和徐变是混凝土在长期荷载作用下的固有特性。FRP 约束混凝土的核心混凝土收缩和徐变特性与普通混凝土的区别主要在于： FFP 约束混凝土在受力过程中，核心混凝土由于受到FRP 的约束可能会处于复杂受力状态，且其核心混凝土通常处于密闭环境条件。

      文献[25～28 ]针对FRP 约束混凝土轴心受压短柱进行了长期荷载作用下的变形试验和理论分析。结果表明，在长期荷载作用下，试件早期变形发展很快，后期趋于稳定。与素混凝土相比，FRP 约束混凝土试件的收缩应变约为素混凝土试件的10 %～20 %。如采用FRP 管约束混凝土，在长期荷载作用过程中，FRP 管和混凝土之间将存在应力转移。此外，文献[27 ]还在长期荷载作用结束后测试了构件的承载力，表明长期荷载作用与否对FRP 约束混凝土轴压短柱的极限承载力影响很小。由于在长期荷载作用下，大长细比构件会产生附加挠度，并有可能引发构件发生徐变失稳。由于该类试验存在一定难度，目前尚未见有关这方面的研究报道。

2.4 　抗震性能

     FRP 约束混凝土具有良好的动力反应性能，国内外不少学者都对其开展过试验研究和理论分析[29～36 ] 。考虑到实际工程应用，研究对象一般都是FRP 约束钢筋混凝土。结果表明，相对于钢筋混凝土柱，FRP 约束钢筋混凝土柱的荷载- 位移滞回曲线均更为饱满，有较高的承载力、良好的延性和耗能能力。总体而言，采用FRP 约束后，可提高构件的延性和抗剪能力。在长细比较小时，与对比构件相比，FRP 约束后构件的破坏形式通常由脆性剪切破坏转变为具有延性的弯曲破坏。此外，采用FRP 约束后，在钢筋混凝土柱中有可能大大减少约束箍筋的含量，甚至完全不需要约束箍筋，从而改变了传统的抗震柱中需配置大量约束箍筋的做法。

2.5 　耐火极限

      由于FRP 中的树脂通常不耐火，因而到目前为止，FRP 常被用于桥梁结构或不需要进行抗火设计的建筑结构中， 使得FRP 的推广和应用受到限制[37～38 ] 。近年来，国内外已有部分研究者尝试对其进行研究。虽然目前采用数值方法计算FRP 约束混凝土的耐火极限并不存在理论上的困难，但如采用防火保护的方法保护FRP 在达到规定的耐火极限时不发生破坏，其需要的防火保护层厚度将难以在工程设计中被接受。一种更为合理的考虑方法是允许FRP 发生破坏，利用柱构件本身具有的耐火性能进行抗火设计。

2.6 　其他新型FRP 约束混凝土

     除上述通常意义上的FRP 约束混凝土外，近年来部分研究者又开始开发一些新型的FRP 约束混凝土[39～42 ] ，如FRP - 混凝土- 钢组合柱、FRP 约束钢管混凝土和FRP 约束型钢混凝土等。其中FRP -混凝土- 钢组合柱是指在FRP 管内置钢管，并在两层管之间灌注混凝土的一种新型组合柱。上述新型构件的研究增添了FRP 约束混凝土研究活力。

3 　结语

       由于FRP 约束混凝土在土木工程领域中有着广阔的应用前景，而有关其研究和应用的历史尚不长，除针对上述课题开展进一步的深入研究外，尚有不少迫切需要解决的实际问题，如梁柱节点区的锚固、火灾设计方法、火灾后采用FRP 加固的应用研究等。

      随着FRP 约束混凝土力学性能研究的日趋深入和完善，相信研究者会更深入掌握其各方面的力学性能，以促进更合理地设计应用FRP 约束混凝土。

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