使用 FRP 复合材料加固混凝土结构

纤维增强聚合物 (FRP) 复合材料在美国用于结构加固已近 25 年。在此期间，FRP 复合材料作为主流建筑材料的接受度有所增加，完成的 FRP 加固项目数量也有所增加。因此，与传统的加固技术相比，使用 FRP 进行加固和改造在设计专业人士中越来越受欢迎，例如安装补充结构钢框架和元件。

现有结构的 FRP 加固可能涉及复杂的评估、设计和细化过程，需要在 FRP 安装之前充分了解现有结构条件以及用于修复结构的材料。可以通过了解 FRP 是什么以及它提供的优势来确定 FRP 对加固项目的适用性，但更重要的是，它的局限性。

FRP 织物很容易定制以适应任何几何形状，包括围绕梁的“U”形。

什么是玻璃钢加固？

FRP 复合材料由嵌入聚合物基体中的高强度连续纤维组成，例如玻璃、碳或钢丝。纤维提供主要的增强元素，而聚合物基体（环氧树脂）充当粘合剂，保护纤维，并将载荷转移到纤维上和纤维之间。

FRP 复合材料可以使用湿法铺设工艺在现场制造，在该工艺中，由碳或玻璃制成的干织物用环氧树脂浸渍并粘合到准备好的混凝土基材上。一旦固化，FRP 就成为结构元件的组成部分，充当外部粘合增强系统。FRP 复合材料也可以在制造设施中预制，在该制造设施中，材料被拉挤以形成可用于加强应用的不同形状，例如棒材、棒材和板材。

将 FRP 织物包裹在柱子周围增加了剪切和轴向强度，以改善延展性和能量耗散行为。

用于混凝土加固应用的最常见的 FRP 系统是碳纤维基 (CFRP)。与基于玻璃纤维的系统相比，碳具有优异的机械性能和更高的拉伸强度、刚度和耐久性。预制 CFRP 棒材和板材的使用通常仅限于直的或略微弯曲的表面；例如，板和梁的顶面或底面。预制 FRP 元件通常很硬，不能在现场弯曲以缠绕柱或梁。

另一方面，FRP 织物以连续单向片材的形式提供在卷筒上，可以轻松定制以适应任何几何形状，并且可以缠绕在几乎任何轮廓上。FRP 织物可以粘附在结构构件（例如板或梁）的受拉侧以提供额外的受拉钢筋以增加抗弯强度，缠绕在托梁和横梁的腹板上以增加其抗剪强度，并缠绕在柱子上以增加其剪力和轴向强度并改善延展性和能量耗散行为。

用于将 FRP 粘合到混凝土基材上的粘合剂系统可包括用于渗透混凝土基材并改善系统粘合的底漆；环氧树脂腻子填充基材中的小表面空隙，并提供与 FRP 系统粘合的光滑表面；用于浸渍织物并将其粘合到准备好的基材上的饱和树脂；和保护涂层，以保护粘合的 FRP 系统免受潜在的破坏性环境和机械影响。大多数用于 FRP 加固系统的环氧树脂都会受到紫外线照射的不利影响，但可以使用丙烯酸涂料、水泥涂料和其他类型的涂料进行保护。

FRP 系统的树脂和纤维通常作为一个系统开发，基于材料和结构测试。将一个 FRP 系统的组件与另一个系统的组件混合或替换是不可接受的，并且会对固化系统的性能产生不利影响。

FRP 系统与现有混凝土之间的结合至关重要，表面处理对于大多数应用来说都是必不可少的。在安装 FRP 系统之前，必须解决内部钢筋的任何现有劣化或腐蚀问题。如果不这样做，可能会由于混凝土基材的分层而损坏 FRP 系统。

当 FRP 粘附在受拉侧时，额外的受拉钢筋会增加板的抗弯强度。

玻璃钢和钢的区别

FRP 复合材料与钢的不同之处在于它们具有可以在不同方向上变化的特性（各向异性），而钢在所有方向上都具有相似的特性（各向同性）。用于混凝土加固应用的最常见类型的纤维板由沿织物长度延伸的连续单向碳纤维或玻璃纤维构成。当在直接拉伸下加载时，单向 FRP 材料表现出线性-弹性应力-应变关系，直到失效，没有屈服或塑性行为。由于 FRP 的线弹性特性以及它们在外部应用于结构元件的事实，用于设计或确定钢筋数量的标准方法不适用于 FRP。采用相对复杂的程序来设计FRP，

由于 FRP 材料中的纤维是主要的承载成分，因此纤维的类型、纤维的方向和织物的厚度（纤维的数量）决定了拉伸强度和刚度。

FRP 复合材料的强度取决于所用纤维的类型。虽然玻璃提供的抗拉强度几乎等于低碳钢的屈服强度，但碳复合材料的抗拉强度却是低碳钢屈服强度的两倍至五倍。虽然两种 FRP 复合材料的拉伸刚度都低于钢，但碳复合材料的刚度是玻璃复合材料的两倍至五倍。FRP 复合材料的重量约为钢的五分之一。

FRP 加强系统的拉伸性能可以从 FRP 系统制造商处获得。拉伸性能也可以使用 ASTM D7565 中描述的测试方法来确定。

为了考虑材料的耐用性，大多数可用的设计指南确定了可用于设计的 FRP 抗拉强度的环境减少因素。这些因素取决于 FRP 的类型和要加强的元件的暴露条件。对于 CFRP，内部暴露条件的典型环境减少因子为 0.95，而外部和侵蚀性暴露条件的减少因子通常为 0.85。

在工业筒仓上安装 CFRP。

玻璃钢应用

FRP 系统为混凝土结构的加固和改造提供了一种非常实用的工具，适用于：

• 抗弯加固，
• 剪切强化和
• 柱约束和延展性改善。

FRP 系统也已成功用于混凝土结构的抗震升级。这些应用包括减轻脆性破坏机制，例如无约束梁柱接头的剪切破坏、梁和/或柱的剪切破坏以及搭接连接破坏。FRP 系统还可以限制柱子以抵抗纵向钢筋的屈曲。这些 FRP 方案增加了混凝土结构的整体位移和能量耗散能力，并改善了其整体性能。

由于耐腐蚀，FRP 复合材料可用于几乎所有类型的环境中的内部和外部结构构件。

停车场梁上的 CFRP 加固。

规范和标准

世界范围内发布了一些指南和规范，这些指南和规范涉及混凝土结构的外部粘合 FRP 加固系统的设计。在美国，ACI 委员会 440 发布了 ACI 440.2R，《用于加固混凝土结构的外部粘合 FRP 系统的设计和施工指南》。但是，本文档不被视为规范，并且未在任何规范文档中引用，包括国际建筑规范(IBC) 和国际现有建筑规范(IEBC)。

了解维修规范的必要性，美国混凝土协会 (ACI) 于 2013 年发布了《混凝土建筑评估、维修和修复规范要求》 (ACI 562)，这是第一个为修复现有建筑而开发的基于性能的标准混凝土建筑。该标准适用于已采用的 IEBC，或作为尚未采用现有建筑规范的司法管辖区的独立文件。

ACI 562 中的规定对设计专业人士来说并不新鲜，其中包括许多与传统混凝土结构设计相同的要求。ACI 562 指导设计专业人员在维修过程中和维修完成后始终考虑结构的行为。ACI 562 允许使用 FRP 材料进行混凝土修复和加固，并参考 ACI 440 标准的设计和详图要求。

FRP 加强极限

最小现有强度限制

根据 ACI 440.2R，为了使结构元件有资格进行 FRP 加固，现有结构构件必须保持一定的最小强度。该要求旨在保证没有 FRP 钢筋的结构构件的极限承载力大于典型情况下预期使用载荷对应的设计力。

ACI 440.2R 中的最低强度要求为：

等式 1：Rn = 1.1DL + 0.75LL

Rn = 没有 FRP 的现有构件的设计强度

DL = 新设计恒载

LL = 新设计活荷载

该限制规定外接FRP钢筋应视为次钢筋，用于补充现有的内部钢筋。如果 FRP 钢筋受到损害，结构必须保持足够的能力来承载现有的服务负载而不会倒塌。

由于 FRP 复合材料的设计旨在延长结构的使用寿命，因此应考虑 FRP 意外损坏的未来可能的翻新和修改的影响。此类损坏可能不会立即观察到，并且结构或结构部件可能会继续使用，直到确定损坏并修复受影响的区域。公式 1 旨在解决这些情况。

公式 1 的限制旨在最大限度地减少由于 FRP 失效或损坏而导致倒塌的可能性。如果设计活荷载很可能会持续存在一段时间（例如存储区域），则应使用 1.0 的活荷载系数而不是 0.75。

此限制与防火等级要求无关。即使对 FRP 系统进行防火保护，它也必须满足。该限制适用于所有类型的强度增加，例如剪切、弯曲和轴向加强，但不适用于极端载荷事件（地震事件、爆炸载荷或 ASCE 7 归类为极端事件的其他载荷）。

根据恒载与活载的比率，使用满足公式 1 的 FRP 的强度增加通常会导致强度增加高达 40%。如果强度增加高于 40%，则应考虑其他常规强化方案。

混凝土强度极限

现有的混凝土基材强度是粘合关键应用的重要参数，例如弯曲或剪切强化。为了使 FRP 在粘合层产生和传递设计应力，混凝土基材应具有足够的强度来传递这些应力。而且，为了使混凝土能够提供 ACI 440.2R 规定的 200 psi (1.4 MPa) 的最小粘结强度，混凝土的抗压强度 f’c必须大于 2500 psi (17 MPa)。此限制不适用于接触关键应用，如仅依赖 FRP 系统和混凝土之间接触的 FRP 柱限制。

防火等级和保护

虽然碳纤维能够抵抗高温，但粘合剂系统的阈值温度要低得多。FRP 的防火是一种选择，但专用防火材料的高成本并不总是合理的。

加固结构的防火等级应在没有 FRP 的情况下进行评估。如果 FRP 失效，则需要确定降低的强度是否足够。如果是，则无需对 FRP 进行防火处理。如果不是，则应评估防火材料的成本效益和满足令人满意的防火等级的能力。

安装

安装 FRP 系统的程序由系统制造商制定，可能略有不同。安装时混凝土的温度和表面湿度是影响 FRP 系统安装程序和性能的主要参数。

表面处理以在 FRP 系统和现有混凝土之间建立粘合是至关重要的。在安装 FRP 系统之前，还必须解决内部钢筋的任何现有劣化和腐蚀问题。只有在按照适当的程序确定并解决了所有腐蚀问题后，才能进行强化。不这样做可能会导致污染物锁定，这可能会导致进一步的恶化，并由于混凝土基材的分层而导致 FRP 系统失效。

国际混凝土修复协会提供了一些关于选择、表面处理和安装修复材料的指南。玻璃钢系统安装后的固化取决于安装后的时间和固化过程中的温度。同样，极端温度或波动会延迟或加速 FRP 固化时间。温度越高，系统固化的速度就越快——从一到三天不等。系统制造商通常会提供几种等级的树脂，以适应特殊情况。

结论

FRP 系统已成功用于加固建筑物、桥梁、筒仓、储罐、隧道和地下管道。FRP 材料的较高成本被降低的劳动力成本、设备使用成本和安装期间的停机时间所抵消，使其比传统加固技术更具成本效益。

虽然使用 FRP 进行加固可能涉及复杂的过程，但与传统加固方法相比，该系统具有许多优势。了解 FRP 的特性和局限性是开发正确设计解决方案并将其用于正确应用的重要一步。