土木工程學科的發(fā)展,在很大程度上依賴于性能優(yōu)異的新材料新技術的應用和發(fā)展。在已有結構的加固改造領域,不僅要求材料經濟美觀、便于施工,且要求施工后的結構承載力能夠明顯提高。而FPR
復合材料以其優(yōu)異的力學性能和廣泛的適用性發(fā)揮著越來越重要的作用。
FRP（fiber reinforced plastics）
復合材料主要有碳纖維（CFRP）、芳綸纖維（AFRP）及玻璃纖維（GFRP）等,其材料形式主要有片材、棒材和型材。
FRP的共同優(yōu)點是:輕質高強、高彈模、抗疲勞、耐腐蝕耐久性能好、熱膨脹系數低等。另外,FRP
復合材料可以節(jié)省材料、自由裁剪、施工方便且速度快,雖然其前期投資較大,但維護成本低,經濟效益明顯。因此,FRP（片材）復合材料在土木結構加固工程中應用潛力巨大。
1、FRP復合材料的基本特性
隨著增強纖維材料的發(fā)展,碳纖維、芳綸纖維及玻璃纖維已經成為當前結構工程中加固補強的重要材料。
FRP復合材料的性能各異,在拉伸強度及拉伸模量方面,玻璃纖維和芳綸纖維一般比碳纖維低1/3左右;在斷裂延伸率方面,芳綸纖維一般是碳纖維的2倍左右,玻璃纖維一般比碳纖維高70%左右;在韌性、抗沖擊性能方面,芳綸纖維和玻璃纖維要比碳纖維好得多;在抗堿腐蝕方面,芳綸纖維和玻璃纖維則不如碳纖維好。關于其它方面的性能差異,這里不再贅述。
2、FRP復合材料在結構加固工程中應用領域
2.1民用建筑、橋梁及工業(yè)廠房
FRP復合材料因其優(yōu)異的力學性能,在民用建筑及工業(yè)廠房的加固中應用很多,主要有:①梁加固。加固的作用包括抗彎和抗剪。在進行抗彎加固時
,FRP復合材料的纖維方向與梁的軸向一致,一般貼在梁的受拉側,已提高梁的承載能力。據有關試驗得出,只要該梁不是超筋梁,貼一層AK-60可以提高承載力30%左右,貼兩層可以提高40%左右;在進行抗剪加固時
,FRP復合材料的纖維方向與梁的軸向垂直;②板加固。一般對于板的加固凈空要求比較高,而且加固后不影響其外觀,所以用厚度很薄且柔軟的
FRP復合材料進行加固是一種理想的選擇;③柱加固。芳綸纖維布、玻璃纖維布是比較理想的柱加固材料。因為它們的彈模小,相對于碳纖維（彈模235Gpa）,其延性較好;并且,在進行棱角打磨時一般只需要10mm左右,一般不需打磨,而碳纖維則需要30mm左右,若采用芳綸纖維就可以節(jié)約很多工時。
2.2地鐵、隧道
因地鐵和隧道是一種在地下工作的結構,所以它的受力與地面結構是不一樣的。在洞頂和洞側,它都有土壓力的作用,而且也有凈空的要求,所以進行裂縫修補時,傳統(tǒng)的加固方法不可行,而用芳綸纖維布（不導電）進行加固維修就可以滿足它的各方面要求,因為在地鐵或隧道的拱頂或側壁的裂縫一般是多向且不規(guī)則的,這就要求修復材料必須具有良好的抗剪性能,而且還是一種不導電的材料,所以芳綸布在隧道地鐵工程中是一種最佳的選擇。
2.3煙囪、水塔
由于煙囪水塔這樣向高空發(fā)展的結構,加固維修特別困難,傳統(tǒng)加固方法（如擴大截面法、粘鋼法）基本上很難解決這樣的問題,而采用輕質高強、耐腐蝕、耐久性能都很好的復合材料（尤其是芳綸纖維）進行加固,就是一種很好的方法。
3、幾種加固方法的比較
3.1擴大截面法
這種加固方法是通過增大受力面積來提高結構的承載力,一般用在一些較小且對凈空沒要求不高的結構中。這種方法雖然具有成本較低的優(yōu)點,但是增加了原結構的自重,同時減小了凈空,工期長,有很大的局限性。目前,在較大的工程中很少用。
3.2粘鋼法
在用鋼板加固時,一般將鋼板貼在被加固的結構受力部位的外邊緣,同時封閉粘貼部位的裂縫和缺陷,約束混凝土的變形。粘鋼法加固的特點:①既可提高結構強度,又可提高剛度;②適應結構（鋼結構）又粘又鉚,適應節(jié)點加固;③延伸率大,適應沖擊、振動結構加固;④鋼板表面處理要求嚴格,粘結面易生銹;⑤厚鋼板端點處應力集中,混凝土易剝離。
由上述可知,采用這種方法加固必須注意幾點:①對鋼板的尺寸要求很嚴格?？箯潟r宜薄點,以保證它和原結構的變形協(xié)調;抗剪時不僅宜厚點,而且在錨固時應使端部鋼板延伸到應力較小區(qū),防止應力集中造成對結構承載力的損害;②貼完后,必須對鋼板邊緣裂縫進行處理;③還要對鋼板進行防腐處理,這也是一項長期的任務。所以其造價很高,而且它的使用范圍還有一定的局限性,一般只用在剛度要求很嚴格的地方。
3.3FRP復合材料法
FRP復合材料法加固的特點:①高強度、高彈模,厚度薄、重量輕;②材料可任意長度,任意交叉,適應任意曲面和任意形狀結構;③耐腐蝕,抗疲勞性能好;④施工簡便,與混凝土結合密實;⑤材料防潮要求嚴格,且不宜加固節(jié)點區(qū)域。
在目前的
FRP材料加固市場中,碳纖維占的比例最多。碳纖維是一種導電、易發(fā)生脆性破壞的材料,可以承受很大的靜載,但在絕緣性要求很高的電氣化鐵路、地鐵及隧道工程中,不宜采用;同為高強高彈模的芳綸纖維不存在這樣的局限,能經常承受沖擊載荷,芳綸纖維的極限破壞形式為塑性破壞,而且還是它的優(yōu)勢所在,其在抗剪方面也有很大的優(yōu)勢,在加固墩子時一般也是利用它優(yōu)異的抗剪性能,但芳綸纖維在裁剪時須用專門的陶瓷剪刀。
4、FRP復合材料的選擇
4.1環(huán)境影響
在高堿度和高潮濕度的地區(qū),宜選擇碳纖維復合材料,不宜選擇玻璃纖維復合材料;在溫度變化較大的地區(qū),玻璃纖維的熱膨脹系數與混凝土相似,宜選擇玻璃纖維;玻璃纖維和芳綸纖維是良好的絕緣體,而碳纖維是可導電體,為避免鋼筋的潛在電流腐蝕,碳纖維材料不應與鋼筋直接接觸。
4.2荷載影響
對于經常承受沖擊或振動荷載的結構,應優(yōu)先選擇芳綸纖維和玻璃纖維復合材料,它們的韌性、抗沖擊性能都比碳纖維復合材料好;對于要求耐蠕變和疲勞的結構,應優(yōu)先選擇碳纖維復合材料,碳纖維材料耐蠕變和疲勞的能力比芳綸纖維和玻璃纖維材料好得多。
4.3保護層影響
保護層的厚度和類型應根據FRP復合材料的要求選擇。對環(huán)境的抗力（如潮濕、溫度、沖擊、曝曬等）、施工現場抗力、人為破壞的抗力等,應采取有效的保護措施,以免使
FRP復合材料的力學性能減退。保護層通常采用兩種方法:①在FRP復合材料外加厚樹脂膠層,提供有彈性的保護層;②在FRP復合材料外粉抹一層高強水泥砂漿,保護
FRP復合材料不受損害。
5、結語
在我國,自現在及今后相當長的一段時期,各類橋梁及房屋建筑結構的維修、加固、改造將成為建設工程的側重點。目前國內常用的加固方法主要有纖維布復合材料加固、粘鋼板、擴大截面等方法,由上述分析可知,
FRP復合材料加固法具有非常明顯的優(yōu)勢,并且具有良好的經濟效益,必將在結構工程中得到廣泛的應用。
