FRP 在桥梁结构工程中的应用及发展.docx

FRP在桥梁结构工程中的应用及发展崔毅1吴刚2杜自力3王磊1田野3（1北京特希达科技有限公司北京100011）（2东南大学土木工程学院南京210096）（3北京特希达南京研发中心南京210018）摘要：本文对我国FRP在桥梁结构工程中的研究、应用情况做梗概介绍，并瞻望其发展态势。关键词:FRP ；加固；桥梁；应用；发展1前言桥梁是公路和铁路畅通运行的咽喉，确保其承载能力和正常的使用性能是沟通全线的关键。随着交 通事业的猛速发展，运输量大幅度增长，行车密度及车辆载重量也日益增加。现有桥梁中相当一部分已经 不能满足承载力和使用性能的要求，因此，对桥梁结构的维修、加固和补强等方面的研究和应用已引起世 界性的关注。八十年代初，纤维增强聚合物（FRP）首先被瑞士联邦材料测试和研究中心（EMPA）用于 混凝土试验梁的加固，九十年代初成功用于实桥的加固。特别是1995年日本阪神大地震以后FRP在桥梁 结构工程中的应用得到迅速的发展。我国九十年代开始对FRP在土木工程中的研究较多，并取得了不少成绩，本文对我国FRP在桥梁 结构工程中的研究、应用情况做梗概介绍，并瞻望其发展态势16。2 FRP材料的形式及性能FRP的种类很多，按照原材料分可分为碳纤维增强聚合物（CFRP）、玻璃纤维增强聚合物（GFRP）、 芳纶纤维增强聚合物（AFRP），国内外的学者对这几种FRP已经做了较多的研究和应用。最近日本又开 发出一些新型FRP材料，如PBO （ y77->>>yt才牛一儿，简称PBO ） , DFRP （夕'V二一 FRP，简称DFRP ）。PBO力学性能与高强度CFRP相近，但有更好的物理性能，特别是 有很好的柔韧性。D FRP有很好的柔韧性及延性，抗拉极限应变可达3.5 %，各种物理性能也很理想。 按照形式分可以分为丝状、布状（或片状）、板状、网格状、索状、筋状、管状等（如图1所示）。按照 性能分，可分为高强度FRP （ CFRP强度可达到4000MPa以上）；高弹模FRP （如有的CFRP弹性模量 可以达到640GPa ）；高延性的FRP （如DFRP的极限应变可以达到3.5% ）。图1部分典型FRP的形式表1部分典型FRP性能FRP类型设计厚度/直径（mm）极限强度（MPa）弹性模量（GPa）极限应变（%）CFRP高强CFRP0.11134002301.48高弹模CFRP0.14319004900.49板状CFRP1.228001651.7网格状CFRP网格状14001001.4CFRP 筋0 1223001471.6CFRP 索0 8.411001001.1GFRPGFRP0.1181500732.05AFRPAFRP0.19320601181.7PBOPBO0.12840002401.7DFRPDFRP0.2581850702.64注：此表列出的只是部分有代表性FRP材料的性能。3 FRP片（布）材的应用情况目前，FRP片（布）材在土木工程加固领域中的研究是开展最早，研究最多的一个领域，在我国应 用也最广泛。3.1抗弯加固7东南大学在两批共36根混凝土梁的试验基础上，对CFRP用于钢筋混凝土梁抗弯加固后的破坏特 征、受弯承载力、刚度及裂缝分布等进行了研究与分析。试验研究了各种参数对加固效果的影响，参数包 括：CFRP类型（布、板、网格）、粘结胶、混凝土梁的配筋率、配箍率、CFRP的锚固长度、CFRP层 数、各种锚固方式等。结果表明，CFRP加固后梁的破坏类型主要有9种（图2） : （ 1）受压区混 凝土压坏；（2）CFRP拉断破坏；（3）剪切破坏；（4）端部保护层混凝土粘结破坏（混凝土粘 在CFRP上）；（5）混凝土 -胶界面粘结破坏（混凝土几乎没有粘在CFRP上）；（6）胶-CFRP界面粘结破坏；（7 ） CFRP-CFRP界面粘结破坏；（8 ）从梁中部弯曲裂缝处开始的粘结破坏；（9）从 剪切裂缝处开始的粘结破坏。研究还指出，不同的破坏类型其承载力计算方法不同，文献5并提出各 种情况下承载力的计算方法。图3为北京特希达公司根据文献5提出设计方法对山东某桥进行分析， 计算表明，利用CFRP加固可以使梁的承载力提高30%以上。图3为施工现场图。图2 CFRP抗弯加固混凝土梁破坏类型图3利用CFRP对山东某桥抗弯加固施工图3.2抗剪加固8东南大学在20根梁的试验基础上，研究了 CFRP抗剪加固钢筋混凝土梁后的承载力、破坏特征和 机理；探讨了 CFRP粘贴方式、梁的剪跨比等参数对加固效果的影响。试验表明，CFRP加固后梁的受剪 破坏特征类似于普通砼梁，粘贴在梁侧面的CFRP会发生两种破坏形态，分别为CFRP被拉断和粘结破坏 （砼被拉下）。发生哪种破坏，主要由CFRP的锚固性能所决定：梁破坏时，靠近支座处的斜裂缝在梁底 部，对U形条带，该处CFRP有较大的锚固长度，所以，往往发生CFRP被拉断的破坏；而靠近加载点处 的斜裂缝在梁顶部通过，该处CFRP锚固长度很短，故往往发生粘结破坏。可见，锚固性能的保证对加固 效果影响很大。加固后梁的破坏特征见图4。图4 CFRP抗剪加固梁的破坏特征3.3 FRP约束混凝土的性能6对混凝土柱，通过约束其侧向膨胀，产生相应被动约束力，从而提高其强度和延性，常见方法有： 箍筋约束、钢管约束、外包FRP约束、FRP管约束等。由于FRP材料优点很多，最近在加固桥梁结构桥 墩等方面得到广泛应用，图5为特希达公司对北京某著名桥利用CFRP约束混凝土提高矩形柱承载力的加固实例10。图5用CFRP对北京某著名桥的加固对FRP约束混凝土圆柱体的试验研究表明：（1）FRP约束混凝土圆柱可显著提高其强度和延性，但由于FRP是线弹性材料，其破坏有明显 的脆性（如图6所示），其约束性能与箍筋、钢管等约束有明显区别（见图7）。已有的箍筋或钢管约束混凝土圆柱的应力-应变关系模型不能直接用于FRP约束混凝土。（2）FRP约束混凝土圆柱体后的应力一应变关系曲线可能有、或无软化段（见图8 ）。曲线有无软化段主要与FRP约束混凝土的侧向约束强度和未约束混凝土的强度比有关。无软化段 时的应力一应变关系曲线近似由两条上升的曲线组成，并可以用三折线模型来确定FRP约束混凝土无软化 段时的应力一应变关系曲线。有软化段时的应力-应变曲线也可用相应的模型确定。(3) FRP约束混凝土棱柱体的性能与约束圆柱体性能有较大区别，而且影响FRP约束混凝土棱 柱体应力一应变关系的因素更多，特别是矩形截面转角大小及砼强度等影响较大，在确定FRP约束混凝土 矩形柱应力-应变关系时需要考虑这些参数的影响。(a )试验装置(b) GFRP ( c ) PBO (d)高强 CFRP ( e )高弹模 CFRP图6 FRP加固混凝土圆柱体试验破坏形态图图8 FRP约束混凝土圆柱应力-应变关系曲线图7各约束混凝土应力一应变关系曲线比较3.4 FRP约束混凝土抗震性能为研究CFRP加固混凝土圆柱的抗震性能，东南大学与日本茨城大学等单位合作，对FRP加固混凝 土圆柱的抗震性能进行系统研究，共进行了约50个混凝土圆柱和方柱在低周反复荷载作用下的抗震性能 研究，研究的参数包括FRP的种类、轴压比、剪跨比、配箍率等等。最近完成一批FRP加固低轴压混凝土圆柱的抗震性能，圆柱直径为300mm，高度为1450mm，加载制度根据日本有关规程建议方法。加固 前的柱子为弯剪破坏，加固后的柱子为弯曲破坏，加固后承载力和延性都有明显的提高（图9）。位移（mm）（a）加固前（b）1层CFRP加固后图9 FRP加固前后混凝土圆柱荷载-位移曲线4其他一些应用4.1外贴预应力FRP片材加固结构2自八十年代末以来，外贴FRP片材加固结构已得到广泛应用，近几年，预应力FRP片材加固结构 技术更备受关注，该加固方法可使初始开裂荷载、钢筋屈服荷载及混凝土裂缝宽度等都得到较大幅度提高 和改善，有较大优势，并已在实际工程中进行了应用，但仍有不尽人意之处：（1）对无树脂连续纤维进行张拉时，初始预应力过低（当初始预应力为极限应力的30 %左右就 有纤维丝开始断裂），再扣除锚固损失，松弛损失等，可导入的有效预应力低，加固效果不明显，经济性 也不好。（2 ）若先在连续纤维外涂刷树脂，后进行张拉，其张拉控制应力可以达到极限应力的60 %左右， 但由于树脂硬化以后，片材刚度和硬度均较大，很难保证与结构表面粘贴密实，特别是在盐害、混凝土脱 落比较严重及梁有反拱等情况下，容易发生粘结破坏。（3 ）由于是外贴式的加固，其耐久性仍是课题。4.2预应力FRP索加固结构由于FRP耐腐蚀，近年来，作为钢绞线的替代材料被施加预应力后用于结构的加固，该方法可以平 衡掉部分恒载，较大幅度地提高结构承载力与刚度具有一定的优势。日本茨城大学对CFRP索增强混凝土 梁的抗弯性能进行了研究（图10 ），研究包括：CFRP索的力学性能；体内CFRP索增强混凝土梁的抗弯性能（包括有粘结、无粘结、施加预应力和不施加预应力）；以及体外CFRP索增强混凝土梁的抗弯性 能。国外也已有用体外CFRP索加固桥梁结构的实例。（图11）图10 CFRP索增强混凝土结构试验图11国外某体外CFRP索加固桥梁结构实例4.3全FRP结构6FRP结构自重轻、耐久性好、施工安装施工方便等优点首先为桥梁工程师和研究人员所认识，并首 先在人行桥结构上进行尝试。1986年，我国重庆建成第一座斜拉FRP箱梁人行桥一交院桥，此后，在四 川省内又建成多做人行桥。1990年，日本在PWRI （ Public Works Research Institute ）的支持下建成一座全FRP结构的 试验桥，见图12。用来验证全FRP结构的可行性和耐久性，桥柱、梁、桥板和扶手都是GFRP拉挤型材， CFRP斜拉桥，混凝土基础。荷载试验和长期变形观测表明了全FRP结构桥梁的可行性。另外，英国、瑞 士、丹麦、美国等也建造了 FRP结构桥。图12日本某全FRP结构桥4.4 FRP组合结构FRP与混凝土、刚材、木材组合结构的研究和应用也是今后的重要发展方向。如FRP管约束混凝土 能得到性能比钢管混凝土更优的结构；而FRP、钢管组合约束混凝土能得到具有自重小、强度高、耐久性 好及施工方便等多种优点的组合结构，可应用于桥墩、桥塔及大尺寸柱子等大跨桥梁和空间结构中。4.5 FRP索斜拉桥目前，北京特希达科技有限公司、东南大学等单位合作努力建造我国第一座CFRP斜拉桥，该桥为 独塔双索面钢筋混凝土斜拉桥，为国内首座采用CFRP斜拉索的新型斜拉桥，采用塔梁墩固结体系，索塔 为双柱式，跨径为30 + 18.4m，桥面宽度为5m，设计人群荷载为3.5kN/m 2，抗震设防烈度为VII度。 索塔两侧各布置4对拉索，斜拉索采用日本三菱公司生产的leadline系列CFRP筋，CFRP标准强度为 2300MPa，允许应力取0.35倍的标准强度，弹性模量为147GPa，拉索外包HDPE护套，总计用索为3061m 左右。锚具由东南大学与北京特希达科技有限公司等合作研制。该桥预计今年年底竣工。5结语与展望虽然FRP在土木工程中的应用与历史不长，但已经得到国际工程界的普遍认同，成为各国研究开发 的热点，并已取得大量的有价值的研究成果。但我国研究与应用历史不长，与发达国家还有不少差距，我 们认为还有以下的不足之处和急需加以提高的：(1 )基础及应用研究工作不够深入我国目前进行的研究与国外相比还相对肤浅，特别是基础理论研究还不够深入和系统，以FRP约束 混凝土抗震性能为例：近年来，国内学者在该领域已做了不少的研究。但总的来说，该领域内的研究有以 下几个特征：实践应用超前于理论研究；试验研究多于理论分析；定性结论多，定量计算公式少。有关FRP 约束混凝土抗震性能的理论分析及设计方法，在我国目前的规范中还是空白。(2 )技术规范化程度不够4国外，很多国家在九十年代既完成了较多的规程，如日本，已经有十多种有关材料、设计、施工、 检测等规范和规程。从1999年开始，我国开始了有关FRP加固修复混凝土结构的标准和规程的编制，目 前已完成碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程，但其它规程的编制还有大量的工作要做。(3)工程应用盲目、不规范的现象较多FRP具有很多的优点，但也有很多不足之处，所以，我们要提倡在工程中合理、科学地选择应用FRP， 一方面，现在FRP的类型和形式越来越多，我们要选择最合适的进行应用，另一方面，要避免为使用FRP 而应用FRP的情况，很多时候用用传统的建筑材料、或者传统的技术就能解决工程问题，就尽量不用FRP， 毕竟，现在用FRP很多时候还不是很经济。不过，我们也相信，随着国家有关部门的重视、国家对该领域资助的增强，以及全体科技人员的努 力下，我国FRP在土木工程中研究和应用的水平会得到很大的提高。参考文献:1 吕志涛，新世纪混凝土结构对新材料的挑战，全国首届纤维增强塑料(FRP)混凝土结构学术 交流会论文集C，北京，2000年6月：1-4.2 吴智深，FRP复合材料在基础工程设施的增强和加固方面的现状与发展，中国纤维增强塑料 (FRP)混凝土结构首届学术交流会论文集，2000年6月，北京。3 Proceedings of the first international Conference on Structural Health Monitoring and Intelligent Infrastructure, Edited by Z. S. Wu and M. Abe, A.A. Balkema Publishers, 13-15 Novermber, 2003, Tokyo, Japan.4 岳清瑞，纤维增强塑料(FRP)在土木工程结构中应用技术的进展，第二届全国土木工程用FRP 应用计算学术交流会论文集，2002年7月，中国昆明。5 吴冈。，FRP加固钢筋混凝土结构的试验研究与理论分析，东南大学博士学位论文，2002。6 冯鹏、叶列平，FRP结构和FRP组合结构在结构工程中的应用与发展，第二届全国土木工程 用FRP应用计算学术交流会论文集，2002年7月，中国昆明。7 吴刚、安琳、吕志涛，碳纤维布用于钢筋砼梁抗弯加固的试验研究与分析，建筑结构，Vol.30, No.7, 2000 年，pp. 3-6。8 吴刚、安琳、吕志涛，碳纤维布用于钢筋砼梁抗剪加固的试验研究与分析，建筑结构，Vol.30, No.7, 2000 年，pp. 16-20。9 吴刚，吕志涛，FRP约束混凝土圆柱无软化段时的应力-应变关系研究，建筑结构学报， 2003, 24(3)。10 北京特希达科技有限公司，1999年2004年工程实例资料集，2004年7月。