FRP在结构中的应用与发展

陈喆

摘要：基于FRP具有的轻质高强、耐腐蚀等不同于传统材料的优越特性，经过国内外各项研究与实践，现已广泛运用于建筑结构领域。本文将结合FRP材料的优缺点及FRP混凝土结构在国内外的发展及应用情况，阐述FRP混凝土在建筑结构中的发展情况和面临的问题。

关键词：FRP；FRP结构；欧美规范；日本规范；中国规范

Abstract：Based on the superior characteristics of FRP including light weight， high strength， corrosion resistance and others which are different from other traditional materials， FRP has been widely applied in the field of architectural structure through various researches and practices at home and abroad. In this paper， the advantages and disadvantages of FRP materials and the development and application of FRP concrete structures at home and abroad are discussed， and the development and problems of FRP concrete in the construction structure are expounded.

Keywords：FRP； FRP-structure； American and Euro code； Japanese code； Chinese code

前言

从上世纪40年代开始，FRP已开始运用于航空、航天、船舶、汽车、医学、机械等高精尖领域，并且由于其轻质高强、耐腐蚀等特性弥补了传统建筑材料的不足，近年来在桥梁工程、海洋工程、加固改造工程等土木工程領域成为研究与运用的热点。国内外在应用的过程中都投入了一定的力量对纤维增强复合材料进行研究，并制定了相关规范。

1.FRP材料的特性

FRP材料的性质及优缺点有别于传统结构工程中使用的材料，虽不用于完全取代现有材料，但拥有其不可替代的地位。

1.1概述

FRP为fiber reinforced polymer composites的简称，中文译为纤维增强复合材料，指连续纤维或纤维织物及聚合物树脂通过复合工艺组合而成的一种聚合物基复合材料，常用的纤维复合材料形态见图1。按所用纤维的种类分为碳纤维增强复合材料（CFRP）、玻璃纤维增强复合材料（GFRP）、芳纶增强复合材料（AFRP）、玄武岩纤维增强复合材料（BFRP）等[5]，由FRP材料制成的常用结构材料包括FRP片材、FRP筋及FRP管等。

FRP片材主要应用于结构加固工程，由纤维布或连续纤维经工厂树脂浸渍固化后制成。

由单向连续纤维拉挤成型并经树脂浸渍固化的纤维增强复合材料制成的棒状制品称为FRP筋，可用于代替钢筋混凝土结构中的钢筋及预应力筋，为增加其与混凝土的粘结性，可对其表面进行处理。与传统用于钢筋混凝土中的钢筋性能相比，FRP筋抗拉强度高，弹性模量及伸长率较低，FRP筋与钢筋的主要力学性能指标的对比见表1。

FRP管常以内填充混凝土的组合形式使用，FRP管不仅能提供较大的环向约束力，又较传统钢管具有自重轻、耐腐蚀的优势。

1.2优点

FRP材料具有远高于普通钢材的抗拉强度，并且密度仅为一般钢材的四分之一左右，极大程度上减轻了结构自重，从而降低了运输及人工成本。轻质高强的特性使其多用于桥梁及大跨度工程，提高桥梁及大跨度建筑的极限跨度。

FRP材料具有良好的抗腐蚀性，可以长期使用于酸、碱、氯盐和潮湿环境中，弥补了传统材料在该类地域使用的不足。目前在海洋、化工建筑结构的实际运用中已很好得证明了该优点，在延长结构使用寿命的同时，还降低了结构的维护费用[9]。

FRP材料具有很好的可设计性，可以通过使用不同种类的纤维，不同的纤维含量制造出各种强度、各种形式的FRP产品[11]。

FRP材料的塑性变形小，在达到极限抗拉强度之前，其应力-应变关系接近线性，发生较大变形后仍能恢复原状，这对于结构偶然超载后的变形恢复比较有利。

FRP材料为非金属材料，具有无磁性的特点，使得其在一些有特殊要求的场合，如医院、实验室、机场等，发挥不可替代的用处。

FRP产品还适合于工厂中预制，运送至现场安装的施工方式，可以提高劳动效率，更好的保证工程质量。

1.3缺点

FRP材料的性质为各向异性，强度与弹性模量在沿纤维方向较高，垂直于纤维方向则较低，使其受力上不同于传统各向同性的材料，一定程度上增加了FRP结构的设计难度，从而限制了它的使用。

FRP材料拉伸时的弹性模量较低，仅为钢材的5%～50%，在实际运用中，需采用FRP组合结构来弥补刚度的不足。

FRP材料的抗剪强度低，大约只有其抗拉强度的1/20～1/2，与之相比，金属的抗剪强度则能达到其抗拉强度的一半左右，使得连接成为FRP结构的重要问题[11]。

2.国内外的发展与应用

自上世纪70年代开始，欧美国家及日本等都加强了对FRP混凝土结构研究与应用，并制定了相应的规范，我国于上世纪80年代开始对该领域的应用研究。

2.1美国

美国于1960年首次将FRP材料运用到了位于密西西比州的军工试验站加固工程中。上世纪60年代初，美国Marshall Veag公司生产出GFRP筋，因此钢筋混凝土结构在近海地区及寒冷地区盐蚀的问题得以解决。在1991年，美国混凝土协会就成立了专门ACI 440委员会，专门对FRP材料进行研究，于1999年出版了FRP外贴加固混凝土结构设计与施工指南，并于2001年制定了FRP筋在混凝土结构工程中的设计与施工准则，又于2003年推出了FRP筋在预应力混凝土结构工程中的设计指南，至今仍不断更新修订。

2.2加拿大

加拿大于20世纪90年代初就出版了应用于高速公路桥的FRP筋规范，随后还成立了ISIS专家委员会专门研究FRP增强及加固混凝土结构，并于20世纪90年代末，由加拿大政府投资3000多万加元用于研究FRP增强及加固混凝土结构并开发新型的FRP产品。

2.3日本

作为一个地震高发国家，为更好地提高建筑物的抗震性能，日本在上世纪70年代就开始了对FRP片材的研究，并于1984年率先使用FRP片材修补既有桥梁桥墩的裂缝，阪神大地震后，该技术更是大规模应用于加固工程中，加固范围也从对柱形结构的加固延伸至房屋梁板的加固工程中。1993年，日本于上世纪80年代末期成立的连续纤维复合材料委员会编制了世界上第一本关于FRP加筋混凝土及预应力混凝土结构设计指南[9]。1997年，连续纤维增强材料委员会提出了连续纤维增强材料混凝土结构设计与施工建议，该委员会由日本土木工程学会（JSCE）成立于1989年。

2.4欧洲

欧洲关于FRP材料的研究开始于上世纪70年代的德国，其于上世纪80年代建造了世界上第一座使用FRP后张预应力拉索的高速公路桥。研究FRP材料及其配筋混凝土结构性能的欧共体合作项目于1996年启动，同时设立了研究纤维增强塑料筋混凝土的联合攻关组織。1997年，由欧洲9个国家斥资130万欧元开启了为期4年的高性能纤维复合加强、预应力、加固混凝土结构设计指南的编写项目。FRP加固钢筋混凝土结构设计指南于2001年由欧洲混凝土结构国际联合会推出。

2.5中国

我国关于FRP材料加固混凝土结构技术的研究开始于1996年，并于两年后应用于实际工程，当时研究的材料以单向CFRP织物及片材为主，主要倾向对既有结构的加固，发展趋向成熟阶段并出版了相应的技术规程包括有《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》（CECS146）、上海地方标准《纤维增强复合材料加固混凝土结构技术规程》（DG/TJ08-012-2002）。2000年6年，我国首届FRP混凝土结构学术交流会在北京召开，主要对CFRP材料加固混凝土结构的性能进行了讨论，FRP及FRP工程应用专业委员会同年由中国土木工程学会混凝土及预应力混凝土分会成立。2010年8月，由中冶建筑研究总院有限公司和国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心会同有关单位共同编制而成的与建筑用FRP材料相关的国家标准《纤维增强复合材料建设工程应用技术规范》（GB 50608-2010）颁布，并于2011年6月1日起实施，该规范以近年来我国在纤维增强复合材料建设工程应用领域的实践经验及美国纤维增强聚合物钢筋结构混凝土的设计和施工指南及用于加固混凝土结构的外粘FRP系统的设计和施工指南为基础进行研究编制，内容涵盖材料特性、混凝土结构加固及修复、砌体结构加固及修复、FRP筋及预应力FRP筋混凝土结构构件、FRP管组合构件、FRP-混凝土组合梁等。随着纤维增强复合材料实际应用项目大量增加，生产制造工艺日趋成熟，使用成本得以下降，目前中国已经成为FRP材料应用的第一大国[4]。

3.结论

FRP材料并不用于完全取代现有材料，而是对传统材料无法达到的性能提供一个有效的补充，其高强轻质、耐腐蚀、可设计性强、塑性变形小、无磁性、易预制等传统材料无法比拟的优点都使其成为结构工程中的应用及研究热点。近几十年来，各国都对FRP材料在结构工程中的研究投入了极大的关注，并取得了明显的成果，但仍有一些问题及发展方向值得进一步探究。

（1）目前中国已经成为FRP材料应用的第一大国，然而相比国外对其已制定的标准，我国在FRP在结构中应用的规范还显得非常不足；

（2）对于在结构中应用FRP材料的研究，FRP加固混凝土结构方面的研究相对比较全面，FRP筋与混凝土组合结构的研究还较多的集中于FRP筋与混凝土的粘结机理及FRP筋在混凝土中的锚固长度，还需要更加全面深入的探究；

（3）另外，实践项目较少，缺乏长时间的实验及实践数据，也一定程度上限制了FRP受到更广泛的关注与应用。

参考文献：

[1]ACI Committee 440. Guide for the Design and Construction of Structural Concrete Reinforced with Fiber-Reinforced Polymer Bars， ACI 440. 1R-15[R]. Farmington Hills， Michigan： American Concrete Institute Committee 440， 2015.

[2]ACI Committee 440. Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Concrete Structures， ACI 440. 2R-08[R]. Farmington Hills， Michigan： American Concrete Institute Committee 440， 2008.

[3]Canadian Standards Association. Design and Construction of Building Components with Fiber-Reinforced Polymers [S]. Toronto， Ontario： Canadian Standards Association， 2002.

[4]高可为，陈小兵，丁一，刘宏扬，代伍年，陈逸昕，郝彤.纤维增强复合材料在新建结构中的发展与应用[J].工业建筑，2016，46（4）：98-103

[5]GB50608-2010.纤维增强复合材料建设工程应用技术规范[S].北京：中华人民共和国住房和城乡建设部.2011

[6]GB50010-2010.混凝土结构设计规范[S].北京：中华人民共和国住房和城乡建设部.2011

[7]ISIS Canada. Design manual 3， reinforcing concrete structures with fiber reinforced polymers （FRPs）. ISIS Canada Corporation， the Canadian Network of Centres of Excellence on Intelligent Sensing for innovative Structures， Winnipeg， Manitoba， Canada； 2007.

[8]Japanese Society of Civil Engineers. Recommendation for Design and Construction of Concrete Structures Using Continuous Fiber Reinforcing Materials [S]. Tokyo， Japan： Japan Society of Civil Engineers， 1997.

[9]江世永，飞渭，李炳宏.复合纤维筋混凝土结构设计与施工[M].北京：中国建筑工业出版社，2017

[10]杨振秦.FRP材料在混凝土结构中的研究与应用[J].中国建材科技，2016（1）：6-8

[11]叶列平，冯鹏.FRP在工程结构中的应用与发展[J].土木工程学报，2006，39（3）：24-36