（1.沈阳工业安装工程股份有限公司，辽宁，沈阳，110003）
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【摘 要】我国大量的建筑物正面临着材料腐蚀老化、原有建筑使用功能不合理等一系列的问题。本文通过介绍FRP复合材料加固技术在国内外各种工程实例中的广泛应用，表明这种新型的加固技术能够使建筑物的抗弯、抗剪和抗震等能力得到显著地提高，有效的延长了建筑物的寿命，使得大量建筑物能够继续发挥其自身的使用功能，避免了因拆除建筑物所产生的建筑垃圾对环境的污染和破坏，同时也节约了大量的财力、物力和人力，与绿色建筑的理念相吻合。
【关键字】FRP；加固技术；绿色建筑
引言
纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer，简称FRP) 作为一种新型材料于20世纪40年代起逐渐进入人们的视野，这种材料具有弹性模量小、热膨胀系数与混凝土相近、施工方便、轻质高强、耐腐性好等优点，可以在腐蚀性环境中长期使用而不出现耐久性问题，进而延长混凝土结构的使用寿命，显著减少建筑物维护费用，其具有非常广阔的应用前景，被称为继混凝土和钢材之后的“第三大结构材料”[1]。目前，FRP复合材料在建筑工程中的用途分为两类：第一类是将FRP复合材料运用在对现有建筑结构的加固和维护方面，第二类是将FRP复合材料看成一种新型建筑材料而用于新建结构中。
1．应用背景
混凝土结构的出现距今也不过150多年，但却凭借其自身的优点而到得了快速的发展，其应用范围之广远远超过传统的木结构和砌体结构。我国大规模的混凝土结构工程的建造始于70年代的改革开放，距今不过40多年，但是，随着我国经济水平的不断提高，科学技术的不断发展，大量的混凝土结构建筑已无法满足现代人们对于其安全性、舒适性和耐久性的要求。
造成现有建筑物无法满足现代社会的原因主要有以下几点：
（1）环境的严重污染导致材料的腐蚀和老化;
（2）原有的建筑使用功能无法满足现代社会的快速发展;
（3）我国现行的设计规范要求的不断提高；
（4）受当时条件限制所产生的设计和施工过程中的偏差。
我国大量的混凝土建筑因为以上几点原因而无法继续满足现代社会的要求，如何处理这些建筑也是我们现在所面临的一大挑战。将这些建筑全部拆除重建无疑是不现实的，这不仅需要花费大量的资金和资源，消耗大量的时间，同时也会产生许多建筑垃圾。
在我国,目前每年生产各种建筑材料要消耗资源50亿吨以上，消耗能源超过2.3亿吨标准煤、破坏良田7000km2。仅水泥和石灰每年排放CO2就达6亿吨，占全国工业排放CO2量的40%[2]。这既不符合绿色建筑的理念，同时也与我国的可持续发展战略背道而驰。通过运用FRP复合材料对已有建筑物进行加固，能够使这些建筑物的抗弯、抗剪、抗震能力得到极大的提高，从而能够使那些原本需要拆除重建的建筑物继续为社会的发展服务。大力发展FRP加固技术，可以极大的减少因为拆除重建所造成的环境污染和对资源的浪费，这是发展绿色建筑产业不可或缺的组成部分。
2．FRP加固技术
近二三十年来，FRP加固技术引起了国内外学者的广泛关注，并进行了大量的研究工作，这种技术现在已经开始大量应用于结构加固领域。
2.1 FRP材料
FRP这种材料能够作为一种建筑材料被广泛应用，与其自身的特点有关。FRP材料的主要特点有[3]：
（1）抗拉强度高，其中CFRP材料的抗拉强度甚至是普通钢筋的七倍。
（2）具有较强的抗腐蚀性和耐久性，能够用于腐蚀性较大的环境。
（3）自重轻，施工方便。加固后不会给原有结构增加太多的荷载，这对旧有结构的维修加固是非常有益的，避免造成连锁补强问题。
（4）热膨胀系数与混凝土相近。当环境温度发生变化时，两者不会产生大的温度应力。
（5）弹性模量小，只有当产生较大的变形时才能发挥其强度。
2.2 常用加固方法
目前，国内外常用的FRP加固方法分为两类：表面粘贴法和嵌入式加固法。
表面粘贴法：通过运用树脂类的粘结材料，在需要加固的构件表面粘贴FRP板或布，从而提升构件的性能。在进行施工时，先将构件需要加固的部位进行打磨处理，再对打磨面进行清理，最后将粘结剂分别涂抹在构件和FRP材料的表面完成粘贴。但是这种方法会使FRP材料暴露在外面，易受到磨损与撞击，且不利于防火。
嵌入式加固法：基于表面粘贴法的不足，研究人员又提出嵌入式加固法，即在需要加固的构件表面开槽，将FRP筋或板放入槽内并浇注粘结剂，从而提高构件的性能。这种方法能够有效的保护FRP材料，使其不易受到磨损和撞击的影响，同时也减少了对混凝土表面进行处理的工作量，有利于提升工作效率。
3．FRP加固技术的应用
1948年瑞典技术人员通过采用嵌入钢筋的方法对一座混凝土桥梁负弯矩区进行了加固(图1)，这是文献中记载的最早使用表面内嵌加固技术的工程实践，施工人员通过在桥面开槽嵌入普通钢筋并用水泥砂浆粘结，从而提高桥梁承载力，1949年Asplund对此有详细记载[4][5]。如今，鉴于FRP复合材料所具有的轻质、高强、耐腐蚀等特性，工程技术及研究人员用FRP筋取代钢筋，环氧树脂、结构胶等粘结剂取代了水泥砂浆，此项加固技术己在国内外被一些工程加固项目所采用。
图1 表面嵌贴加固桥面板
图2 FRP加固技术在筒仓中的应用
3.1 FRP加固技术在国外的应用
20世纪80年代起，西方发达国家开始将FRP应用于结构加固。1982年，Meier[6]首先在瑞士联邦材料实验室进行了CFRP 加固混凝土的试验研究。
1997-1998年，Hogue[7]等人对美国Oklahoma市的一所建筑物进行了加固改造，并对其中的一根梁使用了CFRP筋嵌入式加固方法。
1998年，Alkhrdaji[8]等人对美国正在使用的J-857桥梁进行加固，其中的3块混凝土实心板选择了嵌入式加固方法，采用直径11mm左右的CFRP喷砂筋进行加固。经试验检测显示，J-857桥梁的实际承载力提高了约27%。Nanni[9~10]也采用此方法对波士顿的6个混凝土椭圆形筒仓进行加固(图2)。竖向和水平方向分别采用直径为8mm和11mm的CFRP喷砂筋，均布置在相邻钢筋的中间， 采用环氧树脂作为粘结剂。
1999年，Tumialan[11]采用FRP复合材料对一座5层的框架砌体墙进行加固，效果良好。
韩国首尔的Sung San桥的中间一跨桥面板底部出现较大裂缝，采用11条CFRP板条进行预应力加固，问题得以解决。如图3所示。
图3 预应力CFRP板条加固桥面板
图4 CFRP加固后的板
3.2 FRP加固技术在国内的应用
1998年，辽宁抚钢厂房柱采用CFRP材料进行加固以后，其抗剪能力有了显著地提高[12]。
1998年4月，北京巨龙公司1#建筑为新建8层框架结构，在其建成尚未投入使用的时候，其承载功能发生了变化，导致部分梁、板的承载能力不足。后经采用CFRP材料进行加固以后，其梁、板的抗剪承载能力均有了显著地提高[12]。加固如图4所示。
1999年，山东省淄博市临淄造纸厂造纸车间厂房的二层因生产设备的更新换代，导致楼面活荷载以及设备荷载大幅增加，原有设计已无法满足使用要求。经专家研究以后，决定对二楼楼面梁采用CFRP复合材料进行加固。加固以后效果良好，楼面梁的承载能力和变形刚度均有明显提高[13]。加固如图5所示。
图5 CFRP加固楼面梁图
图6 CFRP板加固
2003年，通过对位于湖南省浏阳市境内的106国道线上的建于1963年的金刚头桥进行检测，发现该桥主梁梁身出现了多条裂缝，抗弯刚度退化严重，桥身的挠曲变形显著。通过对梁身底部进行大范围的预应力CFRP板加固以后，抗弯刚度得到明显的提升[14]。加固如图6。
位于上海至聂拉木的318国道K122处的三里桥，是一座装配式钢筋混凝土简支板桥，跨度8m，桥面宽11m。通过对桥身进行检查，发现梁板低横向开裂严重，裂缝大部分贯穿梁板，且跨中位置裂缝密集。经研究讨论之后，决定采用CFRP复合材料进行加固，从而有效提高其抗弯刚度[15]。
4．FRP加固技术存在的问题及发展趋势
虽然FRP加固技术已经在国内外的工程实例中得到应用，但由于这种新型技术出现的时间较晚，因此，不可避免的具有许多缺点及不足之处。
（1）防火性能较差。一般的FRP材料的临界温度为300℃左右，表面粘贴法使得FRP材料暴露在外面，非常容易受到火灾的侵害。嵌入式粘贴法虽然能够避免FRP材料直接受到火灾影响，但因粘结剂多为环氧树脂和结构胶，因此也易遭受火灾破坏。
（2）受施工工艺影响较大。表面粘贴法施工时需要保证构件表面的平整干净，否着会严重影响粘结性能，嵌入式粘贴法在对构件开槽时也要防止凹槽处的混凝土出现裂缝。
（3）缺少相关技术规程。虽然FRP加固技术已被用于工程实践，但总体来说这种技术依然处于理论研究阶段，还有大量的问题需要解决，在短时间内不会出现比较完善的技术规程，也就无法作为一种成熟的施工技术进行推广。
尽管FRP加固技术存在着许多不足，但这种加固方法依然有着广阔的发展前景，为了能够更好的推动FRP加固技术在我国的研究与发展，应当做好以下几点：
（1）加强对混合纤维加固方法的研究。目前常用的FRP材料有两类:碳纤维(CFRP)和玻璃纤维(GFRP)。CFRP材料抗拉强度大，加固效果好，但是造价昂贵，GFRP材料延性好且造价低廉，但是其抗拉强度远低于CFRP材料。如果能够将这两种材料结合使用，相互弥补各自的不足，会有较好的发展前景。
（2）加强对FRP材料的研究与开发。FRP材料在我国出现的时间较短，研究与开发程度与西方发达国家有很大的差距。虽然我国已具有了较为成熟的GFRP生产技术，但生产规模还很小，而且高性能的CFRP材料依然依赖进口。这也导致了FRP材料的造价与钢材相近，不利于这种新型材料的发展。
（3）加强对FRP材料的防火性能的研究。FRP材料本身是一种不耐火材料，经FRP加固后的建筑物在防火方面面临很大的挑战。虽然现在已经出现了通过在粘结剂中添加防火材料来保护FRP的方法，但这并不能从根本上弥补FRP材料不耐火这一缺陷。如何能够通过改善FRP材料自身特性来弥补这一不足，仍然是广大学者需要继续研究的问题。
5．结论
本文通过对新型的FRP加固技术进行介绍，并归纳出FRP加固技术在国内外的一些应用实例，可以得出以下几个结论：
（1）通过运用FRP复合材料来对现有建筑物进行加固是可行的。建筑物在经过FRP加固技术加固以后，其自身的抗弯、抗剪、抗震性能均能得到显著地提高。
（2）通过运用FRP加固技术对建筑物进行改造，能够让那些已经无法满足现代社会发展需要的建筑物得以继续被使用，从而提高现有建筑物的使用效率和使用寿命。
（3）FRP加固技术是一种节能环保的新型绿色技术。FRP材料在生产的过程中不会像传统建筑材料一样消耗大量的能源，产生过多的污染物。这既符合了我国现行的可持续发展道路，也与绿色建筑的发展理念相吻合。
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论文作者:李杰1,何禄源2
论文发表刊物:《工程建设标准化》2016年1月供稿
论文发表时间:2016/4/21
标签：材料论文; 技术论文; 建筑物论文; 建筑论文; 复合材料论文; 混凝土论文; 表面论文; 《工程建设标准化》2016年1月供稿论文;