纖維增強(qiáng)塑料(Fiber Reinforced Plastic FRP)在國外已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在土木工程中。然而，在我國對(duì)于FRP的研究應(yīng)用還十分有限。作為一種新材料，F(xiàn)RP表現(xiàn)出強(qiáng)度高、重量輕、抗腐蝕等優(yōu)良特性，使其廣受歡迎。本文簡介了FRP在國內(nèi)外的研究應(yīng)用狀況，并提出了一些建議。


1  纖維增強(qiáng)塑料簡介

    纖維增強(qiáng)塑料(fiber reinforced plastic或fiber reinforced poly mer，F(xiàn)RP)是一種復(fù)合纖維材料，是由合成或有機(jī)高纖維構(gòu)成，是混凝土結(jié)構(gòu)中一種新型復(fù)合材料。它具有質(zhì)量輕、便于施工、比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)更耐用、耐腐蝕、高強(qiáng)度質(zhì)量密度比f是鋼筋的10- 15倍）、耐疲勞f是鋼筋的3倍）、電磁中性、低導(dǎo)熱系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)。但其也具有一些缺點(diǎn)。如：施工費(fèi)用高、彈性模量低、紫外線對(duì)其傷害大、長期強(qiáng)度低于短期靜力強(qiáng)度、水腐蝕、施加預(yù)應(yīng)力時(shí)橫向應(yīng)力大等。

       FRP主要由高性能纖維、聚酯基、乙烯基或環(huán)氧樹脂組成，典型的FRP大約有60% - 650-/0的纖維，其余是基體。單絲經(jīng)過浸潤樹脂、拉拔、纏繞、粘結(jié)而形成片材、板材、繩索、棒材、短纖維或格狀材。

       FRP可用于新建結(jié)構(gòu)、補(bǔ)強(qiáng)加固舊建筑物、構(gòu)筑物、預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)、路面結(jié)構(gòu)、橋梁工程、海岸和近海工程
中。尤其在一些腐蝕嚴(yán)重或難于修補(bǔ)的結(jié)構(gòu)—工業(yè)廠房、橋梁的橋面板、橋墩等結(jié)構(gòu)中更能發(fā)揮其強(qiáng)度高、易于施工、剪裁方便等優(yōu)點(diǎn)。FRP用于工程中的主要有碳纖維（carbon fiber reinforced polymer，CFRP)、玻璃纖維(glass finber reinfored plymer，GFRP)和芳綸纖維faramid fiber reinforced polym er, AFRP).

       碳纖維(CFRP)在所有FRP中彈性模量最高，極限拉應(yīng)變?cè)?1 2-2.0之間，線膨脹系數(shù)為0.2x 10-6m/℃，大部分CFRP的抗拉強(qiáng)度大約是3GP a彈性模量為230GPa也有高模量的——彈性模量可達(dá)380CPa- 640GPa[lJ。CFRP多使用聚丙烯腈(pobracrylonitrile，PAN)或?yàn)r青(pitlr based)為基材。

       芳綸纖維f AFRP)具有最高的極限拉應(yīng)變。AFRP有三種：Kevlar AF RP、Tw aron AFRP、TechnoraAFRP
AFRP的抗拉強(qiáng)度為2.65GPa-3.4CPa，彈性模量為73CPa-  165C Pa。AFRP的彈性模量與抗拉強(qiáng)度成反比：彈性模量越高，抗拉強(qiáng)度越低；彈性模量低?？估瓘?qiáng)度高。

       玻璃纖維f GFRP)是花費(fèi)最少的一種FRP。它有兩種：E_ glass和S-glass。各自的彈性模量和抗拉強(qiáng)度為2. 3GPa和74GPa，3.9CPa和87 GPa。CFRP的橫向抗剪強(qiáng)度低，與混凝土的線膨脹系數(shù)相近。CFRP可制成預(yù)應(yīng)力筋用于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中。用于補(bǔ)強(qiáng)加固的有玻璃纖維片材和板材。

2  國外對(duì)于FRP的研究應(yīng)用

      1960年美國開始對(duì)FRP進(jìn)行開發(fā)，F(xiàn)RP的研究工作主要集中在GFRP。但由于GFRP的彈性模量低而中斷研究近20年。由于鹽腐蝕鋼筋導(dǎo)致了建筑結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)使用性能的退化而將FRP重新提上日程來。康奈爾大學(xué)成功地進(jìn)行了小尺寸FRP預(yù)應(yīng)力梁的試驗(yàn)。南達(dá)科他礦業(yè)理工大學(xué)開發(fā)了GFRP筋。

       日本在20世紀(jì)70年代就進(jìn)行了FRP的應(yīng)用開發(fā)。日本現(xiàn)已開發(fā)出各種FRP，有FRP筋包括(圓形的、方形的、變形的)FRP絞線、三維和平面格狀材、片材、板材。在日本使用最多的是CFRP，其歡是AFRP和CFRP。近年來，F(xiàn)RP片材已經(jīng)開始使用玻璃和聚乙烯纖維。日本于1993年編制了世界上第一個(gè)FRP設(shè)計(jì)施工規(guī)范，并于1997年發(fā)行了歐洲版本。FRP片材在1987年作為一種抗震材料提出，1995年神戶大地震之后。迅速開展了FRP片材的使用和開發(fā)。并編制了相應(yīng)的設(shè)計(jì)施工規(guī)范H。

       20世紀(jì)70年代，德國斯圖加特大學(xué)開始對(duì)FRP進(jìn)行研究，重點(diǎn)是GFRP預(yù)應(yīng)力筋。1978年，承包商St rabag、化工品商Bayer合作開發(fā)了GFRP預(yù)應(yīng)力筋和錨固系統(tǒng)并應(yīng)用在德國和奧地利的幾座橋梁中。1983年，荷蘭化學(xué)商AKZO、承包商HBC開發(fā)了名叫Arapree的AFRP筋。蘇黎世EM PA研究院開展了外貼CFRP片材的研究工作。近期的研究工作主要集中在FRP筋的使用上。1991年11月- 1996年底。德國、荷蘭的幾個(gè)大學(xué)合作進(jìn)行了名為“BRITE/EU-RAM”的項(xiàng)目。1993年12月- 1997年底，英國、荷蘭、瑞典、法國、挪威合作研究了“EUROCRETE”項(xiàng)目。1997年。來自歐洲不同國家的11個(gè)科研隊(duì)伍開展了名為“ConFib erC rete，N etwork”的合作項(xiàng)目。1986年，德國建成世界上第一座后張法預(yù)應(yīng)力懸索FRP橋。在歐洲，F(xiàn)RP主要應(yīng)用是橋梁結(jié)構(gòu)。通過粘貼FRP片材或板材來維修加固受損結(jié)構(gòu)、地震區(qū)的古建筑，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的安全性及建筑物使用性能。

       在美國、歐洲和日本，F(xiàn)RP筋經(jīng)常被用于混凝土橋的大梁或橋面板中。對(duì)于FRP預(yù)應(yīng)力筋，由于FRP的彈性模量低。因此減少了由于混凝土徐變收縮而造成的預(yù)應(yīng)力損失。FRP索可用于懸索橋中。此外，F(xiàn)RP可作為增強(qiáng)材料應(yīng)用在海洋結(jié)構(gòu)、橋墩、防波堤、鋼筋混凝土隧道、地層錨桿、纖維噴射混凝土、防護(hù)墻。由于FRP的非電磁性，使其可用于高速公路導(dǎo)向道、機(jī)場(chǎng)導(dǎo)向儀的防護(hù)墻。在維修與加固方面。FRP片材、板材以其施工簡便、重量輕、施工期短、強(qiáng)度高、延性好、費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)獲得滿意效果。

       國外對(duì)FRP筋、FRP片材、板材在鋼筋混凝土構(gòu)件中的應(yīng)用進(jìn)行了基本力學(xué)研究。FRP筋作為箍筋抗剪、縱向鋼筋抗彎的試驗(yàn)均表明FRP筋既可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼筋抗彎、抗剪，又可發(fā)揮出FRP筋的重量輕、抗腐蝕好的優(yōu)點(diǎn)以彌補(bǔ)鋼筋的不足。FRP片材或板材的試驗(yàn)研究表明，F(xiàn)RP粘貼在鋼筋混凝土梁的受拉面，提高了梁的抗彎能力，減少了裂縫寬度。鋼筋混凝土柱外包FRP片材由于混凝土處于三向受力狀態(tài)。因此提高了柱的承載能力。改善了柱的延性，對(duì)于地震區(qū)FRP是一種經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的加固補(bǔ)強(qiáng)材料，同時(shí)在地震區(qū)的承重墻也可粘貼FRP片材幫助承受平面外水平荷載。

      近來，國外開發(fā)出一種新的利用FRP補(bǔ)強(qiáng)加固的方法一近表面鑲嵌法f N ear Su rface M ou nt ed.NSM) 。該法是將鋼筋混凝土構(gòu)件表面刻出淺槽。槽的大小適合放入FRP筋。將刻好的槽清理干凈后。向槽內(nèi)填入粘結(jié)劑，并將FRP筋、FRP片材輕輕按壓進(jìn)槽中，使粘結(jié)劑充滿筋的四周，然后用粘結(jié)劑將槽的表面填平。這種方法對(duì)比外貼FRP片材來說，與鋼筋混凝土構(gòu)件的粘結(jié)錨固更可靠，并且施工時(shí)間更短。由于FRP筋非?？拷鼧?gòu)件表面，因此被稱為NSM技術(shù)

       Neven Krstuloric和Antoine[111提出了一種稱為自應(yīng)力纖維復(fù)合物(Self St ressing  Fiber  Composit es SSFC)的概念。其主要思想是將形狀記憶合金(ShapeM emory Alloys，SMA)熔入FRP中。由于SMA具有在低溫下可冷凍加熱后可恢復(fù)先前狀態(tài)的特性，因此。將SMA作為FRP的主要材料就可制成自應(yīng)力纖維復(fù)合物。SSFC可在樹脂基凝固后任意改變形狀以獲得不同的預(yù)應(yīng)力。SSFC最顯著的優(yōu)點(diǎn)是無需復(fù)雜的預(yù)應(yīng)力錨固設(shè)備就可獲得滿意的預(yù)應(yīng)力。

3  我國的研究應(yīng)用現(xiàn)狀

       我國于1997年開展碳纖維布補(bǔ)強(qiáng)加固鋼筋混凝土構(gòu)件的研究工作，其中國家工業(yè)建筑診斷與改造工程技術(shù)研究中心最早進(jìn)行了這項(xiàng)工作，之后，有許多高等院校和科研單位也進(jìn)行了碳纖維的研究。目前已進(jìn)行了20余項(xiàng)研究，發(fā)表論文20余篇，應(yīng)用于實(shí)際工程60余項(xiàng)。在規(guī)范編制方面。中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《碳纖維布加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》已接近于完成。

       對(duì)FRP開展研究與應(yīng)用的主要是CFRP和CFRP用于補(bǔ)強(qiáng)加固混凝土構(gòu)件。國家工業(yè)建筑診斷與改造工程技術(shù)研究中心、天津大學(xué)、清華大學(xué)、東南大學(xué)等單位先后對(duì)CFRP、GFRP補(bǔ)強(qiáng)加固鋼筋混凝土構(gòu)件開展了一些研究工作，得到了一些成果：(1)外貼CFRP、CFRP布增強(qiáng)了鋼筋混凝土梁。柱的抗彎、抗剪性能。(2)由于FRP布對(duì)混凝土的約束，使
得混凝土構(gòu)件的延性得以提高。（3）在循環(huán)荷載作用下。FRP包裹的柱延性明顯提高。(4)提出了數(shù)值計(jì)算方法和實(shí)用計(jì)算方法。

4  關(guān)于FRP研究應(yīng)用的建議

       FRP在我國還處于起步發(fā)展階段，雖然近年來一些大學(xué)、科研單位進(jìn)行了一些研究應(yīng)用，得到了一些可喜的成果，但對(duì)于FRP的研究應(yīng)用還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。在此。筆者結(jié)合查閱的國內(nèi)外文獻(xiàn)對(duì)我國的FRP應(yīng)用與研究提出幾點(diǎn)建議：

      (1)在我國，對(duì)于FRP的使用主要集中在CFRP片材補(bǔ)強(qiáng)加固建筑結(jié)構(gòu)方面，對(duì)于其他方面的研究應(yīng)用開展不多。國外FRP的使用可以說已經(jīng)涉及到土木工程的方方面面，橋梁、隧道、機(jī)場(chǎng)、碼頭、公路、鐵路、民用建筑、構(gòu)筑物都使用了FRP。因此，我國需要大力開發(fā)FRP的使用，使其形成規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化。

       (2) FRP筋（預(yù)應(yīng)力筋）在國外的研究應(yīng)用已經(jīng)很廣泛，己呈現(xiàn)出替代普通鋼筋的趨勢(shì)。在這方面我國還是空白。因此，廣大科研工作者還需繼續(xù)努力以填補(bǔ)這項(xiàng)空白。
       (3) FRP片材、板材補(bǔ)強(qiáng)加固技術(shù)仍有許多研究工作要開展。如FRP外貼混凝土梁的抗彎、抗剪破壞機(jī)理研究；延性評(píng)估：疲勞性能研究：FRP片材、板材與混凝土構(gòu)件的粘結(jié)錨固；裂縫問題：長期使用性能。
       (4)在使用FRP時(shí)，由于FRP的彈性模量低，構(gòu)件的撓度和裂縫寬度將比鋼筋混凝土構(gòu)件大，這樣將會(huì)不滿足規(guī)范規(guī)定的限值。因此，對(duì)于FRP的使用量、配置率還需進(jìn)一步研究。

       FRP為土木工程領(lǐng)域提供了一種經(jīng)濟(jì)有效的新材料，尤其與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相結(jié)合更能發(fā)揮其突出的優(yōu)點(diǎn)。隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，相信FRP在我國的土木工程領(lǐng)域?qū)⒂忻篮脧V闊的前景。