1、混雜FRP及其加固混凝土結構的性能鄧宗才，李建輝，杜修力（北京工業大學建筑工程學院，北京 100022）摘要：纖維增強塑料（FRP）在現代土木工程中極具應用前景型材料，而混雜纖維增強塑料（HFRP）是未來FRP發展的主導方向。本文在綜合有關資料的基礎上，總結了HFRP及其加固混凝土結構的國內外最新研究成果，探討了它們的理論模型，并對應用前景做出展望。關鍵詞：FRP;HFRP;混凝土；應用與前景1 引言    混凝土結構已成為當今世界土木工程中最主要的結構形式，但是由于材料老化、環境腐蝕、工作荷載改變、自然災害及施工質量等問題，大批結構需要修復和加固。據統計，我國現

2、有橋梁中危橋約占34.5，大部分橋梁存在著不同程度的損傷。FRP以其輕質、高強、耐腐蝕、抗疲勞、施工方便等優異性能奠定了它在現在土木工程中的巨大優勢，其應用已經引起了土木工程界的極大興趣。由于單一FRP變形能力不足，所加固結構的延性差制約了FRP的廣泛引用。混雜技術是解決以上問題的有效途徑。混雜增強能夠充分發揮不同纖維的優勢，揚長避短，優化FRP的綜合力學性能。本文介紹了國內外HFRP及其加固混凝土結構的最新研究進展，并對它的應用前景做出展望。2 HFRP材料性能    從理論上分析，高彈模（大于鋼）纖維能改變結構的剛度、開裂和屈服荷載；高彈模、高強度的纖維能取得

3、應變強化行為，從而抑制變形；高彈性纖維能增強延性。已有的研究表明，碳纖維增強塑料（CFRP）能夠增大結構的剛性，在CFRP中混雜適當比例的芳綸纖維（AF）或（GF）能提高結構的延性。HFRP理想的應力變力如圖1所示。實際上在混雜纖維逐步斷裂的過程中不平穩的應力轉移使周圍纖維產生應力集中而受到損傷，從而導致HFRP過早破壞或承載力急劇下降，因此需要尋求混雜纖維的合理匹配或采取措施去控制承載力的降低。2.1 單軸拉伸力學性能    Wu Z.S研究了纖維布層間混雜特性，測試了高彈模（C7）、高強度（C1）碳纖維布和高延性纖維布（Dy）HFRP的單軸拉伸行為【1，2】，

4、實驗結果見圖2。結果表明隨著C1布比例的增加，HFRP的延性提高、承載力降低幅度減小。圖2（ab）分別為相同密度（200g/m2）的一層C1和一層C7混雜碳纖維布C1/C7以及兩層C1和一層C7混雜布2C1/C7的單軸拉伸荷載應變曲線。由圖可知，隨著C1布混雜比例的增加，高彈模、低極限應變的C7碳纖維布破壞過程變得緩慢，C7布應轉移到C1布，荷載應變曲線有應變強化和多峰特點。圖2（c）證明，混雜高延性的Dy纖維布能獲取良好的延性，因為Dy纖維具有良好的變形和能量吸收能力。    對于FRP筋，Frank P.H提出采用編織技術設計延性混雜FRP(DHFRP)筋的新

5、理念3.實驗研究了DHFRP筋的單軸拉伸和與混凝土界面的粘結性能。拉伸結果表明，DHFRP筋具有明顯的屈服點、彈塑性階段、應變強化階段。與混凝土界面粘結性能實驗：將直徑10mm的DHFRP筋埋入直徑為152.4mm的混凝土圓柱體，埋置長度分別為63.5mm、127mm、190.5mm和254mm。筋的拉拔實驗表明，所有的纖維埋置長度上均發生纖維筋斷裂破壞，未發生纖維筋拔出現象。這表明DHFRP滑移機理完全依賴于纖維筋的破壞機理。2.2 徐變行為    Vitauts T等研究了CFRP/芳綸纖維增強塑料（AFRP）、CFRP/GFRP筋的徐變行為【4，5】。各纖維

6、的混雜比例為CFRP與AFRP的體積摻率分別為24和76；CFRP與GFRP體積摻率分別為19和81。徐變測試方案為CFRP筋初始拉應變為0.69，為極限應變的57；AFRP筋初始應變為1.38，為極限應變的42；GFRP筋初始應變為0.78，為極限應變的30;CFRP/AFRP混雜筋初始應變為0.86，為極限應變（3.92）的26; CFRP/GFRP混雜筋初始應變為0.68，為極限應變（2.64）的26；編織空心AFRP筋的長期荷載為其極限荷載的41。    實驗結果表明，CFRP筋在荷載持續17700h后無徐變；AFRP筋在荷載持續16800h后應變由初始的

7、1.38增加到2.326，增加了78；GFRP筋在荷載持續16600h后應變由初始的0.78增加到0.83，增加量為6.4；CFRP/AFRP混雜筋在12000h后應變由初始的0.86增加至1.46（超過了碳纖維的極限應變1.21），增加量為69，由于AFRP的徐變大，致使應力轉移至CFRP上，導致碳纖維發生破壞；CFRP/GFRP混雜筋在17500h后應變由初始的0.68增加到0.72，增加量為5.8；編織空心AFRP筋在1100h徐變為初始應變的54。    假定HFRP中各單一纖維徐變相等，HFRP筋的徐變通過下式計算：t H/EH(t) 

8、0;                          （1）EH(t)EA(t)A+ECC+ EM(t)(1-A-C)        (2 )            n

9、EA(t)=E0/1+Aj1-exp(-t/i)                (3)            =1    式中，H為HFRP筋的平均應力；EA(t)、EC、EM(t)、A、C分別為芳綸、碳纖維和粘結劑的彈性模量和體積摻率；E0為芳綸纖維的初始彈性模量；Aj、i為參數，n為近似描述徐變曲線所需參

10、數數量。3 HFRP加固混凝土結構性能3.1 HFRP加固梁    Wu Z.S測量了HFRP布對簡支梁的加固效果【1】。由圖2（d）可知，含有一層C7布的HFRP能顯著提高簡支梁的剛度、屈服與極限荷載和延性，特別是C1/C7/Dy加固梁承載力下降緩慢，具有多峰的特點。盡管3層C1布（3C1）加固梁的承載力與2C1/C7或C1/C7/Dy加固梁的相近甚至更高，但是3C1加固梁的屈服荷載低于2C1/C7或C1/C7/Dy加固梁。這表明高彈模的C7布對梁屈服荷載的提高效果優于C1布。同時，C7布的逐步斷裂過程能使應力平穩轉移，避免了周圍纖維產生高度應力集中。 

11、;   Frank P.H比較研究了DHFRP筋及鋼筋加固混凝土梁的抗彎性能【6】。DHFRP筋能顯著增大梁的初始剛度，具有與鋼筋混凝土梁相似的開裂、裂縫發展行為和變形、能量吸收能力。熊光晶等實驗研究了高強玻璃纖維/碳纖維HFRP加固混凝土梁的抗彎性能【7，8】，將極限撓度與屈服撓度比值定義為撓度延性，梁破壞時所吸收能量與屈服時所吸收能量之比定義為能量延性。實驗結果表明，在極限承載力提高幅度相近前提下HFRP加固梁的撓度延性、能量延性分別比單一CFRP加固梁提高89.5和57.9，加固價格降低38.2，剛度僅降低10；HFRP加固梁的撓度延性、能量延性僅比基準混凝土梁降低1

12、3.7和21.4。    為了防止混凝土與FRP剝離破壞，采用U型CFRP片材粘貼梁側的加固方法不僅增加了加固成本，且加固梁的變形能力差、延性低的問題未解決。熊光晶等提出了由單項一型CFRP和雙向L型GFRP混雜加固混凝土梁的方法【9】，如圖3所示。實驗表明該方法有效地阻止剝離破壞，大幅度提高了加固梁的變性能力和延性，并將低了成本。3.2 HFRP加固柱    姜浩等實驗研究了GFRP、CFRP和CFRP/GFRP混雜加固150×150×450mm短柱的抗壓性能【10】。結果表明，HFRP加固短柱的極限荷載比基準柱

13、提高了14；HFRP布加固后短柱的塑性明顯提高，荷載應變曲線如圖4所示。    李杰等實驗研究了FRP管混凝土長柱（900mm）、短柱（高220、264mm）的軸壓和偏壓性能【11】。試件設計為FRP管采用纏繞法制成，管內徑D=88mm。類型鋪設4層玻璃纖維和1層碳纖維，鋪層角度為90/±45o/0o/90，其中0度的鋪層為碳纖維，沿試件縱向。類型鋪層設四層玻璃纖維，鋪層角度為90/±45o/90。實驗結果表明，GFRP和GFRP/CFRP混雜管混凝土組合結構能有效地提高構件的承載力，且構件具有很大的變性能力，如圖5所示；±45o鋪設

14、層設計可以大幅度提高構件斜截面承載力；彎矩曲率曲線為二折線，第一剛度由混凝土截面控制，第二剛度由FRP管剛度控制，如圖6所示。圖中BC、C分別代表柱、短柱；CG、G分別代表碳纖維/玻璃纖維混雜布、單一玻璃纖維布加固；第一個數值代表鋼筋直徑；第二個數值代表偏心距。C-CG-4-A為FRP殼體不直接受力而引起約束作用，C-CG-4-A、C-G-2.1-B為FRP殼體直接受力。3.3 HFRP加固梁柱節點    Li J.C試驗研究了CFRP/GFRP混雜加固梁柱節點的力學性能【12】，測試了三個試件。其中兩個未加固，記為C1、C2;HFRP加固試件記為C3，HFRP粘

15、貼部位如圖7所示。施加荷載分為：服役水平荷載和極限荷載。在加載至極限荷載前30kN對每個試件進行幾次檢測測試，但試件C2僅做一次。然后，試件C2、C3以服役水平荷載30kN循環加載100次。實驗結果表明，在服役水平荷載作用下HFRP加固試件剛度提高45；循環荷載作用后HFRP加固試件極限承載力提高30；服役水平荷載作用下HFRP加固梁或柱的變形顯著減小，最大幅度達50。 3.4 HFRP混凝土新型組合結構    廖原等提出了一種由玻璃纖維（GF）布纏繞混凝土和粘結預應力碳纖維(CF)布的預應力組合梁【13】對于普通的鋼筋混凝土梁，其抗剪承載力大部分是由箍

16、筋提供，作者的設想是在混凝土上纏繞GF布，相當于均勻布置的箍筋，在梁底粘貼CF布以抵抗彎曲產生的拉應力。為充分發揮CF布的強度和減小梁的撓度，在粘貼布時進行張拉，施加預應力，形成預應力組合梁。截面示意如圖8所示。    Nordin H 提出了HFRP梁【14】，即I型GFRP梁。梁下翼抗拉區有一層3mm厚的CFRP，梁上翼抗拉區有一層115mm厚混凝土。這充分利用了CFRP高抗拉強度、GFRP的低價格和混凝土的高抗壓強度。實驗研究了3種3m長HFRP梁的抗彎性能，圖9為梁截面示意。梁B上翼GFRP與混凝土采用鋼栓錨接，而梁C采用膠粘結。測試采用四點彎曲梁試驗，凈

17、跨為2.7m。    實驗結果是梁A、B、C的極限荷載分別為133kN、275kN、292kN，荷載撓度曲線如圖10所示。HFRP梁的測試彎曲剛度EIest采用下式估計：    EItest=PL2a/48test（34a2/L2）(4)    式中，P為總荷載；L為凈跨；a為支座與加載點距離；test為梁跨中撓度。預測結果列于表2。 表2  EItes估計平均值 梁A梁B梁CP/kN100200200L/mm270027002700A/mm100010001000test/

18、mm2317.414.3EItest/N.mm21.6×10124.3×10125.2×1012梁A/%100271325 4 理論模型    Wu Z.S基于HFRP布的單軸拉伸試驗【2】，提出了一個預測HFRP逐步斷裂時應力轉移的宏觀力學模型，將該模型引入了有限元程序中，再預測HFRP單軸拉伸及其加固混凝土結構的力學性能。所考慮的方面有混凝土裂縫的發展、鋼筋與混凝土的粘結滑移、FRP與混凝土的界面面粘結和HFRP逐步斷裂過程。采用線性拉伸軟化和線性理想彈塑性曲線分別估計混凝土的拉伸和壓縮行為。假定鋼筋為線性理想彈塑性材料

19、，鋼筋與混凝土的粘結滑移行為由圖11（a）所示。    通常情況下粘結劑對結構抗拉承載能力的貢獻很小，所以再本模型中被忽略。然而，FRP與混凝土的界面粘結對加固效果是十分重要的。粘結劑的主要功能是在混凝土與FRP之間傳遞應力。考慮到FRP主要承受拉應力，而粘結劑主要承受剪應力，脫粘發展與混凝土II型破壞模型相似，所以采用了一個線性軟化曲線模擬FRP與混凝土的界面粘結行為，如圖11（b）所示。    與鋼筋不同，FRP是各向異性，它不能承受抗壓和彎曲荷載，只能承受軸向拉伸荷載。單一FRP一般認為線彈性直至斷裂，而HFRP承受荷載時的逐步

20、斷裂將產生不同的力學性能。由于高彈模纖維斷裂時不平穩的應力傳遞可能導致周圍未受損纖維的斷裂，所以估計高彈模纖維逐步斷裂時的應力傳遞是非常重要的。如圖12（a）所示，用一條理想曲線估計高彈模纖維布C7逐步斷裂時C7布向C1布的應力轉移。考慮用C1布以獲得高強度的效果，所以假定C1布呈線性破壞，如圖12（b）所示。    理論計算值與試驗值吻合良好，通過理論計算可預測：HFRP布逐步斷裂過程越平緩，混雜效果越好；提高混凝土強度和能量吸收能力，HFRP加固效果越顯著。5         結束

21、語    HFRP能夠在保證承載力的前提下顯著提高延性和降低成本。CFRP、GFRP的徐變可以忽略，它們可以考慮為純彈性材料。AFRP徐變較大，CFRP/AFRP混雜時AFRP較大的徐變可能導致CFRP應力過大而發生破壞。HFRP能顯著提高混凝土梁、柱、梁柱節點的承載力和延性，研究HFRP假延性材料加固混凝土結構的延性評價方法和結構設計理論。欲獲得高性能HFRP材料并用于工程實踐，應該研發性能穩定的特別是能適應土木工程結構要求的多種纖維混雜的高性能HFRP，研究混雜方式、比例等對其性能的影響，進一步研究HFRP長期力學性能及其加固設計理論和設計方法，建立HFRP的

22、統一計算模型，加強對HFRP加固新方法及其與設計和施工有關的構造措施及施工制作技術的研究。 參考文獻【1】       Zhishen Wu, Hedong Niu. Recent developments in FRP strengthening techniques A.第三屆全國FRP學術交流會論文集【C】,南京，2004。【2】       H Niu, Z Wu. Numerical simulations on strengthened structur

23、es with hybrid fiber sheetsA. FRPRCS-6C,Singapore ,2003【3】       Frank P Hampton ,Hoa Lam ,et. Design methodology of a ductile hybrid FRP for concrete structures by the braidtrusion process A. 46th international SAMPE symposium C,2001【4】     

24、60; Vitauts Tamuzs, Roberts Apinis et. Creep tests using hybrid composite rods for reinforcement in concrete A. 3rd international conference on advanced composite materials in bridges and structureC.Canada ,2000.【5】       V tamuzs ,R maksimovs ,and J Modniks, long-term

25、creep of hybrid FRP barsA. FRPRCS-5C, London ,2001.【6】       Harry G harris , Frank P Hampton ,et. Cyclic behavior of a second generation ductile hybrid fiber reinforced polymer for earthquake resistant concrete structuresA. Society for the advancement of material and process engineeringC, California,2