早在20世紀80年代,這項技術(shù)在我國的工程實踐中就曾嘗試過:云南海孟公路巍山河橋的加固中采用了外貼GFRP內(nèi)夾高強鋼絲的方法,此后湖南溆浦大江口橋、上海寶山飛云橋、廣東官汕線郭屋樓橋、韶關(guān)地區(qū)風村橋以及南京長江大橋引橋等,都采用環(huán)氧樹脂粘貼玻璃布進行了加固,但這項技術(shù)在我國的發(fā)展緩慢。而在20世紀80年代,瑞士聯(lián)邦實驗室的Meier等人對FRP板代替鋼板加固混凝土結(jié)構(gòu)的技術(shù)進行了系統(tǒng)的研究,并在1991年用CFRP板成功的加固了瑞士的Ibach橋。此后,F(xiàn)RP片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)的研究在歐洲、日本、美國和加拿大等國得到迅速發(fā)展,并在實際工程得到較多的應(yīng)用,特別是美國北嶺地震和日本阪神地震后,F(xiàn)RP加固技術(shù)的優(yōu)越性在已損壞結(jié)構(gòu)的快速修復加固中得到了很好的驗證。目前,這些國家和地區(qū)先后頒布或出版了FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程或指南。我國從1997年才開始對FRP加固技術(shù)開展系統(tǒng)的研究,使這一技術(shù)得到推廣,在一些重大工程,如人民大會堂、民族文化宮的加固改造中得到了應(yīng)用。2000年完成了我國首部FRP片材加固設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)程。近年我國還開展了FRP片材加固砌體結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用,但仍以加固混凝土結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用最多。
關(guān)于FRP片材加固混凝土結(jié)構(gòu),最近國內(nèi)已有大量的研究論文發(fā)表,本書不再贅述,則主要針對不同的加固形式,指出其應(yīng)用中應(yīng)注意的關(guān)鍵問題:
(1)FRP布纏繞加固混凝土柱,通過約束混凝土提高混凝土強度和變形能力,并可提高柱的抗剪能力。這是FRP布加固混凝土最有效的加固形式,其加固效果已得到國內(nèi)外大量試驗的驗證,而且各種FRP片材均有效。但研究表明,F(xiàn)RP對混凝土柱的約束效果與截面形狀有很大關(guān)系,對于矩形截面柱一般只能提高變形能力和抗剪能力,而對受壓承載力的提高有限,正常加固量下一般不超過25%。但如果將截面形狀適當處理成有一定弧度,則可顯著提高受壓承載力。在我國的工程應(yīng)用中,往往十分關(guān)心加固后柱的軸壓比限值能否提高,這與約束混凝土柱的受壓承載力和變形能力的提高有很大關(guān)系,從目前的研究來看,F(xiàn)RP包裹纏繞圓形混凝土可以大大改善其延性,可適當放松軸壓比限制。另一個值得注意的是,雖然CFRP布的強度是各種FRP中最高的,但其延伸率較小,其約束混凝土最終表現(xiàn)為突然的脆性破壞。近年來已有采用混合FRP約束混凝土的研究,還有一些高延伸率纖維材料的應(yīng)用,可使脆性破壞得到改善,且能改善約束效果。
(2)在梁、板受拉面粘貼FRP片材,能提高構(gòu)件受彎承載力,并可使裂縫得到有效控制。這種加固形式在國內(nèi)應(yīng)用較多,但從加固效果來看存在以下一些問題:①FRP片材的受拉作用只是在受拉鋼筋屈服以后才能得到有效發(fā)揮,而此時梁和板的撓度變形一般已很大,因此FRP片材用于受彎加固通常只能作為一種安全儲備;②加固后受彎承載力提高程度與加固前梁板的原有配筋量有很大關(guān)系,且FRP的強度一般不能得到充分利用;③FRP片材用于受彎加固時易產(chǎn)生剝離破壞,應(yīng)充分注意采取抗剝離的構(gòu)造措施。為了提高受彎加固效果,采用預應(yīng)力方法可以獲得較好的效果,我國已成功開發(fā)出預應(yīng)力CFRP布張拉設(shè)備和加固技術(shù)。FRP加固可有效控制裂縫的開展,尤其在梁的側(cè)面粘貼FRP條帶,可控制梁腹配筋不足導致裂縫過大的情況。相對于受彎承載力加固,這應(yīng)該成為FRP在梁板加固中的主要應(yīng)用方式,但目前關(guān)于加固后的裂縫計算問題尚未有深入研究。
(3)對梁、柱構(gòu)件采用FRP片材包裹或U形箍包裹,以提高其受剪承載力。這種加固形式也較為有效,不過同樣需注意其提高程度與原構(gòu)件配箍率有關(guān),且FRP片材強度的發(fā)揮一般只有20%~40%。此外,對于U形或側(cè)面粘貼加固,剝離破壞仍是主要破壞形式,因此,F(xiàn)RP與混凝土界面間的剝離是非常值得深入研究的問題。
除以上三種主要加固形式外,F(xiàn)RP布也可用于受扭和剪力墻的加固。對于柱的受彎加固梁柱節(jié)點因FRP的錨固問題難以解決,而很難得到實際應(yīng)用。
目前雖然。FRP片材加固混凝土結(jié)構(gòu)已得到廣泛應(yīng)用,但仍有許多問題值得深入研究,主要有:界面粘結(jié)性能和剝離、疲勞性能、二次受力、防火問題、耐久性以及環(huán)境影響等。對于隧道、涵洞、煙囪、殼體結(jié)構(gòu)等特種結(jié)構(gòu)的加固,粘貼FRP片材有很大優(yōu)勢,研究工作在我國已有開展,但還較少。
FRP片材的截面積較小,使得加固效果受到影響,因此近年來采用FRP網(wǎng)格材加固、FRP筋表面嵌入式加固技術(shù)以及FRP索體外預應(yīng)力加固在國內(nèi)外有較多的研究和應(yīng)用。
除了用于混凝土結(jié)構(gòu)加固外,F(xiàn)RP也可用于砌體結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)的加固,這方面的研究和應(yīng)用工作目前國內(nèi)也有開展。
FRP對于鋼結(jié)構(gòu)的加固包括無初始缺陷和有初始缺陷鋼梁的加固。加固的效果主要體現(xiàn)在疲勞壽命、極限承載力、屈曲荷載和耐腐蝕性能的提高,試驗表明,疲勞性能的提高非常顯著。在西方國家用FRP加固鑄鐵結(jié)構(gòu)應(yīng)用也較多??傮w上,我國對FRP加固鋼結(jié)構(gòu)的研究還處于起步階段,仍需進行深入的研究。
另一個值得注意的問題是,F(xiàn)RP材料直到破壞都基本表現(xiàn)為線彈性,這與傳統(tǒng)的鋼材和混凝土的力學性能有很大差別,因此采用這種材料加固或直接作為構(gòu)件和組合構(gòu)件,其極限狀態(tài)、設(shè)計方法和可靠度問題,以及設(shè)計指標都與目前常用的混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)有所不同。