2004

第一章绪论

1.1 FRP加固混凝土结构技术及研究概况

纤维增强塑料（Fiber Reinforced Polymer，简称为FRP）最早用于军工和航空航天领域。FRP种类主要包括碳纤维增强塑料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，简称为CFRP）、玻璃纤维增强塑料（Glass Fiber Reinforced Polymer，简称为GFRP）和芳纶纤维增强塑料（Aramid Fiber Reinforced Polymer，简称为AFRP）。近年来，FRP材料因其较好的结构性能和耐久性能而逐渐转向民用领域，尤其是在土木工程中的应用得到迅速发展。1981年，瑞典的Meier首次采用粘贴CFRP片材加固了Ebach桥 ^[1] 。日本在1995年阪神地震后，采用FRP布对高速公路桥墩柱震害快速加固，使交通运输很快得到恢复，赢得了时间，同时也奠定了FRP材料在土木工程领域应用的基础，受到工程界的广泛重视。此后，使用FRP片材代替钢板进行结构加固的方法在日本、美国和欧洲等发达国家得到突飞猛进的发展，有关高等学校和科研机构投入了许多研究力量。迄今，国外在采用FRP对混凝土构件的受弯、受剪和抗震加固等方面进行了较多的试验研究，并已有大量的工程应用。简要概括FRP加固混凝土结构的优势为：

(1) FRP材料轻且薄，基本不增加原结构自重及原构件尺寸；

(2) 高强高效，能够有效提高混凝土结构的承载力和延性，改善其受力性能；

(3) 施工便捷，没有湿作业，不需大型施工机具，无需现场固定设施，施工占用场地少；

(4) 具有较强的耐腐蚀性能；

1991年美国混凝土协会成立了ACI 440委员会，负责开展FRP加固混凝土与砌体结构的研究。1993年ACI在加拿大主办了第一届国际FRP专题会议，此后每两年举办一次，分别在比利时、日本、美国、英国和新加坡召开了6届FRP加固混凝土国际会议。美国(ACI) ^[2] 、加拿大(ISIS Canada) ^[3] 、欧洲(fib) ^[4] 、日本(JSCE) ^[5] 、英国(Concrete Society) ^[6] 等国已制订了加固FRP混凝土结构规程或指南。

我国从1997年开始从国外引入FRP加固混凝土结构技术，并进行相关研究。由于其巨大的技术优势，在短短的时间内很快形成研究和工程应用的热点。清华大学、东南大学、同济大学、天津大学、国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心、中国建筑科学研究院等近十个科研院所开展了相应的研究，并获得国家自然科学基金重点项目和国家“863”计划资助。中国土木工程学会－混凝土及预应力混凝土分会于2000年6月成立了“纤维增强塑料及其工程应用专业委员会”，并在北京召开我国首届FRP混凝土结构学术交流会。中国工程建设标准化协会2003年出版了《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》，对推广FRP在我国的应用起到很大的推动作用。目前正在编制全国性的FRP技术规范，将涵盖更多的应用范围。

由于FRP材料强度很高，因此FRP加固混凝土结构往往不是由于FRP材料拉断破坏，而是由于FRP-混凝土界面强度不足导致剥离破坏。尤其用FRP对混凝土梁进行抗弯或抗剪加固时，发现大量试件出现界面破坏。因此，FRP-混凝土界面问题成为FRP应用研究的一个重点和难点。

由于FRP在土木工程中的应用先于理论，故迄今为止，对FRP加固混凝土构件进行了大量的试验研究，而理论研究则相对滞后 ^[7,8] 。例如，FRP抗弯加固的试验研究和应用早在上世纪90年代初就已经开始，但直到90年代末期才形成设计公式，且这些公式的离散性很大 ^[8] ；FRP-混凝土界面粘结-滑移本构关系，也直到1999年才有人提出很粗糙的计算模型 ^[9] ，且这些模型的计算结果同样和试验结果差距甚大。我国目前相关规范规程上对FRP-混凝土界面行为的相关计算还基本处于空白状态 ^[10] 。所以，目前很有必要对FRP-混凝土的界面行为，从力学机理、数值模型和设计公式方面进行深入的研究。

由于FRP-混凝土剥离破坏属于界面破坏问题，牵涉到复杂的材料非线性、几何非线性、断裂及裂缝扩展等复杂力学行为，因此研究的难度很大。从试验方面，很难通过试验手段观测界面下混凝土内部微裂缝的发生以及扩展过程，进而也就很难了解其剥离破坏的机理；从理论方面，界面非线性行为使得基本上无法得到理想的解析解。因此，需要在试验研究的基础上，采取适当的数值方法，模拟其破坏过程，进而解释其内在机理。

从上世纪Ngo & Scordelis ^[11] 首次用有限元方法分析钢筋混凝土问题以来，混凝土数值计算方法得到了飞快的发展 ^[12-15] 。数值方法，特别是有限元技术，已经成为分析混凝土问题的重要工具。通过数值模拟，可以大大减少试验工作量。更重要的是，数值模型可以排除各种偶然因素干扰，更清晰地揭示问题内在机理，特别是在分析混凝土的内部断裂 ^[16-18] 、界面破坏 ^[19-22] 等问题上有着独特的优势。因为这些破坏过程都和混凝土内部微裂缝开展密切相关，而试验方法观测这些微裂缝又非常困难。数值方法则可以清楚地得到内部微裂缝的发展过程，了解破坏的内在机理。在根据试验结果正确标定数值模型相关参数的基础上，还可以基于数值模型得到相应的承载力设计公式。