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【摘 要】混凝土材料虽然具有很高的抗压强度、较大的刚度，但它是一种拉压比很小的准脆性材料，因而给复杂的混凝土结构工程增添了许多不安全因素，而FRP作为一种新型材料，以其强度高、重量轻、耐腐蚀及良好的力学性能等优良的特性，是一种高效、轻便、快捷的加固方法。目前已被广泛应用于土木工程领域，对混凝土结构、砌体结构、钢结构及木结构进行加固修复。
【关键词】FRP；抗疲劳性；纤维增强混凝土；弹性性能
我国是使用混凝土结构最多的国家，由于我国存在大量的混凝土结构建筑物，因为达到或超过使用年限，或因为使用功能改变，自然灾害作用，荷载增加，设计失误以及施工缺陷，或长期使用过程损伤、老化、腐蚀及维护不善等问题，造成混凝土开裂、钢筋锈蚀、承载力不足、抗震性能不良等诸多影响结构安全性、适用性和耐久性的问题。混凝土材料虽然具有很高的抗压强度、较大的刚度以及较好的耐久性，但它是一种拉压比很小的准脆性材料，因而给复杂的混凝土结构工程增添了许多不安全因素，而且鋼筋锈蚀更是多年来没有解决好的一大难题，也是使结构丧失原有承载力，难以达到其预期使用寿命的主要因素之一。如果重建所有需要加固和修复的基础措施，需要花费大量的人力、物力及财力。而为了保证结构的可靠及从环境保护、基本国情等方面考虑，需要对建筑结构进行加固改造及修补，以改善这些结构的使用功能。随着越来越多的建筑进入老龄化阶段，加固改造的投资也呈逐年递增的趋势，预计不久我国建筑业的重点将由新建转向已有建筑的维修、加固和改造。
纤维增强混凝土这种新型的复合材料,是从1970年前后发展起来的，但这种增韧材料的使用在古埃及时期就已存在了。经过了近几十年的发展后，纤维增强混凝土材料在其品种种类和增强机理的研究应用上都有了很好的长进和发展。根据国际标准化组织（International Organization for Standardization,ISO）为复合材料所下的定义，复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料，复合材料的组合材料虽然保持其相对独立性，但复合材料的性能却不是组合材料性能的简单叠加，而是有着重要的改进。近年来我国出现了多种混凝土结构的加固方法，主要有：加大截面法、体外预应力法、缠绕钢丝法、外包钢和钢板粘贴法以及FRP片材粘贴法， 而纤维增强复合材料（FRP）加固土木结构是其中一种新型加固方法。
1.FRP的组成
纤维增强复合材料(Fiber reinforced polymer/plastic)，缩写FRP，是由纤维材料与基本材料按一定比例混合并经过一定工艺复合形成的高性能新型材料，是一种高强、轻质、易裁剪、抗疲劳性能好、相对耐腐蚀及耐久性好、无磁性的新型复合材料。从材料种类上划分，在建筑工程上应用较多的主要是:玻璃纤维增强塑料（carbon fiber reinforced polymer，GFRP）,碳纤维增强塑料（glass fiber reinfored polymer，CFRP)和芳纶纤准增强材料(aramid fiber reinforced polymer,AFRP)，常用的树脂有环氧树脂、聚酯树脂和乙烯酯树脂。
2.FPR的优缺点
FRP复合材料与钢材相比，它具有其各组成材料的优点，而且还能够通过材料设计,使各个组成的性能产生复合作用，相辅相成以获得新的性能。因此，FRP复合材料具有以下几个方面的优点：
(1)有很高的比强度和比模量。比强度指材料强度与材料密度的比值。比模量是指材料模量与材料密度的比值。比强度和比模量高说明材料“轻质高强”，其强度是钢材的20-50倍，因此工程中采用FRP可以大大降低施工、运输等成本，并能减少结构自重。
(2)有很好的弹性性能。体现在发生较大变形时，纤维增强复合材料可以恢复原状，塑性变形很小，这在设计有较大的动荷载或是较大的冲击荷载的结构时，有很大的优势。
(3)有很强的设计性。可以通过改变纤维、基体的种类和相对含量、控制纤维的铺衬方向、纤维集合形式及排列方式等方法设计出各种强度、模量、形状的FRP产品，以满足工程对复合材料结构与性能的特殊使用要求要求。
(4)有较高的抗疲劳性。增强纤维的缺陷少，抗疲劳性好；基体的塑性好，能消除和减少应力集中区域的尺寸及数量，使源于基体、纤维缺陷处或界面上的疲劳源难以萌生，抑制微裂缝的出现。FRP复合材料的疲劳破坏是从纤维的薄弱环节开始，逐渐扩展到界面上，破坏前有明显的征兆。因此，FRP复合材料的疲劳强度比较高。
(5)有较好的电磁绝缘性能、耐高温或低温、耐腐蚀的等特点，这使得FRP产品适合于一些特殊工程，发挥钢材等传统结构材料所不具备的优点。
由于上述种种优越性，FRP复合材料的应用会越来越广泛，用量会越来越多。
FRP与钢材相比，缺点在于以下几个方面:
与钢材相比，FRP的强度有较大的离散性；与混凝土相比，一般FRP的防火性能较差；FRP通常为各向异性，沿纤维方向的强度和模量较高，垂直于纤维方向的强度和模量较低，而钢材为各向同性的材料；FRP价格比传统结构材料贵；紫外线对其造成的伤害比较大；长期强度低于短期精力强度等。
3.FRP加固钢筋混凝土梁的实例
FRP加固钢筋混凝土梁已经在国内外有了比较广泛的应用，众多研究者也就纤维材料及加固后试件的力学性能等各方面展开了丰富的研究工作，得出了相关的重要结论。通过研究对实际的加固工程起到了非常重要的指导作用；反过来，实际工程也很好地验证了理论和试验研究的实用性和可靠性。
以下介绍了纤维加固钢筋混凝土梁的一个工程实例——泰安供电公司电能计量中心加固工程，济南大学对其进行了加固质量的检测。
3.1工程概况
泰安供电公司电能计量中心实验楼工程一层楼面由于使用功能改变，需要进行加固处理。
楼面活荷载：
每个货架柱脚处对基础最大垂直载荷约为600kg，且货架区每平方米地面载荷为0.86吨。每个货架柱脚用2根M16x190化学锚栓锚固。堆垛机自重1.8吨，堆垛机投影面积为3.2平方米，堆垛机静载荷为：（1.8+0.35）/3.2=0.67吨/平方米，动载荷约为1.4*0.67=0.9吨/平方米，轨道支撑板沿轨道方向每500mm一个。
承载能力：
该工程设计采用PKPM系列软件进行密肋楼板内力计算，在此基础上，依据《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》CECS146-2003进行碳纤维加固设计。经核算，该设计碳纤维加固后密肋楼板承载能力可提高25%，即加固后实际提高承载能力达12.5KN。
3.2加固检测报告
钢筋混凝土梁的加固检测报告
3.3施工要点
纤维加固钢筋混凝土梁的主要施工步骤有：
(1)混凝土表面处理；(2)找平处理；(3)涂刷底层树脂；(4)粘贴碳纤维板；(5)防护处理。
虽然目前加固用的纤维材料价格比钢材高，但从质量方面来看，采用FRP不仅可以大幅度减轻结构自重，减小结构断面，节省材料，方便施工和运输；从耐久性方面来说，纤维材料无锈蚀，可以降低二次维护费用甚至实现无维护。综合起来核算，纤维加固钢筋混凝土结构的长期费用低于钢板加固筋混凝土结构10%左右。因此，这种加固方式有很大的发展前景和优势。但从国内FRP的研究技术看，很多研问题还亟待解决，例如FRP与混凝土梁的粘贴截面、裂缝的计算、构件二次受力、更有效的锚固措施等需要开展更深入的理论和试验研究。混合纤维加固的方法虽然能够起到较高的加固效率，但粘贴时两种材料易发生剥离，因此如何改善两种材料的融合也是一个有意义的研究方向，今后的工作中还要更充分、更大限度地运用有限元分析软件提高研究的效率和精确性。
【关键词】FRP；抗疲劳性；纤维增强混凝土；弹性性能
我国是使用混凝土结构最多的国家，由于我国存在大量的混凝土结构建筑物，因为达到或超过使用年限，或因为使用功能改变，自然灾害作用，荷载增加，设计失误以及施工缺陷，或长期使用过程损伤、老化、腐蚀及维护不善等问题，造成混凝土开裂、钢筋锈蚀、承载力不足、抗震性能不良等诸多影响结构安全性、适用性和耐久性的问题。混凝土材料虽然具有很高的抗压强度、较大的刚度以及较好的耐久性，但它是一种拉压比很小的准脆性材料，因而给复杂的混凝土结构工程增添了许多不安全因素，而且鋼筋锈蚀更是多年来没有解决好的一大难题，也是使结构丧失原有承载力，难以达到其预期使用寿命的主要因素之一。如果重建所有需要加固和修复的基础措施，需要花费大量的人力、物力及财力。而为了保证结构的可靠及从环境保护、基本国情等方面考虑，需要对建筑结构进行加固改造及修补，以改善这些结构的使用功能。随着越来越多的建筑进入老龄化阶段，加固改造的投资也呈逐年递增的趋势，预计不久我国建筑业的重点将由新建转向已有建筑的维修、加固和改造。
纤维增强混凝土这种新型的复合材料,是从1970年前后发展起来的，但这种增韧材料的使用在古埃及时期就已存在了。经过了近几十年的发展后，纤维增强混凝土材料在其品种种类和增强机理的研究应用上都有了很好的长进和发展。根据国际标准化组织（International Organization for Standardization,ISO）为复合材料所下的定义，复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料，复合材料的组合材料虽然保持其相对独立性，但复合材料的性能却不是组合材料性能的简单叠加，而是有着重要的改进。近年来我国出现了多种混凝土结构的加固方法，主要有：加大截面法、体外预应力法、缠绕钢丝法、外包钢和钢板粘贴法以及FRP片材粘贴法， 而纤维增强复合材料（FRP）加固土木结构是其中一种新型加固方法。
1.FRP的组成
纤维增强复合材料(Fiber reinforced polymer/plastic)，缩写FRP，是由纤维材料与基本材料按一定比例混合并经过一定工艺复合形成的高性能新型材料，是一种高强、轻质、易裁剪、抗疲劳性能好、相对耐腐蚀及耐久性好、无磁性的新型复合材料。从材料种类上划分，在建筑工程上应用较多的主要是:玻璃纤维增强塑料（carbon fiber reinforced polymer，GFRP）,碳纤维增强塑料（glass fiber reinfored polymer，CFRP)和芳纶纤准增强材料(aramid fiber reinforced polymer,AFRP)，常用的树脂有环氧树脂、聚酯树脂和乙烯酯树脂。
2.FPR的优缺点
FRP复合材料与钢材相比，它具有其各组成材料的优点，而且还能够通过材料设计,使各个组成的性能产生复合作用，相辅相成以获得新的性能。因此，FRP复合材料具有以下几个方面的优点：
(1)有很高的比强度和比模量。比强度指材料强度与材料密度的比值。比模量是指材料模量与材料密度的比值。比强度和比模量高说明材料“轻质高强”，其强度是钢材的20-50倍，因此工程中采用FRP可以大大降低施工、运输等成本，并能减少结构自重。
(2)有很好的弹性性能。体现在发生较大变形时，纤维增强复合材料可以恢复原状，塑性变形很小，这在设计有较大的动荷载或是较大的冲击荷载的结构时，有很大的优势。
(3)有很强的设计性。可以通过改变纤维、基体的种类和相对含量、控制纤维的铺衬方向、纤维集合形式及排列方式等方法设计出各种强度、模量、形状的FRP产品，以满足工程对复合材料结构与性能的特殊使用要求要求。
(4)有较高的抗疲劳性。增强纤维的缺陷少，抗疲劳性好；基体的塑性好，能消除和减少应力集中区域的尺寸及数量，使源于基体、纤维缺陷处或界面上的疲劳源难以萌生，抑制微裂缝的出现。FRP复合材料的疲劳破坏是从纤维的薄弱环节开始，逐渐扩展到界面上，破坏前有明显的征兆。因此，FRP复合材料的疲劳强度比较高。
(5)有较好的电磁绝缘性能、耐高温或低温、耐腐蚀的等特点，这使得FRP产品适合于一些特殊工程，发挥钢材等传统结构材料所不具备的优点。
由于上述种种优越性，FRP复合材料的应用会越来越广泛，用量会越来越多。
FRP与钢材相比，缺点在于以下几个方面:
与钢材相比，FRP的强度有较大的离散性；与混凝土相比，一般FRP的防火性能较差；FRP通常为各向异性，沿纤维方向的强度和模量较高，垂直于纤维方向的强度和模量较低，而钢材为各向同性的材料；FRP价格比传统结构材料贵；紫外线对其造成的伤害比较大；长期强度低于短期精力强度等。
3.FRP加固钢筋混凝土梁的实例
FRP加固钢筋混凝土梁已经在国内外有了比较广泛的应用，众多研究者也就纤维材料及加固后试件的力学性能等各方面展开了丰富的研究工作，得出了相关的重要结论。通过研究对实际的加固工程起到了非常重要的指导作用；反过来，实际工程也很好地验证了理论和试验研究的实用性和可靠性。
以下介绍了纤维加固钢筋混凝土梁的一个工程实例——泰安供电公司电能计量中心加固工程，济南大学对其进行了加固质量的检测。
3.1工程概况
泰安供电公司电能计量中心实验楼工程一层楼面由于使用功能改变，需要进行加固处理。
楼面活荷载：
每个货架柱脚处对基础最大垂直载荷约为600kg，且货架区每平方米地面载荷为0.86吨。每个货架柱脚用2根M16x190化学锚栓锚固。堆垛机自重1.8吨，堆垛机投影面积为3.2平方米，堆垛机静载荷为：（1.8+0.35）/3.2=0.67吨/平方米，动载荷约为1.4*0.67=0.9吨/平方米，轨道支撑板沿轨道方向每500mm一个。
承载能力：
该工程设计采用PKPM系列软件进行密肋楼板内力计算，在此基础上，依据《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》CECS146-2003进行碳纤维加固设计。经核算，该设计碳纤维加固后密肋楼板承载能力可提高25%，即加固后实际提高承载能力达12.5KN。
3.2加固检测报告
钢筋混凝土梁的加固检测报告
3.3施工要点
纤维加固钢筋混凝土梁的主要施工步骤有：
(1)混凝土表面处理；(2)找平处理；(3)涂刷底层树脂；(4)粘贴碳纤维板；(5)防护处理。
虽然目前加固用的纤维材料价格比钢材高，但从质量方面来看，采用FRP不仅可以大幅度减轻结构自重，减小结构断面，节省材料，方便施工和运输；从耐久性方面来说，纤维材料无锈蚀，可以降低二次维护费用甚至实现无维护。综合起来核算，纤维加固钢筋混凝土结构的长期费用低于钢板加固筋混凝土结构10%左右。因此，这种加固方式有很大的发展前景和优势。但从国内FRP的研究技术看，很多研问题还亟待解决，例如FRP与混凝土梁的粘贴截面、裂缝的计算、构件二次受力、更有效的锚固措施等需要开展更深入的理论和试验研究。混合纤维加固的方法虽然能够起到较高的加固效率，但粘贴时两种材料易发生剥离，因此如何改善两种材料的融合也是一个有意义的研究方向，今后的工作中还要更充分、更大限度地运用有限元分析软件提高研究的效率和精确性。