FRP-NSM加固混凝土构件的研究现状
关键词:FRP,表面嵌入法(NSM),混凝土梁抗弯性能,抗剪性能
1 FRP-NSM加固的基本概念和特点
FRP表面内嵌加固修复方法是将纤维增强塑料(FRP)筋或板条放入结构表面预先开好的槽中，并向槽中注入粘结材料(树脂、水泥砂浆或混凝土等)使之形成整体，来改善结构性能(抗弯、抗剪性能、抗震性能)的方法，简称NSM—FRP,如
1-1 NSM—FRP加固示意图
图1-1所示。同工程中常用的加固方法相比优势很明显[1]，比起表面外贴法(Externally Bonded Reinforcements简称EBR)具备很多优点[2]，特别是FRP与混凝土的粘结表面积增大，提高了FRP的利用率;可避免FRP受到磨损、撞击， 适用于桥面板和连续梁负弯矩区域的加固;可用于恶劣环境下(高湿、高温和冻融)工程加固等。所以NSM —FRP加固法有着广阔的研究和工程应用前景。
2.NSM—FRP加固技术应用及研究现状
2.1技术运用
早在20世纪40年代末瑞典的Asplund[3,4]用此项技术加固瑞典一座桥梁，由于当时受到加固材料和粘结材料的限制，效果不好。随着新材料的不断出现，各种新加固方法出现，特别是NSM—FRP加固技术，这种加固在国外工程中的应用也越来越多，以下是国外的几个实例：1997年至1998年技术人员用NSM—CFRP加固技术对美国的Oklahoma市的一所建筑物进行了加固[5];1998年技术人员用NSM—CFRP加固技术(CFRP砂磨)方法加固了美国波士顿市的6个混凝土圆形结构物[3];同年技术人员用NSM—CFRP(CFRP砂磨)加固技术对美国正在使用中的J.857桥梁进行加固[6];1999年秋天技术人员用NSM—CFRP(CFRP板带)加固技术加固了瑞典一座桥梁的桥板[7];1999年用NSM方法加固了一个5层框架的砌体墙[8];Gentile和Rizkalla[9]对加拿大的一座使用了39年的木桥梁进行加固;Andrea Prota[10]等人用NSM—CFRP对混凝土仓筒结构进行加固。目前关于嵌入法加固研究的资料非常有限，且尚未有相关规范和设计准则颁布，现有的试验研究主要集中在界面粘结性能试验和混凝土构件抗弯加固试验两大部分。
2.2研究成果其现状
3 破坏模式
NSM—FRP加固梁的破坏模式理论上分为三种：弯曲破坏、粘结破坏和剪切破坏。
3.1弯曲破坏
弯曲破坏，加固梁受压区混凝土被压碎和FRP被拉断。
3.2粘结破坏
粘结破坏，粘结剂与混凝土界面滑移破坏、粘结剂劈裂破坏和混凝土开裂引起的剥离破坏、FRP与粘结剂界面滑移破坏。从已有的试验结果来看，嵌贴法加固钢筋混凝土梁的主要破坏方式为粘结失效，目前剥离强度模型可归为三大类：基于抗剪承载力的模型、混凝土齿状模型、界面应力模型。对于嵌入式加固的粘结失效强度模型的研究还较少，所提出的模型一般都是在原有外贴片材模型上的改进的。Hassan和Rizkalla结合混凝土破坏准则，提出了界面应力的计算方法[4]，浙江大学的刘义根据自己的试验对公式进行了详细的推导[2]，界面剪应力计算公式：
注：P为梁上作用集中荷载;为梁未嵌贴FRP段的长度;为FRP筋形心到梁截面中和轴的距离;是考虑了混凝土开裂影响的截面有效惯性矩; 为胶层与FRP筋之间的有效粘结系数0.5< <1;FRP的直径。
Hassan和Rizkalla指出由于胶层-FRP界面的粘结力要高于混凝土-胶层界面，而且胶层的剪切强度往往高于混凝土，因此构件的剥离破坏由混凝土的剪切强度所控制。当界面剪应力随外荷载的增长而增加到混凝土的剪切强度时，将会在混凝土-胶层界面发生剥离破坏。不过，对于其他更为复杂的(FRP一胶层界面破坏，FRP被拔出;粘结材料层发生劈裂破坏;槽附近混凝土开裂)破坏模式下的极限荷载的获取，显然此方法需要进一步的改进。
3.3剪切破坏
剪切破坏，加固后梁的抗弯承载力大于梁加固前的抗剪承载力时，可能会发生斜截面剪切破坏。由于剪切破坏是脆性破坏，相对于弯曲破坏更加突然，De Lorenzis和Nanni在抗剪增强试验中，通过对FRP筋的布置角度、锚固长度、配箍率、间距和等影响参数的组合，在破坏模式的基础上，提出FRP筋对抗剪承载力的计算方法，并且与试验结果进行比较，取得较好的吻合。
根据美国《外贴FRP增强混凝土结构设计和施工指导》(ACI-440) 和我国《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》(CECS-146)的有关规定，FRP增强混凝土构件抗剪承载力计算按原混凝土构件抗剪承载力和FRP材料承担剪力之和进行考虑，不考虑FRP材料对原构件抗剪承载力的相关影响。计算表达式如下：
(2)
为加固后混凝土构件抗剪承载力; 为FRP材料承担的剪力; 为受剪钢筋承担的剪力; 为原构件混凝土抗剪承载力，包括受压混凝土对抗剪的贡献。
汪昕根据试验结果，在破坏形态和斜裂缝分布的基础上提出以下FRP筋抗剪承载力贡献计算方法。
(3)
：FRP筋的抗剪承载力贡献; FRP筋的粘结面长度; 为FRP筋与胶体的平均粘结强度; 为与裂缝相交的FRP筋的贡献长度之和，不过，该公式安全度较低，应用于设计时应当考虑强度折减。
表面内嵌FRP加固方法研究的现阶段，对于FRP、粘结剂和混凝土三种介质之间的粘结机理还是不明确，特别是处于弯曲应力下的三种介质之间的粘结机理，Teng JG eta1.通过试验没有发现抗弯试验和直接拉拔试验的结果有简单或直接的联系。在抗弯加固试验中很难避免粘结破坏现象的出现，大部分试验在研究加固梁的抗弯性能时，都采用较大的粘结长度，接近计算跨径这个长度，有很多都伸过支座，但还是出现了粘结破坏。试验中发生的粘结破坏有FRP与粘结剂界面滑移破坏、粘结剂与混凝土界面滑移破坏和槽附近混凝土剥离破坏。
汪昕以De Lorenzis和A.Nanni的分析模型为对象，介绍混凝土齿状模型用于分析嵌入式抗弯承载力在试验破坏形态的基础上，对Parretti公式进行简化，得到适合混凝土压碎FRP筋锚固良好的破坏模式的计算方法。
粘结机理方面，De Lorenzis等较为全面的研究了FRP筋的粘结性能，涵盖了较多种类的FRP筋、不同粘结材料及槽表面特征。试验还验证了FRP剥离破坏时梁的承载能力与粘结界面光滑程度、开槽尺寸、锚固长度、粘结剂种类和保护层厚度等有关。
4 影响因素
4.1 FRP
FRP类型按材料类型主要分为CFRP、GFRP和AFRP，其中AFRP使用较少;混凝土结构的加固多采用CFRP，砌体结构和木结构的加固，多以GFRP为主;FRP按截面形状可分为圆形FRP筋、方形FRP筋和FRP板条;FRP筋材因表面形状不同，可分为光圆筋(表面喷砂处理)和变形筋两大类，其中变形筋包括表面带肋、表面螺旋缠绕FRP条带等形式。实验表明采用FRP板条的加固梁其抗弯承载力均大于采用FRP筋的梁，且加固效果更好。
4.2粘结性能
我国的吴以莉 、姚谏、朱晓旭等也进行了相关的研究[18]试验结果表明环氧树脂及改性水泥砂浆都具有良好的粘结性能，但其耐久性能和抗腐蚀还有待验证，普通水泥砂浆的粘结承载力低，不能发挥CFRP板的高强性能，因此工程中不宜采用。Blaschko[16]在研究CFRP板条嵌贴入混凝土梁的粘结机理的试验中首次考虑了变量a，即FRP板条距混凝土试块边缘的距离，FRP板条距混凝土试块边缘的距离，在设计构造中是非常有意义的参数。
4.3 锚固长度
锚固长度与粘结强度有相互的关系，若锚固长度小于一定的锚固长度时，加固梁发生粘结破坏的可能性就较大，然而锚固长度大于或等于一定的锚固长度时，锚固长度的增大不会明显地影响加固梁的抗弯承载力。我们称这一锚固长度为基本锚固长度。E1一Hacha和Rizakalla通过试验得出锚固长度为850～1200ram的加固梁，其破坏模式为CFRP板条被拉断，当锚固长度超过850mm，加固梁的抗弯承载力相差不大。
总之，对于采用NSM—FRP加固技术加固混凝土的影响因素很多：加固形式、FRP筋的的配筋率、原加固结构的配筋率、开槽的施工工艺等对加固技术都有一定的影响。
5 结束语
NSM—FRP加固技术有其独特的优点，在应用于混凝土结构加固工程中，展现出很大发展空间，然而还存在一些问题有待研究，例如FPR、粘结材料和混凝土之间的受力机理还不是很清楚，一些参数比较模糊;在采用NSM—FRP加固时，没有充分的利用FRP的高强抗拉的性能，是否可以采用施工简单的预应力技术，有待以后的研究;现在的粘结剂普遍比较贵，有必要开发经济实用的粘结材料。
参考资料
[1] 吴浩淼，李杰.表面内嵌FRP加固混凝土梁抗弯性能研究现状[J].建筑与预算双月刊2009，181(5)：65-67.
[2] 刘义.FRP筋材嵌入法加固钢筋混凝土梁的试验研究[D].杭州：浙江大学，2005.
[3] De Lorenzis，L.,A. Nanni，and A.La Tegola，“Strengthening of Reinforced Concrete Structures with Near Surface Mounted FRP Rods”，International Meeting on Composite Materials，PLAST 2000，Milan，ltaly,Mayg9-11.2000.
[4]Hassan T，Rizkalla,S.Investigation of Bond in Concrete Structures Strengthened with Near Surface Mounted Carbon Fiber Reinforced Polymer Strips[J].Journal of Composites for Construction，2003，7(3)：248-257.
[5]Hogue，T.,Cornforth，R.C.Nanni，A.“Myriad convention Center Floor System Reinforcement”[J].Proceedings of the FRPRCS-4,1999.pp.1145—1161
[6]冯鹏，叶列平，FRP结构和FKP组合结构在结构工程中的应用与发展.见：第二届全国土木工程用FRP应用技术学术交流会论文集[C].北京：清华大学出版社，2002.
[7]Prota，A.Parretti，R;and Nanni，A.，2003，“Upgrade of RC Silos Using Near Surface Mounted FRP Composites”[J].L’Industria Italiana del Cemento,V.LXXIIL No.2，PP.170-183.
[8]Laura De Lorenzis Antonio Nanni,“Bond Between Near-Surface Mounted FRPR Rods and Concrete in Structural Stengthening”[J]ACI Structural Journal，V01.99，No.2，March-April 2002，pp.123-133.
[9]De Lorenzis,L.A.Nauni,and A.La Tagola,“Bond of Near Surface Mounted FRP Rods in Concrete Masonry Units”[J].Proceedings of the Seventh Annual International Conference on Composites Engincering(ICCE/7)，Denver，Colorado，July 2-8,2000.
[10]Blaschko,M.Bond Behavior of CFRP Strips Glued into Slits[C].Proceedings of the sixth International Conference Symposium FRPRCS-6 Singapore 2003，Vol l，PP,205-214.
[11] V.Turco,“Bond Between Near-Sufface Mounted FRP Rods and Masonry in Structural Strengthening”[J].Tesi di Laurea-Universita degli Stodi di Padova,Italy,2003.
[12] 汪昕.嵌入式碳纤维板条增强混凝土梁受弯与受剪承载力研究[D].南京：东南大学，2006.
[13] 吴以莉，姚谏，朱晓旭.内嵌CFRP固混凝土梁粘结性能试验分析[J].建筑技术，2010，41(5)：454-456.
本文选自《资源导刊》。 《资源导刊》以党中央、国务院关于国土资源工作的方针、政策为指针，面向全国省国土资源系统、科研院所、矿山企业、房地产开发公司和关心国土资源事业的广大社会公众，是广大读者了解国土资源有关法律法规、信息动态、工作经验、科研成果、学术理论、市场走势、难点热点及国际动态的传媒载体。
