張超，張京街，林文修

（重慶市建筑科學研究院，重慶 400016）

0 引言

纖維增強復合材料（fiber reinforced polymer，F(xiàn)RP）自從20世紀40年代問世以來，在航空、船舶、汽車、醫(yī)學、化工和體育等領域得到了廣泛的應用。1991年，瑞士聯(lián)邦材料科學與技術實驗室（EMPA）Meier教授等人使用CFRP板代替鋼板成功加固了Ibach橋，從而開啟了FRP作為結構材料在土木工程中應用和研究的熱潮。此后，在土木及建筑結構大規(guī)模老化損傷需要加固補強的大背景下，F(xiàn)RP因為其輕質、高強、施工成型方便、耐腐蝕等優(yōu)點，其相關研究和應用在歐洲、美國、加拿大和日本等地得到了迅猛發(fā)展，現(xiàn)在逐漸成為結構加固等領域一種重要的結構材料和技術。目前FRP在土木工程中的應用研究，大致集中在以下幾個領域：使用FRP片材進行結構加固、使用FRP筋/索代替鋼筋/索、FRP與傳統(tǒng)材料組合結構的開發(fā)應用以及全FRP結構開發(fā)應用[1-4]。

FRP結構加固是FRP在土木工程中研究最多、應用最廣泛的一個領域，常見形式包括FRP布纏繞加固混凝土柱、在梁板受拉面粘貼FRP進行抗彎加固、梁柱構件包裹FRP提高其抗剪承載力，其中國內應用最多的是在梁、板受拉面粘貼FRP片材提高其抗彎承載力，主要是FRP重量輕、截面尺寸小、安裝快捷。目前，F(xiàn)RP應用更多集中在室外橋梁等對耐火要求不高的結構中，主要原因就是對其耐火及耐高溫性能的擔憂。本文分析了高溫對FRP及FRP加固系統(tǒng)影響的理論背景，并對國內外主要現(xiàn)行標準規(guī)范對火災和溫度影響的相關觀點和規(guī)定進行了對比分析。

1 高溫對FRP及粘貼FRP加固系統(tǒng)的影響

FRP通常是由纖維與樹脂基體按一定的比例混合后形成的高性能材料，基體中常加入填料、催化劑等物質以改善其固化性能或環(huán)境性能。纖維材料強度高，是FRP復合材料基本力學性能（如強度、剛度）的主要來源和保障；樹脂基體的主要作用是纖維定位、纖維間荷載的傳遞以及保護纖維不受環(huán)境損害和損傷。FRP復合材料可以根據(jù)特定的需求選用不同的纖維和基體材料，為設計提供了極大的靈活性。在土木工程應用中，常見的纖維材料有碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維，基體材料則以環(huán)氧樹脂、乙烯基酯樹脂和聚酯樹脂最為常見。

粘貼FRP片材進行抗彎加固所用的片材，在歐洲和北美多用FRP板，在我國和日本，纖維布應用更廣泛。FRP布本身由連續(xù)長纖維編織而成，使用前不浸漬樹脂，用于結構加固時，用樹脂浸漬后粘貼于結構表面；FRP板是將纖維經(jīng)過層鋪、浸漬樹脂、固化成型等工序制成，本身含有浸漬樹脂，使用時用粘接劑 （通常是環(huán)氧樹脂或者改性環(huán)氧樹脂）粘貼于結構表面。

纖維材料耐高溫性能都比較好，玻璃纖維在溫度達到其融化點（約1000℃）之前強度都不會有明顯變化，碳纖維在溫度超過大約650℃時才會開始發(fā)生氧化，對于粘貼碳纖維布加固混凝土結構來說，因為混凝土結構的熱容比較大，即使纖維布在外界火焰下起燃，在外部火焰移開后便會自動熄滅，因此纖維布在實際工程中可看作是不可燃的。FRP加固系統(tǒng)的耐火或者耐高溫性能主要取決于樹脂材料，因為不論是FRP板自身的浸漬樹脂還是粘接用（改性）環(huán)氧樹脂，一般是可燃的，而且大都屬于熱固性材料，當溫度升高到一定程度后，樹脂會從一種堅硬、脆性狀態(tài)轉化為柔軟、粘塑性狀態(tài)，從而影響FRP材料及粘接性能，甚至導致加固系統(tǒng)完全失效。這個樹脂材料狀態(tài)轉化的溫度，通常稱為其玻璃轉化溫度（Tg），因為狀態(tài)轉化實際是發(fā)生在一定的溫度區(qū)間，玻璃轉化溫度就取這個溫度區(qū)間的中間值。FRP加固工程中常用樹脂材料的玻璃轉化溫度通常在45～80℃區(qū)間，不要說火災時，就是在日常使用環(huán)境中，溫度都可能接近甚至達到樹脂材料的玻璃轉化溫度，這也就是工程界對FRP耐火或者耐高溫性能的擔憂所在。

2 國內外標準規(guī)范對FRP加固混凝土結構耐火及溫度影響的相關觀點和規(guī)定

2.1 美國混凝土協(xié)會標準（ACI 440.2R-08，2008）

對粘貼FRP加固混凝土結構的火災考慮，ACI標準的設計理念是FRP加固系統(tǒng)在火災條件下視為完全失效，既有結構在考慮持續(xù)高溫對材料性能的不利影響后，其承載能力仍能滿足加固后結構所要求的標準恒荷載和活荷載作用之和，保證整體結構不會坍塌。如果有確切證據(jù)表明采用改性樹脂或者采取一定的耐火措施能夠使FRP加固系統(tǒng)的耐火能力有所提高，可以考慮其對結構承載能力的貢獻。標準對FRP加固系統(tǒng)對結構承載力提高的幅度加以限制，最大受彎承載力提高幅度不超過40%。

ACI標準對溫度影響的考慮，表現(xiàn)在幾個方面：（1）樹脂材料的物理和力學性能會受溫度影響，在溫度達到其玻璃轉化溫度（Tg）時，樹脂會出現(xiàn)軟化，從而影響FRP材料及加固系統(tǒng)的性能，美國市場上常見的FRP系統(tǒng)Tg大約在60～82℃，這也是火災設計中考慮FRP加固系統(tǒng)失效的原因；（2）FRP加固系統(tǒng)的熱膨脹性與混凝土有差別，在纖維（跨度）方向，碳纖維加固系統(tǒng)的熱線性膨脹系數(shù)幾乎為0，而玻璃纖維加固系統(tǒng)的熱線性膨脹系數(shù)與混凝土相近。有限的研究成果表明，溫度變化不超過±28℃時熱線性膨脹系數(shù)差別對粘接的影響不大；（3）考慮環(huán)境作用（包括溫度）的長期不利影響，針對不同的使用環(huán)境和纖維類別，給出了不同F(xiàn)RP加固系統(tǒng)極限承載力的經(jīng)驗折減系數(shù)。

ACI標準通過限制FRP的拉應變來防止粘接剝離破壞。因為粘接剝離為脆性破壞，標準建議對粘結強度按0.5進行折減，同時考慮FRP的剛度越大，越容易發(fā)生粘接剝離破壞，引入了一個0.2～0.9之間的系數(shù)，來計算FRP拉應變的限值，標準并未涉及粘結應力計算中溫度作用的影響。

2.2 國際結構混凝土聯(lián)合會標準（fib Bulletin No.14，2001）

Fib標準中，火災可以作為偶然工況考慮或對FRP加固系統(tǒng)進行專項耐火設計?；馂淖鳛榕既还r考慮時，F(xiàn)RP加固系統(tǒng)視為在火災條件下失效，要求既有結構能承擔現(xiàn)有 （加固后）結構在偶然工況下相應的荷載作用組合，整體結構不會坍塌，這時不需要對FRP加固系統(tǒng)進行專門的耐火設計，但是要對FRP加固系統(tǒng)對結構承載力提高的幅度進行限制。如果在火災時需要考慮FRP加固系統(tǒng)的承載力貢獻，那么應進行專項耐火設計，所采用的分析方法應能充分考慮溫度荷載的分布和效應，基于對粘接劑的溫度升高進行限制（通常在50～100℃范圍）進行防護措施的設計。

Fib標準專門介紹了聚合物材料玻璃轉化溫度 （Tg）的概念，溫度達到玻璃轉化溫度后，聚合物會從相對堅硬、彈性、玻璃狀轉化為橡膠質材料，F(xiàn)RP加固系統(tǒng)的粘接性能會顯著降低，構件承載能力因此降低的幅度可達30%～40%。土木工程中常用的常溫固化環(huán)氧樹脂粘接劑玻璃轉化溫度范圍一般在45～80℃。需要注意的是，玻璃轉化溫度本身也會隨溫度、濕度等環(huán)境條件發(fā)生變化，在高溫作用下，聚合物會進一步固化，其Tg會有所提高。為防止因為溫度過高產(chǎn)生粘接破壞，fib標準要求粘接劑的玻璃轉化溫度不應小于使用環(huán)境陰涼處最高空氣溫度加上20℃，且不應小于45℃。

Fib標準指出要特別注意粘接FRP與混凝土之間溫差過高的情況，但并未涉及粘結應力計算中溫度作用的影響。

2.3 日本土木工程師協(xié)會標準（JSCE Concrete Engineering Series 41，2001）

JSCE標準對粘貼FRP加固混凝土結構的耐火設計分為4個水準：（1）水準1：纖維布加固系統(tǒng)在火災中或火災后可能失效，但整體結構不坍塌；纖維布本身可能起燃，但可燃性低，且不會助燃；（2）水準2：纖維布加固系統(tǒng)在火災中或火災后可能失效，但整體結構不坍塌；纖維布在火災條件下不會起燃，損傷在火災后可以修復；（3）水準3：火災中整體結構不坍塌；纖維布在火災過后、恢復到正常溫度時不需要修復即仍能保持其加固承載能力；（4）水準4：火災中纖維布加固系統(tǒng)不失效，在耐火極限時間內保持其加固承載能力。基本原則是在一般情況下，F(xiàn)RP加固設計要求既有混凝土結構應能承擔結構恒載和其他永久荷載，而纖維布加固主要提高其活荷載及其他可變荷載的承載能力，這樣即使纖維布加固系統(tǒng)在火災條件下失效，整體結構并不會坍塌。

JSCE標準通過限制最大受彎開裂部位纖維布的拉應力或受彎裂縫之間纖維布拉應力差值來防止粘接剝離破壞。就溫度影響而言，JSCE標準僅是將其作為環(huán)境作用的一種，長期作用下會使結構材料發(fā)生變化或是損壞，從而影響結構的耐久性，并未考慮溫度對粘結應力的影響。

2.4 英國混凝土協(xié)會標準（TR 55，2004）

TR55標準要求必須考慮FRP加固系統(tǒng)在火災等極端條件下可能失效的風險，要求加固前的結構能夠承擔現(xiàn)有使用條件下不考慮分項系數(shù)的結構荷載，整體結構不會因為FRP系統(tǒng)失效而坍塌，但是標準也指出，如果綜合考慮火災過程中時間-溫度變化、防護措施以及高溫對FRP和粘接劑材料性能的影響進行專項分析和設計，并不排除在火災條件下考慮FRP加固系統(tǒng)對承載力貢獻的可能。

考慮粘接劑的玻璃轉化溫度（Tg）一般在50～65℃，超過玻璃轉化溫度，粘結材料會從一種堅硬、脆性狀態(tài)轉變?yōu)檎承誀顟B(tài)，TR 55標準要求通常情況下所選用的粘接劑應能承受最高50℃的環(huán)境使用溫度，但在特殊使用條件下，如橋面板上表面要進行粘貼FRP加固，需要選用特殊的粘接劑。對于高溫對粘結材料的不利影響，一些學者也開始進行無粘結端部錨固或者無機粘結材料開發(fā)等方面的研究。

TR 55標準對粘接剝離破壞的考慮分為兩步，第一步是確認不會因為結構本身存在受剪裂縫或者混凝土表面不平整引起粘接剝離，前者通過限制結構最大剪力來實現(xiàn)，后者對粘貼FRP混凝土表面平整度進行了限制，第二步是通過限制最大FRP拉應變和FRP與混凝土之間的最大剪應力來避免粘接剝離破壞，具體要求是，在極限承載能力狀態(tài)，F(xiàn)RP的最大拉應變不應超過0.008，F(xiàn)RP與混凝土之間的最大剪應力不應超過0.8N/mm2，標準未涉及粘結應力計算中溫度作用的影響。

2.5 國內標準規(guī)范 （GB 50367、GB 50608、CECS 146：2003）

目前國內碳纖維加固方面的標準規(guī)范主要有三本：《混凝土結構加固設計規(guī)范》GB 50367、《纖維增強復合材料建設工程應用技術規(guī)范》GB 50608和《碳纖維片加固混凝土結構技術規(guī)程》CECS 146：2003。

GB 50608規(guī)范考慮火災等條件下FRP加固系統(tǒng)失效，要求被加固結構的原承載力設計值不應低于其荷載效應準永久組合值，以保證被加固構件有足夠的剩余承載力。CECS 146：2003則明確規(guī)定，加固設計時，應采取措施使原結構、構件不致因碳纖維片材加固部位意外失效而導致坍塌。為控制加固后構件的裂縫寬度和變形，同時為了保證加固后構件“強剪弱彎”，GB 50367規(guī)范要求鋼筋混凝土結構構件加固后，其正截面受彎承載力的提高幅度不應超過40%，并提出當被加固構件的表面有耐火要求時，應按現(xiàn)行國家標準 《建筑設計耐火規(guī)范》GB 50016規(guī)定的耐火等級及耐火極限要求，對纖維復合材進行防護。

GB 50608要求浸漬樹脂和FRP板粘接劑的熱變形溫度應大于50℃，特殊環(huán)境下使用的熱變形溫度不應低于60℃。與GB 50608規(guī)定材料熱變形溫度不同，GB 50367規(guī)范規(guī)定粘貼纖維復合材加固的混凝土結構，通常情況下其長期使用的環(huán)境溫度不應高于60℃，并要求粘貼在混凝土結構表面上的纖維復合材，不得直接暴露于陽光或有害介質中。

標準對延伸長度、截斷點位置及錨固等做了要求，并未對FRP和混凝土之間粘接應力計算進行專門的規(guī)定。

3 討論及建議

3.1 各標準觀點及要求對比討論

通過對國內外主要現(xiàn)行標準規(guī)范對粘貼FRP加固系統(tǒng)火災和溫度影響的觀點和要求進行對比，有以下幾點發(fā)現(xiàn)：

（1）FRP材料在土木工程尤其是結構加固領域得到了廣泛應用，但對其耐火及耐高溫性能的擔憂極大地限制了其在耐火要求比較高的結構和環(huán)境中的應用。總體來說，粘貼FRP加固系統(tǒng)的耐火設計有兩種不同的理念：主流的主張是假定FRP加固系統(tǒng)在火災中完全失效，要求在不考慮FRP加固系統(tǒng)貢獻的條件下，整體結構不垮塌，這種理念的設計一般會對FRP加固系統(tǒng)對承載力的提高幅度進行限制，如ACI標準和我國GB 50367標準要求FRP加固混凝土結構的正截面受彎承載力提高不應超過40%；另外一種理念是把火災看作一種特殊的設計工況，綜合考慮火災條件下的溫度場分布、火災或環(huán)境溫度對材料性能的影響以及火災條件下可能存在的荷載組合等，進行專項分析和設計，并以此提出耐火措施的要求。我國現(xiàn)行標準采用的是第一種理念；

（2）對FRP耐火及耐高溫性能的擔憂主要源于FRP加固系統(tǒng)中樹脂材料的玻璃轉化溫度（Tg）較低，通常在45～80℃之間。對此，標準規(guī)范一般是規(guī)定所使用樹脂材料的玻璃轉化溫度不低于一定的溫度值，或者是限制FRP加固系統(tǒng)的環(huán)境使用溫度，我國兩部現(xiàn)行國家標準GB 50608和GB 50367分別采用了這兩種方法；

（3）各標準都對粘接剝離破壞給予了充分的重視，有的標準對粘接剝離破壞的模式進行了詳細的介紹并對防止粘結剝離破壞條件提出了相應的規(guī)定和要求，但均未涉及粘結應力計算中溫度作用的影響。

3.2 后續(xù)工作的思考和建議

工程界對FRP耐火及耐高溫性能的擔憂，主要源于FRP加固系統(tǒng)中的樹脂材料的熱穩(wěn)定性差。為推動FRP在更廣闊領域的應用，對后續(xù)工作有幾點思考和建議，供業(yè)內人士參考。

（1）開展高性能防火涂料的研發(fā)。FRP加固系統(tǒng)的防火措施要考慮兩個方面，一是防護效果要能滿足相應耐火極限的要求，二是防護措施應盡量節(jié)省空間，F(xiàn)RP加固系統(tǒng)一個很大的優(yōu)勢是體積小，對既有結構的截面尺寸影響不大，這對室內環(huán)境結構加固尤為重要，這樣，高性能的防火涂料應該是比較理想的方式。

（2）進行耐高溫粘結材料的研發(fā)。FRP與混凝土結構之間應力傳遞通過粘結材料來實現(xiàn)，這就要求其不僅要有必要的強度和剛度（剪切模量），有適合的適用期和膠凝時間來保證順利施工，還要有良好的熱工和耐高溫性能，在保證高溫工作性能的同時能滿足溫度作用下FRP與混凝土之間有效的內力傳遞。

（3）開展自然條件下日常溫度作用對FRP加固系統(tǒng)粘結性能的影響研究。FRP加固系統(tǒng)的耐火及耐高溫研究已經(jīng)得到了工程界和學術界的廣泛關注和重視，相比于火災或高溫等特殊條件，自然條件下溫度會隨季節(jié)、時間發(fā)生變化，如在重慶地區(qū)，夏季露天最高空氣溫度可達50℃以上，接近甚至超過有些粘結材料的玻璃轉化溫度，這種情況下，短時的高溫加上交變溫度對FRP加固系統(tǒng)的粘結性能有沒有影響、影響到什么程度尚不清楚，在現(xiàn)有標準規(guī)范里面也未有涉及。

[1]馮鵬.復合材料在土木工程中的發(fā)展與應用[J].玻璃鋼/復合材料，2014（9）：99-104.

[2]王全鳳，楊勇新，岳清瑞.FRP復合材料及其在土木工程中的應用研究[J].華僑大學學報：自然科學版，2005，26(1)：1-6.

[3]呂志濤.高性能材料 FRP應用與結構工程創(chuàng)新[J]，建筑科學與工程學報，2005，22(1)：1-5。

[4]姚國文，劉秋松.體外粘貼FRP片材加固橋梁技術研究與應用進展[J].公路與水運，2007（12）：153-156.

[5]Guide for the design and construction of externally bonded FRP systems for strengthening concrete structures，ACI 440.2R-08，2008，American Concrete Institute，US.

[6]Externally bonded FRP reinforcement for RC structures，fib Bulletin No.14，2001，International Federation for Structural Concrete.

[7]Recommendation for upgrading of concrete structures with use of continuous fiber Sheets，Concrete Engineering Series 41，2001，Japan Society of Civil Engineers，Japan.

[8]Design guidance for strengthening concrete structures using fibre composite materials，TR55，2004，The Concrete Society，UK.

[9]GB 50367-2013混凝土結構加固設計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

[10]GB 50608-2010纖維增強復合材料建設工程應用技術規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2010.

[11]CECS 146：2003碳纖維片加固混凝土結構技術規(guī)程[S].北京：中國計劃出版社，2007.

弘揚勞模精神 厚植工匠文化——三名建筑工人榮獲“重慶市五一勞動獎章”

為貫徹落實十九大精神和重慶市委五屆三次全會精神，建設知識型、技能型、創(chuàng)新型勞動者大軍，弘揚勞模精神和工匠精神，實施人才興業(yè)戰(zhàn)略，市建設崗培中心按照市城鄉(xiāng)建委的要求，積極推進技能人才培養(yǎng)，特別是通過技能競賽等渠道，大力培養(yǎng)高技能人才。近日，市總工會通報了47名“重慶市五一勞動獎章”獲得者名單，建設行業(yè)3名建筑工人榮獲此殊榮。楊培彬（重慶建工四建塔式起重工）、何青明（重慶渝發(fā)建設有限公司管道工）、周青云（重慶大方建筑裝飾設計工程有限公司手工木工）三名同志參加建設行業(yè)技能大賽，脫穎而出，分別獲得各工種的第一名及技師證書，并經(jīng)推薦，被市總工會授予“重慶市五一勞動獎章”榮譽稱號。

重慶市建設崗位培訓中心將以十九大精神為指引，在重慶市城鄉(xiāng)建委黨組的領導下，大力弘揚勞模精神和工匠精神，積極推進科教興業(yè)、人才強業(yè)戰(zhàn)略的實施；開展人才需求調研，不斷完善行業(yè)人才培養(yǎng)體系和技能標準體系，將工匠精神融入職業(yè)技能培訓和企業(yè)在職人員在崗教育，培養(yǎng)行業(yè)高素質人才隊伍和建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化技能人才隊伍；推進行業(yè)教育培訓信息化，實行專業(yè)人員考試信息化全覆蓋，以及繼續(xù)教育網(wǎng)絡化；推進行業(yè)技能大賽規(guī)范化、常態(tài)化，鼓勵企業(yè)、行業(yè)協(xié)會開展職業(yè)技能競賽，為全市建設行業(yè)能工巧匠搭建展示技能水平和個人風采的平臺，營造勞動光榮的社會風尚和精益求精的敬業(yè)精神，為城鄉(xiāng)建設行業(yè)轉型升級發(fā)展提供人才保障。

（重慶市建設崗位培訓中心供稿）