玻璃钢加固（用玻璃钢加固的必要性）

众所周知，混凝土是一种抗压强度高、抗拉强度差的建筑材料。没有任何形式的钢筋的梁在承受相对较小的荷载时会开裂和失效。在大多数情况下，故障会突然发生，并且以脆弱的方式发生。加固混凝土结构的最常见方法是在浇筑混凝土之前使用放置在结构中的钢筋。由于混凝土结构通常具有很长的使用寿命，因此对结构的要求随时间而变化是很常见的。这些结构可能必须在以后承受更大的载荷或满足新的标准。在极端情况下，结构可能因事故而需要修复。另一个原因可能是在设计或施工阶段犯了错误，因此在使用之前需要加固结构。如果出现任何这些情况，则需要确定是否应该加固或更换结构。在过去十年中，基础设施恶化的问题已成为欧洲至关重要的话题，在美国和日本也是如此。

甲板、上层建筑构件和柱子的劣化可追溯到各种原因，从老化和环境引起的退化到初始结构不良和缺乏维护。除了恶化的问题之外，还有与需要更高的额定负载和增加车道数量有关的问题，以适应主要干道上不断增加的交通流量。因此，我们基础设施的很大一部分目前在结构或功能上都存在缺陷。除了与此类结构部件的持续改造和维修相关的成本和可见后果外，还有与延误和弯路造成的时间和资源相关的生产损失和整体经济损失。随着我们进入二十一世纪，我们生命线的更新成为一个关键问题。但是，要使结构保持其原始性能水平，或者有时仅保持在可接受的性能水平，需要以预定的时间间隔对其进行维护。如果缺乏维护降低了结构的性能水平，则可能需要维修。在需要更高性能级别的情况下，可能需要升级。这里的性能水平是指承载能力、耐用性、功能或美学外观。升级是指对计算模型进行精细化、强化、耐久性增加、功能改变或美观性提升。在本书中，主要讨论了加强。旧混凝土结构的修复、修复和加固正变得越来越普遍。如果考虑投资于现有基础设施的资本，那么，用新结构取代现有结构并不总是在经济上可行。必须采取挑战，制定相对简单的措施，如重建、修复、修复和加固，以延长结构的寿命。这一挑战对顾问和承包商都提出了很高的要求。例如，在评估最适合实际受试者的方法方面存在困难;例如，同一结构中的两根相同的柱子可能具有完全不同的寿命，具体取决于它们各自的小气候。此外，加固结构以承受更高的载荷或改变结构的用途可能很复杂，特别是当处于使用极限状态的载荷很高时。因此，必须彻底分析问题，以便能够选择正确的措施。选择不合适的修复方法甚至会降低结构的性能。在适当升级的情况下，目的应该是增加耐用性或承重能力。有许多不同的方法可以加固现有的混凝土结构，例如;改变横截面、外部预应力、改变静态系统或设计，在考虑真实材料数据和载荷时更加准确。另一种替代强化方法是FRP（纤维增强聚合物）板粘接。提高结构承重能力的一种更常用的方法是将织物或纤维复合材料板连接到结构上。复合材料中的纤维可以由玻璃、芳纶或碳组成。后者已被一次又一次地证明对混凝土建筑结构有利。用于将织物或层压板粘接到混凝土表面的粘合剂是一种耐寒的双组分环氧树脂粘合剂，它与纤维一起成为结构表面的聚合物复合材料。旧结构和新粘结材料形成了比原始结构具有更大强度的结构关系。使用先进复合材料加固结构的最常见方法是弯曲，但通常还需要加固剪切、扭转和轴向载荷。加固剪切或扭转结构的原因与弯曲的原因相同，但加固弯曲结构也可能导致需要加固结构进行剪切，因为破坏模式可以改变加固剪切结构在理论上通常比弯曲更复杂，因为混凝土的剪切行为不如弯曲行为那么容易理解。在需要对柱子进行加固的情况下，通过用玻璃钢板包裹柱子可以获得相当大的限制效果。但是，当使用单向FRP材料时，还必须考虑材料的各向异性。人们必须记住，这些材料首先是为航天、航空、船舶和汽车工业开发的。建筑行业在考虑使用先进聚合物复合材料时有完全不同的要求。例如，桥梁的设计寿命将超过50年，有时为120年，建筑结构在其生命周期内承受较大的静态荷载，而在航空工业中，荷载是动态的，并且在相对较短的时间内承载。背景FRP材料是由高强度和高模量纤维嵌入基体中的一组高级复合材料，具有独特的界面特性。纤维和基质都保留了它们的物理和化学特性，但它们产生了独特的特性，而这些特性是任何一种成分单独作用都无法实现的。基体是复合材料的粘合剂材料，在将施加的载荷传递到纤维方面起着重要作用。最常见的基质类型是聚合物材料，包括环氧树脂和聚酯。玻璃和碳等几种类型的纤维已用于结构应用。近年来，玻璃钢材料的可用性增加和成本降低，刺激了对钢筋木材的研究增加。一些研究人员开发了一种计算机程序来预测用粘合到受拉表面的FRP板加固的木梁的行为。其他一些人使用预应力FRP板作为钢筋进行了类似的工作。这些计划表明，少量的FRP加固可以显着提高强度和刚度。这两项研究都通过实验测试证实了计算机的预测，但这项工作仅限于小样本的透明木材。许多研究人员研究了玻璃钢在加固木梁中的应用。FRP板材、CFRP带材和GFRP带材都被用作木材的外部加固。这些研究中的每一项都报告了梁的强度和刚度的增加。其他一些研究人员报告了两个在失败时同时发生的事件。其中一个底部层压的拉伸破坏伴随着FRP带的部分或全部分层。缅因大学的研究人员正在对FRP增强胶合木梁的行为进行详细研究，以制定设计规范。研究人员介绍了第一座用FRP增强胶合木建造的公路桥梁的案例研究。上述研究中的Al1使用胶合木或单板层积材（LVL）。胶合木和LVL是工程木材产品，由较小的木梁的多个层压层粘合在一起而成。选择层压是为了减少节的存在和影响，与锯材相比，强度变化更小。光纤类型结构应用中最常见的三种纤维是玻璃纤维、芳纶纤维和碳纤维。玻璃纤维具有高拉伸强度、良好的机械丙酮、高耐慢性性和优异的绝缘性能。玻璃的一些缺点是拉伸模量低、对磨损敏感，以及在存在水和持续载荷的情况下由于蠕变断裂特性而降低抗拉强度。玻璃纤维玉米在结构应用中的类型是E（电气）和S（高强度）。芳纶纤维在主要纤维类型中具有最低的比重和最高的拉伸强度重量比。在弯曲过程中，芳纶纤维在压缩侧表现出高度的屈服，这在其他纤维中没有观察到。这种非灾难性失效模式使芳纶纤维复合材料对动态和冲击载荷具有优异的损伤容限。芳纶的一些缺点是抗压强度低、加工困难和对紫外线辐射敏感。碳纤维具有非常高的趋向强度、高弹性模量和高疲劳强度。碳纤维的主要优点是强度重量比高、耐久性好，在持续的蟾蜍下具有丝束松弛性。一些缺点包括抗冲击性低和成本高。由于成本高昂，碳纤维已被用于非常特殊的应用，例如结构构件的预应力和混凝土结构的弯曲加固。用玻璃钢加固的必要性砌体结构很古老，是在没有适当的理论和良好知识的时代建造的。人们通常根据现有的知识和经验建造房屋。许多仍然存在的建筑物不符合现行准则。此外，最近的世界性地震使人们更加意识到生命和财产的安全。一些在文化和历史方面变得有价值的著名建筑需要更长的使用寿命。几年前是住宅区的地方现在变成了工业区，因此人们通常希望改变以前的建筑物的用途，这也是一个普遍的问题。有时在施工时可能会出现错误。因此，可以声称有很多理由来加强现有建筑物。现总结如下：

• 消除因异常负载或暴露条件、设计不当或施工不当而导致的结构问题或困扰。可能因超载、火灾、洪水、地基沉降、磨损导致的劣化、疲劳影响、化学侵蚀、风化、维护不足等引起的痛苦。
• 符合现行规范和标准。
• 允许改变结构用途的可行性，以适应与当前不同的用途。
• 由于劣质或不合适的建筑材料导致的耐久性问题。
• 设计或施工错误。
• 在设计阶段未正确理解的腐蚀性环境。
• 对老化的基础设施的寿命要求越来越高。
• 异常或意外加载。
• 不同结构或非结构部件的使用寿命各不相同。

此外，修复/加固意味着增加以下一个或多个参数：

• 抗拉能力
• 剪切能力
• 抗弯能力
• 抗压能力
• 成员稳定性
• 延性
• 强度或刚度或两者兼而有之

玻璃钢的应用过去，玻璃钢材料的高成本限制了其在轻量化比成本更重要的领域的应用，例如航空航天和体育用品行业。最近，升级和维修基础设施的需求导致FRP材料在结构工程应用中的研究和使用增加。为了修复现有结构，FRP层压板（约1至2毫米厚）已粘结到梁和板的受拉表面上。玻璃钢板和织物被包裹在圆柱上以提高延展性和强度，并缠绕在梁腹板上以增强剪切强度。玻璃钢的无腐蚀性和高强度使其成为混凝土结构中钢筋的有吸引力的替代品。钢筋和电缆形式的玻璃钢已被用作常规和预应力钢筋，以及新混凝土结构中的箍筋。关于建筑行业中的纤维复合材料，应该提出的第一个问题是，与当今使用的材料相比，它们是否具有任何优势？答案无疑是“是”。混凝土结构的耐久性通常与钢筋的腐蚀有关;简单地说——没有钢，没有腐蚀。此外，这些材料具有高强度、低重量和柔韧性，例如，可以建造几年前无法想象的新型结构。从更短的角度来看，最有趣的应用可能是在现有结构的维护、维修和加固领域。西方世界的现有建筑越来越老旧，尽管很大一部分建筑在功能上胜任，但也有大量建筑需要维修或加固。桥梁等基础设施受到社会对增加负载的需求的影响，这是由于允许的轴压和每辆车总重量的增加。这反过来又导致了对承载能力的升级需求。当前的规范可能与结构的建造时间不同，或者在施工或生产阶段可能犯错误。欧洲、日本和美国对结构的需求也在不断变化。如果把目光投向东欧，就会发现对结构的加固需求巨大，这主要是由于忽视了维护。在这些情况下，可以恢复结构的全部功能的措施可以是复合物对结构表面的粘附。复合材料的其他应用可以是传统的钢筋或预应力混凝土结构。有趣的应用也可以是纤维复合材料的全新结构。最有可能的是，这些材料将与钢材和混凝土等传统建筑材料结合使用。可以理解的是，在基础设施领域使用复合材料提出了与其他应用不同的要求。与航空业相比，以下差异是显而易见的：

• 降低了对非常高尺寸稳定性的要求;
• 对长期（50年）能够抵抗不同环境甚至静态载荷的材料的需求增加。通常的室外环境包括温度波动、紫外线辐射、湿度循环等。在正常的室内环境中，必须考虑有关防火和材料低排放的要求。在桥梁和道路附近，经常存在除冰盐;
• 不定期维护;
• 要求初始成本低，维护成本低;

以下是一些FRP用法：

• 桥梁加固：FRP已被接受为钢-钢筋混凝土桥梁和结构的治疗方法，这些桥梁和结构因除冰和海洋盐的腐蚀作用、环境污染物以及超过设计限制的交通荷载的长期影响而摇摇欲坠。玻璃和碳增强聚合物因其高强度和低重量而为加固现有混凝土桥梁和结构提供了一种有吸引力且经济的解决方案。该材料可用于需要更长的、无支撑的跨度，或者减轻整体重量和增加强度可能意味着更高的抗震性的地方。轻质玻璃钢加固结构可以降低柱子和基础的成本，并可以适应更重的卡车负载日益增长的需求。使用玻璃钢加固现有混凝土桥梁的一大好处是应用速度快。但是，如果在施工期间桥上的交通停止，则此速度可能会受到影响。因此，在胶粘剂固化过程中，桥梁能够承受动态活荷载显然是有益的。FRP复合材料也被用于修复预应力混凝土（PC）桥梁构件。PC构件容易受到钢绞线疲劳的影响，可能需要加固以防止预应力的进一步损失，一些研究表明，PC梁可以用外部粘结的CFRP复合板进行加固，以提高其极限抗弯能力。此外，使用外部粘结的CFRP复合板可以大大提高30年历史受损PC梁的抗弯和抗剪能力。他们使用CFRP U型包裹作为沿梁长度的剪切钢筋，以延迟脱粘失效。
• 抗弯加固：通过使用外部粘合的玻璃钢板、条带或织物，可以提高混凝土构件的抗弯能力。或者，可以使用光纤方向平行于杆件轴线的近表面贴装带材（NSM）或棒材。使用外部粘结板和NSM CFRP系统来加强弯曲钢筋混凝土梁已经得到了很好的研究。有一篇关于民用基础设施和现有民用结构修复的FRP复合材料的最新论文、评论论文和书籍。复合材料通过现场湿法工艺制造或预制在板中，然后粘合到混凝土表面，提供了一种有效的加固手段，可以在不中断使用或很少中断使用的情况下进行。该方法的功效主要取决于复合材料的适当选择以及复合材料与混凝土表面之间粘结的效率和完整性。也就是说，可以通过将FRP条粘接到梁的拱腹上来完成抗弯加固。
• 抗剪强度：当钢筋混凝土梁的抗剪能力不足时，或当其抗剪强度小于抗弯强度后，必须考虑相应梁的抗剪强度。已经意识到，粘结在钢筋混凝土梁拱腹上的玻璃钢不会显着改变未加固梁的剪切行为。因此，在预测梁的抗剪强度时，可以忽略与拱腹粘结的FRP条进行抗弯加固的影响。利用玻璃钢带材的各种粘结方案来提高钢筋混凝土梁的抗剪能力.当纤维方向与最大主拉应力重合时，玻璃钢外加固的剪切效果最大化，最大主拉应力通常与构件轴线成45度角。但是，有时将外部FRP钢筋与主纤维方向连接起来更为实用，垂直于构件轴方向。也就是说，在柱和梁的情况下，或在梁-柱接缝的情况下，在柱和梁接缝的情况下，在柱和梁的横向方向上，或在柱和梁方向上，通过提供外部粘合的FRP，可以提高混凝土构件的抗剪能力。
• 钢筋混凝土板的抗弯加固：玻璃钢复合材料用于使用玻璃钢板的单向板和双向板的抗弯加固。这些板材沿板的中间粘合或沿板的宽度分布。双向板采用预应力板。当钢筋混凝土板被简单支撑时，通过将玻璃钢条沿所需方向粘接到拱腹来加强单向板。对于双向板，必须通过在两个方向上粘合玻璃钢条来对两个方向进行加固。与梁上的钢筋混凝土板相比，对FRP加固钢筋混凝土板的理论研究数量有限，但有限元分析一直是模拟其行为的最有效的数值方法之一。
• 针对细节缺陷不良的加固：由于弯曲塑性铰链区域的细节设计不佳，弯曲开裂后可能会出现覆盖混凝土剥落、横向钢筋失效、纵向钢筋屈曲或混凝土压缩压碎。这种破坏模式通常伴随着较大的非弹性弯曲变形。通过沿柱周边放置纤维的玻璃钢护套形式添加约束，可以防止覆盖混凝土剥落并抑制纵向钢筋的屈曲。通过这种方式，可以产生更多的延展性响应，并且可以维持更大的非弹性变形。
• 钢筋混凝土柱的加固：使用钢或玻璃钢护套加固现有的钢筋混凝土柱是基于一个公认的事实，即混凝土的横向约束可以大大提高其轴向抗压强度和延展性。最常见的FRP柱加固形式涉及FRP带的外部包裹。FRP复合材料的使用提供了一种在不增加刚度的情况下进行限制的方法（当仅使用环形增强纤维时），可以快速制造具有成本效益和耐用的护套，在大多数情况下很少或没有交通中断。在承受轴向压缩的玻璃钢约束混凝土中，玻璃钢护套主要在箍拉力下加载，而混凝土则承受三轴压缩，因此这两种材料都得到了充分利用。由于限制，可以提高混凝土的强度和极限应变，同时可以有效地利用玻璃钢的抗拉强度。与这两种材料所表现出的脆性行为不同，FRP约束混凝土具有增强的延展性。对于FRP包裹的轴向加载柱，设计理念依赖于包裹在柱子的周边承载拉力，这是由于在压缩中轴向加载时基础柱的横向膨胀。限制柱子的横向膨胀限制了混凝土，从而增加了其轴压能力。柱子可以通过在箍方向上包裹来提供约束，从而在轴向上加强柱子。对于圆柱，最初的指南分别处理压缩和弯曲的加固。当使用FRP材料包裹圆形混凝土柱时，对加固有许多潜在的有益影响。
• 用作钢筋：传统的混凝土构件钢基钢筋系统面临着严重的问题，主要是由于化学侵蚀性环境和除冰过程中使用的盐引起的腐蚀，特别是在桥梁钢RC梁的情况下。此外，在某些情况下，特殊应用需要具有磁透明性的结构构件。最近，这一主要问题的替代方案是使用FRP复合钢筋作为内部加固。在新结构中，FRP用于加固现浇和预制混凝土。它可以采取钢筋、箍筋、格栅、路面接缝销钉、筋和锚杆的形状。近年来，全世界对在混凝土结构中使用FRP加固作为传统材料（如钢加固）的替代品的兴趣显着增加。玻璃钢增强钢与钢相比具有高耐腐蚀性和高强度重量比的优势。据报道，FRP钢筋的其他优点包括增强的安装和处理速度，以及适用于对阻碍无线电波传播和干扰电磁场的材料敏感的应用。与钢相比，FRP的主要优点是该材料可以更具体地针对系统的负载进行定制，耐腐蚀性，增加材料的使用寿命和耐用性，并减少施工时间和成本。虽然玻璃钢加固主要用于桥梁，但其在多层建筑、停车场和工业结构中的应用具有巨大的经济潜力。然而，在FRP可用于加固建筑物中的混凝土构件之前，必须确定这些构件满足严格耐火性的能力。自1960年代以来，用FRP材料加固的混凝土一直在研究中。无应力玻璃钢钢筋已经发展出多种形式，包括外观类似于变形钢筋的带肋玻璃钢棒、用聚酯、乙烯基酯或环氧树脂粘结的未变形的E-玻璃和碳纤维棒、由扁平玻璃钢筋制成的E-玻璃网以及使用扁钢和箱形截面的预制钢筋笼。

在土木工程中使用FRP的优缺点许多因素会影响许多结构问题和劣质混凝土，但有一些技术解决方案。其中一些因素包括：材料成本、对机械强度和刚度的要求、抗冲击性和抗破坏性、耐环境影响性、长期性能（如松弛和蠕变）、应用和生产方法。此外，在某些情况下，客户可能不熟悉有针对性的解决方案，因此选择更传统的方法。然而，FRP加固具有许多潜在的优势：

• 搬运：用于加固的复合材料非常轻，易于搬运。与钢板粘接相比，钢板粘接可以实际处理不超过2–3米的板材，在这里可以处理几乎无限长的板材或板材。此外，无需重叠电镀。此外，与传统的混凝土覆盖层或喷射混凝土相比，使用FRP加固时需要运输的材料要少得多。
• 耐久性与维护性：碳纤维复合材料具有特别好的耐久性、长期疲劳性能，不需要随时间推移而保持。
• 薄强化层：在许多情况下，薄强化层是有利的。薄层不会改变现有结构的尺寸，也可以与薄混凝土覆盖层或表面保护材料结合使用。在这里，道路交通的低地下通道可能是一种应用，否则需要复杂的加固方法。
• 施工时间：在建筑行业中，时间始终是一个关键因素。如果可以减少时间，就可以节省资金。FRP加固通常可以在短时间内完成，而不会关闭交通，粘结剂的硬化需要很短的时间。
• 预应力的可能性：在过去几年中，市场上已经推出了可以与粘接相结合进行预应力的产品。这样可以提高强化产品的利用率，同时减少现有裂纹，并增加现有钢筋的屈服载荷。也可以使用预应力来增加混凝土结构的抗剪能力。
• 设计：在最需要的方向上优化FRP材料的可能性对设计来说是一个好处。此外，与许多其他强化技术相比，很少有方法像玻璃钢加固那样在测试、设计和应用方面进行如此彻底的研究。因此，顾问可以依赖现有的设计指南。
• 成本：与传统方法相比，复合材料加固工作的成本通常较低，尽管材料成本较高。

此外，也有一些潜在的缺点，例如：

• 机械损坏：由于玻璃钢材料本身很脆，它们可能会因故意破坏或其他类型的冲击而损坏。如果可以预料到这一点，他们应该受到保护。幸运的是，如果发生损坏，可以很容易地进行维修。
• 长期性能：据说具有环氧树脂基体的碳纤维复合材料具有非常好的长期性能。然而，由于这些材料在建筑行业仅使用了大约10年，因此没有足够的数据来验证这一点。然而，复合材料本身可能不是最受关注的，而是粘合剂层。然而，旧钢板粘接项目的经验表明，许多结构存在并且仍在使用中，这些结构尚未看到粘结层的劣化。如果使用正确类型的材料并仔细进行加固工作，则可以保证30年的使用。
• 工作环境：由于环氧树脂用于将片材或层压板粘合到结构上，因此工作环境是一个非常重要的问题。如果不按照规定的方式处理这些材料，就存在对工人造成伤害的风险。然而，如果处理得当，受伤的风险非常低。
• 温度和湿度相关：热固性胶粘剂的硬化过程与湿度和温度相关。因此，在某些环境中，可能需要向结构添加额外的热量。
• 缺乏经验：缺乏经验当然是一个很大的劣势。但是，这可以通过教育来克服。重要的是，知识必须传达给顾问和客户。
• 保守主义：众所周知，建筑业对新事物的保守主义有时很难克服。如上所述，治疗方法是教育和知识的传播。
• 设计：缺乏经验丰富的建筑顾问来了解复合材料及其使用方式是一个很大的缺点。既然是顾问推荐解决方案，如果他/她不知道某种方法的存在以及如何处理它，他/她当然会建议另一种方法。
• 成本：与传统建筑材料相比，碳纤维板或层压板要贵得多，至少每平方米或每公斤。在某些情况下，这是事实，将使用其他方法。然而，如前所述，需要考虑整个加强项目才能进行公平的比较。

到目前为止，弯曲加固一直是玻璃钢在建筑行业中最常见的加固应用，而且在柱子的剪切和缠绕中也进行了加固。不同的国家可能有不同的加强需求。在日本和美国西部，地震风险已经发展出设计和执行方法来应对这种情况。在其他国家，例如瑞典，主要需求是调整加固区域以应对更大的负载或改变用途。弯曲加固设计是一个简单的过程，其设计与普通混凝土结构的设计非常相似。但是，必须考虑与FRP板或层压板相关的特殊可能的失效模式。此外，结构上现有的应变（应力）场可能具有相当重要的意义。至少在理论上，设计剪切和扭转的强化比设计弯曲的强化更复杂。这部分取决于混凝土结构的剪切设计更复杂，部分取决于使用各向异性材料进行加固的事实。这意味着纤维的方向对强化结果有直接影响。设计轴向载荷的柱子也很常见，这里FRP包裹的约束压力增强了承载能力。与疲劳相关的加固设计与传统的混凝土设计更相关，因为碳纤维复合材料具有非常好的疲劳性能。