HFRP复合材料及其加固混凝土结构性能
混凝土结构己成为当今土木工程中主要的结构形式，但是由于材料老化、环境腐蚀、工作荷载改变、自然灾害以及施工质量等问题，大批结构需要修复和加固。据统计我国已有的桥梁中危桥约占34.5％，大部分桥梁存在不同程度的损伤。FRP复合材料以其轻质、高强、耐腐蚀、抗疲劳、施工方便等优异性能奠定了它在现代土木工程中的巨大优势，其应用已引起了土木工程界的极大兴趣。
由于单一FRP变形能力不足，所加固结构的延性差制约了FRP的广泛应用。混杂技术是解决以上问题的有效途径。不同性能的FRP混杂，能够充分发挥不同纤维的优势，扬长避短，优化FRP的综合力学性能。本文介绍了国内外关于HFRP复合材料及其加固混凝土结构的新研究进展，并对它的应用前景做出展望。
2 HFRP材料性能
从理论上分析，高弹模（大于钢）纤维能够提高结构的刚度、开裂和屈服荷载；高弹模、高强度的纤维能够取得应变强化行为，从而抑制变形；高延性纤维能够增强延性。已有研究表明：CFRP（Carbon FRP）能够增大结构的刚度，在CFRP中混杂适当比例的AFRP（Aramid FRP）或GFRP（Glass FRP）能够提高结构的延性。HFRP复合材料理想的应力- 应变曲线如图1（图略）所示。而实际上，在混杂纤维逐步断裂的过程中，不平稳的应力转移使周围纤维产生应力集中而受到损伤，从而导致HFRP过早破坏或承载力急剧下降。因此，我们需要寻求混杂纤维的合理匹配或采取措施去控制承载力的降低，从而获得理想的材料性能。
2.1 单轴拉伸力学性能
Wu Z.S研究了纤维布层间混杂特性，测试了高弹模（C7）、高强度（C1）碳纤维布和高延性纤维布（Dy）的HFRP布的单轴拉伸行为[1-2]，试验结果见图2（图略）。结果表明随着C1布比例的增加，HFRP布的延性提高、承载力降低幅度减小。图2（a-b）分别为相同纤维布密度（200g/m2）的一层C1和一层C7混杂碳纤维布C1/C7、两层C1和一层C7布的混杂布2C1/C7的单轴拉伸荷载-应变曲线。由图可知：随着C1布混杂比例的增加，高弹模、低极限应变的C7碳纤维布破坏过程变得缓慢，C7布应力转移到C1布就更平稳，荷载-应变曲线有应变强化和多峰特点。图2（c）证明：混杂高延性的Dy纤维布能够获取良好的延性，由于Dy纤维具有良好的变形和能量吸收能力。
对于FRP筋，Frank P.H提出采用编织技术设计延性混杂FRP（DHFRP）筋的新理念[3]，试验研究了DHFRP筋的单轴拉伸、与混凝土界面粘结性能。拉伸结果表明：DHFRP筋具有明显的屈服点、弹塑性阶段、应变强化阶段。与混凝土界面粘结性能试验：将直径10mm的DHFRP筋埋入直径为152.4mm的混凝土圆柱体，埋置长度分别为63.5mm、127mm、190.5mm和254mm。对筋进行拉拔试验表明：所有的纤维埋置长度，均发生纤维筋断裂破坏，未发生纤维筋拔出现象。表明DHFRP滑移机理完全依赖于纤维筋的破坏机理。
2.2 徐变形为
Vitauts T等研究了CFRP/AFRP、CFRP/GFRP混杂纤维筋的徐变行为[4-5]，各纤维的混杂比例为：CFRP与AFRP的体积掺率分别为24％、76％；CFRP与GFRP的体积掺率分别为19％、81％。
徐变测试方案为：1、CFRP筋初始拉应变为ε=0.69％，为极限应变的57％。2、AFRP筋初始应变为ε=1.38％，为极限应变的42％。3、GFRP筋初始应变为ε=0.78％，为极限应变的30％。4、CFRP/AFRP混杂筋初始应变为ε=0.86％，为极限应变（3.29％）的26％。5、CFRP/GFRP混杂筋初始应变为ε=0.68％，为极限应变（2.64％）的26％。6、编织空心AFRP筋的长期荷载为其极限荷载的41％。
试验结果表明：1、CFRP筋在荷载持续17700h后无徐变。2、AFRP筋在荷载持续16800h后应变由初始的1.38％增加到2.326％，增加了78％。3、GFRP筋在荷载持续16600h后应变由初始的0.78％增加到0.83％，增加量为6.4％。4、CFRP/AFRP混杂筋在12000h后应变由初始的0.86％增加至1.46％（超过了碳纤维的极限应变1.21％），增加量为69％。由于AFRP的徐变大，致使应力转移至CFRP上，导致碳纤维发生破坏。5、CFRP/GFRP混杂筋在17500h后应变由初始的0.68％增加到0.72％，增加量为5.8％。6、编织的空心AFRP筋在1100h后徐变为初始应变的54％。
假定HFRP中各单一纤维徐变相等，HFRP筋的徐变通过下式计算：
式中：σH 为HFRP筋的平均应力，EA(t)、EC 、EM(t)、ρA、ρC分别为芳纶、碳纤维和粘结剂的弹性模量和体积掺率，Eo为芳纶纤维的初始弹性模量，Aj、τi 为参数，n为近似描述徐变曲线所需参数数量。
3 HFRP加固混凝土结构性能
3.1 HFRP加固梁
Wu Z.S测量了HFRP布对简支梁的加固效果[1]。由图2（d）可知：含有一层C7布的HFRP布能够显著提高简支梁的刚度、屈服与极限荷载和延性，特别是C1/C7/Dy加固梁承载力下降缓慢，具有多峰的特点。尽管三层C1布（3C1）加固梁的承载力与2C1/C7或C1/C7/Dy加固梁的相近甚至更高，但是3C1加固梁的屈服荷载低于2C1/C7或C1/C7/Dy加固梁。这表明高弹模的C7布对梁屈服荷载的提高效果优于C1布，同时，C7布的逐步断裂过程能使应力平稳转移，避免了周围纤维产生高度应力集中。
Frank P.H比较研究了DHFRP筋、钢筋加固混凝土梁的抗弯性能[6]，DHFRP筋能够显著增大梁的初始刚度，具有与钢筋混凝土梁相似的开裂、裂缝发展行为和变形、能量吸收能力。
熊光晶等试验研究了高强玻璃纤维/碳纤维HFRP布加固混凝土梁的抗弯性能[7-8]，将极限挠度与屈服挠度比值定义为挠度延性，将梁破坏时所吸收能量与屈服时所吸收的能量之比定义为能量延性。试验结果表明：在极限承载力提高幅度相近前提下，HFRP布加固梁的挠度延性、能量延性分别比单一CFRP布加固梁提高89.5％和57.9％，加固价格降低38.2％，刚度仅降低10％；HFRP布加固梁的挠度延性、能量延性仅比基准混凝土梁降低13.7％和21.4％。
为了防止混凝土与FRP剥离破坏，采用U型CFRP片材粘贴梁侧的加固方法不仅增加了加固成本，且加固梁的变形能力差、延性低的问题未解决。熊光晶等提出了由单向一型CFRP布和双向L型GFRP布加固混凝土梁的混杂加固方法[9]，如图3（图略）所示。试验表明：该方法有效地阻止剥离破坏，大幅度提高了加固梁的变形能力和延性，并降低成本。
3.2 HFRP加固柱
姜浩等试验研究了GFRP布、CFRP布和CFRP/GFRP混杂布加固150mm×150mm×450 mm短柱的抗压性能[10]。结果表明： HFRP布加固短柱的极限荷载相比基准柱提高了14％；HFRP布加固后短柱的塑性明显提高，荷载-应变曲线如图4（图略）所示。
李杰等试验研究了FRP管混凝土长柱（高900mm）、短柱（高220、264mm）的轴压和偏压性能[11]，试件设计为： FRP管采用缠绕法制成，管内径D=88mm。类型Ⅰ铺设四层玻璃纤维和一层碳纤维，铺层角度为90／±45／0／90，其中0度的铺层为碳纤维，沿试件纵向。类型Ⅱ铺层设四层玻璃纤维，铺层角度为90／±45／90。试验结果表明：（l）GFRP和GFRP／CFRP混杂管混凝土组合结构能有效地提高构件的承载力，且构件具有很大的变性能力，如图5（图略）所示。（2）±45°铺层设计可以大大提高构件斜截面承载力。（3）弯矩-曲率曲线为二折线，刚度由混凝土截面控制，第二刚度由FRP管刚度控制，如图6（图略）所示。图中BC、C分别代表柱、短柱；CG、G分别表示碳纤维/玻璃纤维混杂布、单一玻璃纤维布加固；个数值代表钢筋直径；第二个数值代表偏心距。C-CG-4-A为FRP壳体不直接受力而仅起约束作用，C-CG-4-A、C-G-2.1-B为FRP壳体直接受力。
3.3 HFRP加固梁柱节点
Li J.C试验研究了CFRP/GFRP混杂布加固梁柱节点的力学性能[12]，测试了三个试件，其中两个未加固，记为C1、C2；HFRP布加固试件记为C3，HFRP布的粘贴部位如图7所示。施加荷载分为两类：服役水平荷载和极限荷载。在加载至极限荷载前，以服役水平荷载30kN对每个试件进行几次检验测试，但试件C2只做一次，然后，试件C2、C3以服役水平荷载30kN循环加载100次。
试验结果表明：在服役水平荷载作用下，HFRP加固试件刚度提高45％；在循环荷载作用后，HFRP加固试件极限承载力提高30％；在服役水平荷载作用下，HFRP加固梁或柱的变形显著减小，大幅度达50％。
3.1 HFRP加固梁
Wu Z.S测量了HFRP布对简支梁的加固效果[1]。由图2（d）可知：含有一层C7布的HFRP布能够显著提高简支梁的刚度、屈服与极限荷载和延性，特别是C1/C7/Dy加固梁承载力下降缓慢，具有多峰的特点。尽管三层C1布（3C1）加固梁的承载力与2C1/C7或C1/C7/Dy加固梁的相近甚至更高，但是3C1加固梁的屈服荷载低于2C1/C7或C1/C7/Dy加固梁。这表明高弹模的C7布对梁屈服荷载的提高效果优于C1布，同时，C7布的逐步断裂过程能使应力平稳转移，避免了周围纤维产生高度应力集中。
Frank P.H比较研究了DHFRP筋、钢筋加固混凝土梁的抗弯性能[6]，DHFRP筋能够显著增大梁的初始刚度，具有与钢筋混凝土梁相似的开裂、裂缝发展行为和变形、能量吸收能力。
熊光晶等试验研究了高强玻璃纤维/碳纤维HFRP布加固混凝土梁的抗弯性能[7-8]，将极限挠度与屈服挠度比值定义为挠度延性，将梁破坏时所吸收能量与屈服时所吸收的能量之比定义为能量延性。试验结果表明：在极限承载力提高幅度相近前提下，HFRP布加固梁的挠度延性、能量延性分别比单一CFRP布加固梁提高89.5％和57.9％，加固价格降低38.2％，刚度仅降低10％；HFRP布加固梁的挠度延性、能量延性仅比基准混凝土梁降低13.7％和21.4％。
为了防止混凝土与FRP剥离破坏，采用U型CFRP片材粘贴梁侧的加固方法不仅增加了加固成本，且加固梁的变形能力差、延性低的问题未解决。熊光晶等提出了由单向一型CFRP布和双向L型GFRP布加固混凝土梁的混杂加固方法[9]，如图3（图略）所示。试验表明：该方法有效地阻止剥离破坏，大幅度提高了加固梁的变形能力和延性，并降低成本。
3.2 HFRP加固柱
姜浩等试验研究了GFRP布、CFRP布和CFRP/GFRP混杂布加固150mm×150mm×450 mm短柱的抗压性能[10]。结果表明： HFRP布加固短柱的极限荷载相比基准柱提高了14％；HFRP布加固后短柱的塑性明显提高，荷载-应变曲线如图4（图略）所示。
李杰等试验研究了FRP管混凝土长柱（高900mm）、短柱（高220、264mm）的轴压和偏压性能[11]，试件设计为： FRP管采用缠绕法制成，管内径D=88mm。类型Ⅰ铺设四层玻璃纤维和一层碳纤维，铺层角度为90／±45／0／90，其中0度的铺层为碳纤维，沿试件纵向。类型Ⅱ铺层设四层玻璃纤维，铺层角度为90／±45／90。试验结果表明：（l）GFRP和GFRP／CFRP混杂管混凝土组合结构能有效地提高构件的承载力，且构件具有很大的变性能力，如图5（图略）所示。（2）±45°铺层设计可以大大提高构件斜截面承载力。（3）弯矩-曲率曲线为二折线，刚度由混凝土截面控制，第二刚度由FRP管刚度控制，如图6（图略）所示。图中BC、C分别代表柱、短柱；CG、G分别表示碳纤维/玻璃纤维混杂布、单一玻璃纤维布加固；个数值代表钢筋直径；第二个数值代表偏心距。C-CG-4-A为FRP壳体不直接受力而仅起约束作用，C-CG-4-A、C-G-2.1-B为FRP壳体直接受力。
3.3 HFRP加固梁柱节点
Li J.C试验研究了CFRP/GFRP混杂布加固梁柱节点的力学性能[12]，测试了三个试件，其中两个未加固，记为C1、C2；HFRP布加固试件记为C3，HFRP布的粘贴部位如图7所示。施加荷载分为两类：服役水平荷载和极限荷载。在加载至极限荷载前，以服役水平荷载30kN对每个试件进行几次检验测试，但试件C2只做一次，然后，试件C2、C3以服役水平荷载30kN循环加载100次。
试验结果表明：在服役水平荷载作用下，HFRP加固试件刚度提高45％；在循环荷载作用后，HFRP加固试件极限承载力提高30％；在服役水平荷载作用下，HFRP加固梁或柱的变形显著减小，大幅度达50％。
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3.4 HFRP-混凝土新型组合结构
廖原等提出了一种由GFRP布缠绕混凝土和粘贴预应力CFRP布的预应力组合梁[13]。对于普通的钢筋混凝土梁，其抗剪承载力大部分是由箍筋提供，作者的设想是在混凝土上缠绕GFRP布，相当于均匀布置的箍筋，在梁底粘贴CFRP布以抵抗弯曲产生的拉应力。为充分发挥CFRP布的强度和减小梁的挠度，在粘贴CFRP布时进行张拉，施加预应力，形成预应力组合梁。截面示意图如图8（图略）所示。
Nordin H提出了HFRP复合材料梁[14]，即Ι型GFRP梁，梁下翼抗拉区有一层3mm厚CFRP，梁上翼抗压区有一层115mm厚混凝土。这充分利用了CFRP高抗拉强度、GFRP的低价格和混凝土的高抗压强度。试验研究了三种3m长HFRP复合材料梁的抗弯性能，图9（图略）为梁截面示意图。梁B上翼GFRP与混凝土采用钢拴锚接，而梁C采用胶粘接。测试采用四点弯曲梁试验，净跨为2.7m。
试验结果为：梁A、B、C的极限荷载分别为133kN、275kN、292kN，荷载-挠度曲线如图10（图略）所示。HFRP复合材料梁的测试弯曲刚度EItest采用下式估计：
3.4 HFRP-混凝土新型组合结构
廖原等提出了一种由GFRP布缠绕混凝土和粘贴预应力CFRP布的预应力组合梁[13]。对于普通的钢筋混凝土梁，其抗剪承载力大部分是由箍筋提供，作者的设想是在混凝土上缠绕GFRP布，相当于均匀布置的箍筋，在梁底粘贴CFRP布以抵抗弯曲产生的拉应力。为充分发挥CFRP布的强度和减小梁的挠度，在粘贴CFRP布时进行张拉，施加预应力，形成预应力组合梁。截面示意图如图8（图略）所示。
Nordin H提出了HFRP复合材料梁[14]，即Ι型GFRP梁，梁下翼抗拉区有一层3mm厚CFRP，梁上翼抗压区有一层115mm厚混凝土。这充分利用了CFRP高抗拉强度、GFRP的低价格和混凝土的高抗压强度。试验研究了三种3m长HFRP复合材料梁的抗弯性能，图9（图略）为梁截面示意图。梁B上翼GFRP与混凝土采用钢拴锚接，而梁C采用胶粘接。测试采用四点弯曲梁试验，净跨为2.7m。
试验结果为：梁A、B、C的极限荷载分别为133kN、275kN、292kN，荷载-挠度曲线如图10（图略）所示。HFRP复合材料梁的测试弯曲刚度EItest采用下式估计：
式中：P为总荷载，L为净跨，α为支座与加载点距离，δtest为梁跨中挠度。预测结果列于表2（表略）。
4 理论模型
Wu Z.S基于HFRP布的单轴拉伸试验[2]，提出了一个预测HFRP逐步断裂时应力转移的宏观力学模型，将该模型引入有限元程序中，再预测HFRP复合材料单轴拉伸及其加固混凝土结构的力学性能。它们考虑的四个方面为：1、混凝土裂缝发展；2、钢筋与混凝土的粘结-滑移；3、FRP布与混凝土的界面粘结；4、HFRP布逐步断裂过程。
4.1 混凝土
采用线性拉伸软化和线性理想弹塑性曲线分别去估计混凝土的拉伸和压缩行为。
4.2 钢筋
假定钢筋为线性理想弹塑性材料，钢筋与混凝土的粘结-滑移行为显示于图11（a）。（图略）
4.3 FRP-混凝土界面粘结行为
通常情况下，相比FRP布，粘结剂对结构抗拉承载能力的贡献很小，所以在本模型中被忽略，然而，FRP与混凝土的界面粘结对加固效果是非常重要的。粘结剂的主要功能是在混凝土与FRP之间传递应力。考虑到FRP主要承受拉应力，而粘结剂主要承受剪应力，脱粘发展与混凝土Ⅱ型破坏模型相似，所以采用一个线性软化曲线去模拟FRP布与混凝土的界面粘结行为，如图11（b）所示（图略）。
4.4 FRP布
与钢筋不同，FRP布是各向异性，它不能承受抗压和弯曲荷载，只能承受轴向拉伸荷载。单一FRP布一般认为线弹性直至断裂，然而，HFRP布承受荷载时，HFRP布的逐步断裂将导致HFRP布产生不同的力学性能。
由于高弹模纤维断裂时不平稳的应力传递可能导致周围未受损纤维的断裂，所以估计高弹模纤维逐步断裂时的应力传递非常重要。如图12（a）所示（图略），用一条理想曲线估计高弹模碳纤维布C7逐步断裂时C7布向C1布的应力转移。考虑用C1布以获得高强度的效果，所以假定C1布呈线性破坏，如图12（b）所示（图略）。
理论计算值与试验值吻合良好，通过理论计算可预测： HFRP布逐步断裂过程越平缓，混杂效果越好；提高混凝土强度和能量吸收能力，HFRP加固效果越显著。
5 结论与展望
5.1 结论
（1）HFRP复合材料能够在保证承载力的前提下，显著提高延性和降低成本;
（2）CFRP、GFRP的徐变可以忽略，它们可以考虑为纯弹性材料；AFRP徐变较大;当CFRP/AFRP混杂时，由于AFRP的较大徐变，可能导致CFRP应力过大而发生破坏;
（3）HFRP复合材料能够显著提高混凝土梁、柱、梁柱节点的承载力和延性;
（4）研究HFRP假延性材料加固混凝土结构的延性评价方法和结构设计理论。
5.2 展望
欲获得高性能HFRP材料并用于工程实践，拟开展以下研究：
（1）应该研发性能稳定的特别是能适应土木工程结构要求的多种纤维混杂的高性能HFRP复合材料，研究混杂方式、比例等对HFRP性能之影响;
（2）进一步研究HFRP长期力学性能及其加固设计理论和设计方法，建立HFRP复合材料的统一计算模型;
（3）加强对HFRP加固新方法及其与设计和工程施工有关的构造措施及施工制作技术的研究。
Wu Z.S基于HFRP布的单轴拉伸试验[2]，提出了一个预测HFRP逐步断裂时应力转移的宏观力学模型，将该模型引入有限元程序中，再预测HFRP复合材料单轴拉伸及其加固混凝土结构的力学性能。它们考虑的四个方面为：1、混凝土裂缝发展；2、钢筋与混凝土的粘结-滑移；3、FRP布与混凝土的界面粘结；4、HFRP布逐步断裂过程。
4.1 混凝土
采用线性拉伸软化和线性理想弹塑性曲线分别去估计混凝土的拉伸和压缩行为。
4.2 钢筋
假定钢筋为线性理想弹塑性材料，钢筋与混凝土的粘结-滑移行为显示于图11（a）。（图略）
4.3 FRP-混凝土界面粘结行为
通常情况下，相比FRP布，粘结剂对结构抗拉承载能力的贡献很小，所以在本模型中被忽略，然而，FRP与混凝土的界面粘结对加固效果是非常重要的。粘结剂的主要功能是在混凝土与FRP之间传递应力。考虑到FRP主要承受拉应力，而粘结剂主要承受剪应力，脱粘发展与混凝土Ⅱ型破坏模型相似，所以采用一个线性软化曲线去模拟FRP布与混凝土的界面粘结行为，如图11（b）所示（图略）。
4.4 FRP布
与钢筋不同，FRP布是各向异性，它不能承受抗压和弯曲荷载，只能承受轴向拉伸荷载。单一FRP布一般认为线弹性直至断裂，然而，HFRP布承受荷载时，HFRP布的逐步断裂将导致HFRP布产生不同的力学性能。
由于高弹模纤维断裂时不平稳的应力传递可能导致周围未受损纤维的断裂，所以估计高弹模纤维逐步断裂时的应力传递非常重要。如图12（a）所示（图略），用一条理想曲线估计高弹模碳纤维布C7逐步断裂时C7布向C1布的应力转移。考虑用C1布以获得高强度的效果，所以假定C1布呈线性破坏，如图12（b）所示（图略）。
理论计算值与试验值吻合良好，通过理论计算可预测： HFRP布逐步断裂过程越平缓，混杂效果越好；提高混凝土强度和能量吸收能力，HFRP加固效果越显著。
5 结论与展望
5.1 结论
（1）HFRP复合材料能够在保证承载力的前提下，显著提高延性和降低成本;
（2）CFRP、GFRP的徐变可以忽略，它们可以考虑为纯弹性材料；AFRP徐变较大;当CFRP/AFRP混杂时，由于AFRP的较大徐变，可能导致CFRP应力过大而发生破坏;
（3）HFRP复合材料能够显著提高混凝土梁、柱、梁柱节点的承载力和延性;
（4）研究HFRP假延性材料加固混凝土结构的延性评价方法和结构设计理论。
5.2 展望
欲获得高性能HFRP材料并用于工程实践，拟开展以下研究：
（1）应该研发性能稳定的特别是能适应土木工程结构要求的多种纤维混杂的高性能HFRP复合材料，研究混杂方式、比例等对HFRP性能之影响;
（2）进一步研究HFRP长期力学性能及其加固设计理论和设计方法，建立HFRP复合材料的统一计算模型;
（3）加强对HFRP加固新方法及其与设计和工程施工有关的构造措施及施工制作技术的研究。
参考文献
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[2] H.Niu, Z.Wu. Numerical simulations on strengthened structures with hybrid fiber sheets [A]. FRPRCS-6[C], singapore, 2003.
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[3] Frank P Hampton, Hoa Lam, et. Design methodology of a ductile hybrid FRP for concrete structures by the braidtrusion process[A]. 46th international SAMPE symposium [C], 2001.
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[10] 姜浩，熊光晶。碳纤维/玻璃纤维复合加固混凝土柱的抗压性能研究[J]。汕头大学学报，2001，16（1）：13-16.
HFRP COMPOSITE MATERIAL AND PROPERTIES OF ITS STRENGTHENED CONCRETE STRUCTURES
DENG Zong-cai, LI Jian-hui, DU Xiu-li
(School of Civil Engineering, Beijing University of technology, Beijing 100022, China)
Abstract: FRP (Fiber Reinforced Polymer/Plastic) is a good application prospect new material in modern civil engineering, and HFRP (Hybrid FRP) is the guiding direction of development in FRP composite materials. Based on the summary of relevant studies at home and abroad. This paper presents the newest results of HFRP composite material and properties of its strengthened concrete structures, academic model is analyzed. In addition, the author briefly looks forward to its development prospects and tendency.
Key words: FRP; HFRP; composite material; concrete; application and prospect
