摘要：FRP表面嵌入法(Near Surface Mounted簡稱NSM)是近幾年以來結構加固的重要技術進展。研究簡要介紹了國內外FRP-NSM加固混凝土梁抗彎性能和抗剪性能的研究成果,概述了FRP-NSM加固的發展。通過介紹NSM-FRP加固混凝土梁的研究發展和現狀，對現有研究的不足進行綜合比較和分析，并對發展的前景和遇到的問題進行了探討。

　　關鍵詞:FRP,表面嵌入法(NSM),混凝土梁抗彎性能,抗剪性能

　　1 FRP-NSM加固的基本概念和特點

　　FRP表面內嵌加固修復方法是將纖維增強塑料(FRP)筋或板條放入結構表面預先開好的槽中，并向槽中注入粘結材料(樹脂、水泥砂漿或混凝土等)使之形成整體，來改善結構性能(抗彎、抗剪性能、抗震性能)的方法，簡稱NSM—FRP,如

　　1-1 NSM—FRP加固示意圖

　　圖1-1所示。同工程中常用的加固方法相比優勢很明顯[1]，比起表面外貼法(Externally Bonded Reinforcements簡稱EBR)具備很多優點[2]，特別是FRP與混凝土的粘結表面積增大，提高了FRP的利用率;可避免FRP受到磨損、撞擊， 適用于橋面板和連續梁負彎矩區域的加固;可用于惡劣環境下(高濕、高溫和凍融)工程加固等。所以NSM —FRP加固法有著廣闊的研究和工程應用前景。

　　2.NSM—FRP加固技術應用及研究現狀

　　2.1技術運用

　　早在20世紀40年代末瑞典的Asplund[3,4]用此項技術加固瑞典一座橋梁，由于當時受到加固材料和粘結材料的限制，效果不好。隨著新材料的不斷出現，各種新加固方法出現，特別是NSM—FRP加固技術，這種加固在國外工程中的應用也越來越多，以下是國外的幾個實例：1997年至1998年技術人員用NSM—CFRP加固技術對美國的Oklahoma市的一所建筑物進行了加固[5];1998年技術人員用NSM—CFRP加固技術(CFRP砂磨)方法加固了美國波士頓市的6個混凝土圓形結構物[3];同年技術人員用NSM—CFRP(CFRP砂磨)加固技術對美國正在使用中的J.857橋梁進行加固[6];1999年秋天技術人員用NSM—CFRP(CFRP板帶)加固技術加固了瑞典一座橋梁的橋板[7];1999年用NSM方法加固了一個5層框架的砌體墻[8];Gentile和Rizkalla[9]對加拿大的一座使用了39年的木橋梁進行加固;Andrea Prota[10]等人用NSM—CFRP對混凝土倉筒結構進行加固。目前關于嵌入法加固研究的資料非常有限，且尚未有相關規范和設計準則頒布，現有的試驗研究主要集中在界面粘結性能試驗和混凝土構件抗彎加固試驗兩大部分。

　　2.2研究成果其現狀

　　3 破壞模式

　　NSM—FRP加固梁的破壞模式理論上分為三種：彎曲破壞、粘結破壞和剪切破壞。

　　3.1彎曲破壞

　　彎曲破壞，加固梁受壓區混凝土被壓碎和FRP被拉斷。

　　3.2粘結破壞

　　粘結破壞，粘結劑與混凝土界面滑移破壞、粘結劑劈裂破壞和混凝土開裂引起的剝離破壞、FRP與粘結劑界面滑移破壞。從已有的試驗結果來看，嵌貼法加固鋼筋混凝土梁的主要破壞方式為粘結失效，目前剝離強度模型可歸為三大類：基于抗剪承載力的模型、混凝土齒狀模型、界面應力模型。對于嵌入式加固的粘結失效強度模型的研究還較少，所提出的模型一般都是在原有外貼片材模型上的改進的。Hassan和Rizkalla結合混凝土破壞準則，提出了界面應力的計算方法[4]，浙江大學的劉義根據自己的試驗對公式進行了詳細的推導[2]，界面剪應力計算公式：

　　注：P為梁上作用集中荷載;為梁未嵌貼FRP段的長度;為FRP筋形心到梁截面中和軸的距離;是考慮了混凝土開裂影響的截面有效慣性矩; 為膠層與FRP筋之間的有效粘結系數0.5< <1;FRP的直徑。

　　Hassan和Rizkalla指出由于膠層-FRP界面的粘結力要高于混凝土-膠層界面，而且膠層的剪切強度往往高于混凝土，因此構件的剝離破壞由混凝土的剪切強度所控制。當界面剪應力隨外荷載的增長而增加到混凝土的剪切強度時，將會在混凝土-膠層界面發生剝離破壞。不過，對于其他更為復雜的(FRP一膠層界面破壞，FRP被拔出;粘結材料層發生劈裂破壞;槽附近混凝土開裂)破壞模式下的極限荷載的獲取，顯然此方法需要進一步的改進。

　　3.3剪切破壞

　　剪切破壞，加固后梁的抗彎承載力大于梁加固前的抗剪承載力時，可能會發生斜截面剪切破壞。由于剪切破壞是脆性破壞，相對于彎曲破壞更加突然，De Lorenzis和Nanni在抗剪增強試驗中，通過對FRP筋的布置角度、錨固長度、配箍率、間距和等影響參數的組合，在破壞模式的基礎上，提出FRP筋對抗剪承載力的計算方法，并且與試驗結果進行比較，取得較好的吻合。

　　根據美國《外貼FRP增強混凝土結構設計和施工指導》(ACI-440) 和我國《碳纖維片材加固混凝土結構技術規程》(CECS-146)的有關規定，FRP增強混凝土構件抗剪承載力計算按原混凝土構件抗剪承載力和FRP材料承擔剪力之和進行考慮，不考慮FRP材料對原構件抗剪承載力的相關影響。計算表達式如下：

　　(2)

　　為加固后混凝土構件抗剪承載力; 為FRP材料承擔的剪力; 為受剪鋼筋承擔的剪力; 為原構件混凝土抗剪承載力，包括受壓混凝土對抗剪的貢獻。

　　汪昕根據試驗結果，在破壞形態和斜裂縫分布的基礎上提出以下FRP筋抗剪承載力貢獻計算方法。

　　(3)

　　：FRP筋的抗剪承載力貢獻; FRP筋的粘結面長度; 為FRP筋與膠體的平均粘結強度; 為與裂縫相交的FRP筋的貢獻長度之和，不過，該公式安全度較低，應用于設計時應當考慮強度折減。

　　表面內嵌FRP加固方法研究的現階段，對于FRP、粘結劑和混凝土三種介質之間的粘結機理還是不明確，特別是處于彎曲應力下的三種介質之間的粘結機理，Teng JG eta1.通過試驗沒有發現抗彎試驗和直接拉拔試驗的結果有簡單或直接的聯系。在抗彎加固試驗中很難避免粘結破壞現象的出現，大部分試驗在研究加固梁的抗彎性能時，都采用較大的粘結長度，接近計算跨徑這個長度，有很多都伸過支座，但還是出現了粘結破壞。試驗中發生的粘結破壞有FRP與粘結劑界面滑移破壞、粘結劑與混凝土界面滑移破壞和槽附近混凝土剝離破壞。

　　汪昕以De Lorenzis和A.Nanni的分析模型為對象，介紹混凝土齒狀模型用于分析嵌入式抗彎承載力在試驗破壞形態的基礎上，對Parretti公式進行簡化，得到適合混凝土壓碎FRP筋錨固良好的破壞模式的計算方法。

　　粘結機理方面，De Lorenzis等較為全面的研究了FRP筋的粘結性能，涵蓋了較多種類的FRP筋、不同粘結材料及槽表面特征。試驗還驗證了FRP剝離破壞時梁的承載能力與粘結界面光滑程度、開槽尺寸、錨固長度、粘結劑種類和保護層厚度等有關。

　　4 影響因素

　　4.1 FRP

　　FRP類型按材料類型主要分為CFRP、GFRP和AFRP，其中AFRP使用較少;混凝土結構的加固多采用CFRP，砌體結構和木結構的加固，多以GFRP為主;FRP按截面形狀可分為圓形FRP筋、方形FRP筋和FRP板條;FRP筋材因表面形狀不同，可分為光圓筋(表面噴砂處理)和變形筋兩大類，其中變形筋包括表面帶肋、表面螺旋纏繞FRP條帶等形式。實驗表明采用FRP板條的加固梁其抗彎承載力均大于采用FRP筋的梁，且加固效果更好。

　　4.2粘結性能

　　我國的吳以莉 、姚諫、朱曉旭等也進行了相關的研究[18]試驗結果表明環氧樹脂及改性水泥砂漿都具有良好的粘結性能，但其耐久性能和抗腐蝕還有待驗證，普通水泥砂漿的粘結承載力低，不能發揮CFRP板的高強性能，因此工程中不宜采用。Blaschko[16]在研究CFRP板條嵌貼入混凝土梁的粘結機理的試驗中首次考慮了變量a，即FRP板條距混凝土試塊邊緣的距離，FRP板條距混凝土試塊邊緣的距離，在設計構造中是非常有意義的參數。

　　4.3 錨固長度

　　錨固長度與粘結強度有相互的關系，若錨固長度小于一定的錨固長度時，加固梁發生粘結破壞的可能性就較大，然而錨固長度大于或等于一定的錨固長度時，錨固長度的增大不會明顯地影響加固梁的抗彎承載力。我們稱這一錨固長度為基本錨固長度。E1一Hacha和Rizakalla通過試驗得出錨固長度為850～1200ram的加固梁，其破壞模式為CFRP板條被拉斷，當錨固長度超過850mm，加固梁的抗彎承載力相差不大。

　　總之，對于采用NSM—FRP加固技術加固混凝土的影響因素很多：加固形式、FRP筋的的配筋率、原加固結構的配筋率、開槽的施工工藝等對加固技術都有一定的影響。

　　5 結束語

　　NSM—FRP加固技術有其獨特的優點，在應用于混凝土結構加固工程中，展現出很大發展空間，然而還存在一些問題有待研究，例如FPR、粘結材料和混凝土之間的受力機理還不是很清楚，一些參數比較模糊;在采用NSM—FRP加固時，沒有充分的利用FRP的高強抗拉的性能，是否可以采用施工簡單的預應力技術，有待以后的研究;現在的粘結劑普遍比較貴，有必要開發經濟實用的粘結材料。

　　參考資料

　　[1] 吳浩淼，李杰.表面內嵌FRP加固混凝土梁抗彎性能研究現狀[J].建筑與預算雙月刊2009，181(5)：65-67.

　　[2] 劉義.FRP筋材嵌入法加固鋼筋混凝土梁的試驗研究[D].杭州：浙江大學，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]馮鵬，葉列平，FRP結構和FKP組合結構在結構工程中的應用與發展.見：第二屆全國土木工程用FRP應用技術學術交流會論文集[C].北京：清華大學出版社，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.嵌入式碳纖維板條增強混凝土梁受彎與受剪承載力研究[D].南京：東南大學，2006.

　　[13] 吳以莉，姚諫，朱曉旭.內嵌CFRP固混凝土梁粘結性能試驗分析[J].建筑技術，2010，41(5)：454-456.

　　本文選自《資源導刊》。  《資源導刊》以黨中央、國務院關于國土資源工作的方針、政策為指針，面向全國省國土資源系統、科研院所、礦山企業、房地產開發公司和關心國土資源事業的廣大社會公眾，是廣大讀者了解國土資源有關法律法規、信息動態、工作經驗、科研成果、學術理論、市場走勢、難點熱點及國際動態的傳媒載體。