作者：胡黎俐，冯鹏（北京科技大学城镇化与城市安全研究院；清华大学土木工程系）

出处：工程力学，DOI：10.6052/j.issn.1000-4750.2024.06.0487（网络首发/最新录用）

主题：FRP（纤维增强复合材料）增强/加固金属（钢）结构件的技术进展

原文官方阅读链接：[https://www.engineeringmechanics.cn/article/doi/10.6052/j.issn.1000-4750.2024.06.0487](https://www.engineeringmechanics.cn/article/doi/10.6052/j.issn.1000-4750.2024.06.0487)

摘要：纤维增强复合材料（FRP）增强/加固金属结构是FRP在土木工程领域的重要应用方向，过去三十年发展迅速，近年涌现出较多新技术。文章系统梳理了外贴、套管填充、预应力三类FRP增强/加固形式的新型FRP-金属结构件，围绕受压、受弯、疲劳三种典型工况，分析其力学行为、增强效果、破坏模式、关键影响因素和工程适用性，并评价了相关理论模型、设计方法与应用规范，为FRP加固钢结构的试验研究、理论分析、设计与工程应用及未来方向提供参考。

一、研究背景与研究出发点

研究背景：大量既有钢结构（钢桥、吊车梁、钢柱、檩条、管道等）面临强度不足、稳定承载力下降、疲劳裂纹、腐蚀老化等问题，需要加固改造；传统焊接加固会损伤母材、现场作业量大，且难以在不中断使用的情况下施工。FRP材料（碳纤维CFRP、玻璃纤维GFRP等）轻质、高强、耐腐蚀、不导磁，与钢材组合后既可加固既有钢结构，也可形成新型FRP-钢组合构件，是钢结构改造与高性能化的前沿方向。但FRP-钢界面黏结、防火耐高温、疲劳耐久性、设计方法缺失等问题长期制约工程推广。

研究出发点：过去三十年FRP加固钢结构研究零散分布于外贴、套管、预应力等不同技术路线，缺乏统一梳理。文章希望系统归纳三类新型FRP-金属组合构件的构造形式、受力机理与破坏模式，比较不同方案的增强效率与适用工况，并盘点现有设计方法与规范缺口，为后续研究和工程设计提供清晰路线图。

二、节点分类与构造方案

说明：本文核心是三类FRP增强/加固钢结构的构造技术路线：

1. 外贴FRP：用结构胶将FRP布/板粘贴于钢构件受拉或易疲劳部位。构造简单、施工便捷，适用于钢梁抗弯补强、钢构件疲劳裂纹抑制、钢管局部加固；也发展出FRP-铝合金新型组合构件。

2. FRP套管/填充增强：以FRP管作为外包套管（或管内填充混凝土）包裹钢构件，形成FRP-钢、FRP-混凝土-钢双层组合柱，约束钢材受压屈曲，显著提高构件稳定承载力。

3. 预应力FRP（碳板）增强：在钢柱跨中焊接顶撑、两端锚固CFRP板并张拉，形成张弦式增强体系；用于钢柱可同时减小初始几何缺陷、提供侧向支撑、增大截面；用于钢梁/薄壁檩条时可产生反拱、提高整体刚度，施工无需千斤顶，手动即可张拉，尤其适合光伏屋面改造中轻钢结构檩条的补强。

三、提升方案对比分析

说明：对比三类FRP加固/增强方案的施工难度、增强机理、适用工况与耐久性。

1. 外贴FRP：施工最便捷、对原结构尺寸影响小；主要靠界面传力，增强效率受胶层控制，存在脱黏风险，耐高温差；适合既有梁、板、节点疲劳与抗弯补强。

2. FRP套管/填充：对钢材屈曲约束强，受压构件稳定承载力提升最显著；属于"组合构件"思路，构造偏刚性、自重与截面尺寸增加；适合新建组合柱、桥墩加固。

3. 预应力CFRP板：通过主动施加预拉应力反向抵消外荷载应力，对受弯檩条、长柱稳定的增强效率最高（分析显示稳定增强贡献与截面增强贡献之比可达1.4～2.6），重量增加可忽略；但需专用锚具与顶撑构造，且FRP耐火差，文章专门提出"温度转换点"概念解决火灾/温变下预应力损失问题。

结论：外贴法适合中小规模既有结构的快速补强；套管填充适合新建受压组合柱；预应力碳板法适合受弯薄壁檩条和易失稳长钢柱的高效增强，尤其适配既有建筑光伏改造等轻钢结构升级场景。

四、研究结论与工程应用价值

研究结论：

1. FRP增强/加固钢结构已形成外贴、套管填充、预应力三条成熟技术路线，分别对应抗弯疲劳补强、受压稳定增强、受弯/长柱高效主动增强三类需求；

2. FRP与钢材性能互补（FRP高强线弹性、钢材延性好），合理构造可实现1+1>2的增强效果，破坏模式由界面脱黏、钢材屈曲、FRP拉断等多因素耦合控制；

3. 目前仅套管填充增强钢构件设计方法写入规程，外贴疲劳加固、预应力碳板增强钢柱/檩条的设计方法近期才建立，尚未纳入正式规范；FRP耐火、湿热耐久性、界面长期性能仍是工程化瓶颈。

工程应用价值：

1. 为既有钢桥、吊车梁、工业钢结构的疲劳与抗弯加固提供了选材与构造依据；

2. 预应力碳板增强檩条技术可直接服务于既有厂房屋面光伏改造中的轻钢加固需求；

3. 指出FRP-钢结构规范空白，为后续规程编制、防火设计（温度转换点方法）和长期耐久性研究提供方向，推动钢结构向轻量化、长寿命、低碳化发展。