ＦＲＰ筋的特點(diǎn)及其在土木工程中的應(yīng)用

[摘要] 鋼筋銹蝕一直是影響土木工程結(jié)構(gòu)耐久性的一大不利因素。FRP具有耐腐蝕、抗拉強(qiáng)度高、抗剪強(qiáng)度低、比重小以及彈性模量低等特點(diǎn)，可代替普通鋼筋以克服銹蝕的影響。目前國(guó)內(nèi)外已對(duì)FRP進(jìn)行了較多的材料特性與結(jié)構(gòu)性能研究，并已將FRP成功地應(yīng)用于橋梁、水工建筑物、海港碼頭以及加固工程等。文章主要介紹FRP筋的特點(diǎn)及有關(guān)FRP筋在土木工程中的應(yīng)用情況。

[關(guān)鍵詞] 纖維塑料筋( FRP) 材料特性 應(yīng)用

1 前言

混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)以及鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)， 這些結(jié)構(gòu)都有著各自的優(yōu)勢(shì)， 也在土木工程中得到了廣泛的應(yīng)用，但在工程實(shí)踐中也暴露出一些問(wèn)題， 最突出的問(wèn)題是， 由于鋼筋或鋼材的銹蝕引起結(jié)構(gòu)過(guò)早退化或結(jié)構(gòu)功能不足。在美國(guó)， 已確認(rèn)有40%以上的橋梁屬結(jié)構(gòu)耐久性不足或功能退化。這就要求應(yīng)盡快發(fā)展經(jīng)濟(jì)有效的結(jié)構(gòu)增強(qiáng)方法和新型的高性能結(jié)構(gòu)材料， 以延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)使用壽命， 提高結(jié)構(gòu)性能。

FRP(Fiber Reinforced Polymer)以高強(qiáng)、輕質(zhì)、施工方便、抗腐蝕、耐疲勞等優(yōu)點(diǎn)在土木工程中得到了廣泛的應(yīng)用。FRP筋作為一種新型材料，具有高強(qiáng)輕質(zhì)、耐腐蝕等特點(diǎn)，越來(lái)越廣泛地應(yīng)用到基礎(chǔ)設(shè)施及海洋工程，以解決因鋼筋腐蝕造成混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問(wèn)題。

2 FRP筋的基本特性

2.1 FRP筋的基本力學(xué)性能

FRP筋由高性能纖維和基體材料組成，纖維為增強(qiáng)材料，起加勁作用，基材起粘結(jié)、傳遞剪力的作用。纖維的種類(lèi)主要有玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維和混雜纖維，基材主要有聚酯、環(huán)氧樹(shù)脂、乙烯基酯、聚酯樹(shù)脂、聚酰胺樹(shù)脂等。根據(jù)連續(xù)纖維種類(lèi)的不同，現(xiàn)在常用的FRP筋主要有玻璃纖維增強(qiáng)塑料筋（GFRP筋）、碳纖維增強(qiáng)塑料筋（CFRP筋）、芳綸纖維增強(qiáng)塑料筋（AFRP筋）和混雜纖維增強(qiáng)塑料筋（HFRP筋）。不同類(lèi)型的FRP筋性能有所不同，但是作為新型復(fù)合材料用于土木工程中，它們之間存在較多的共性。其優(yōu)點(diǎn)主要有[1]：

1) 密度小，質(zhì)量輕。FRP筋的密度一般僅為鋼筋的1/ 6～1/4，有利于減輕結(jié)構(gòu)自重，方便施工。FRP 索用作大跨度橋梁的懸索或斜拉索，可以顯著提高橋梁的跨越能力。

2) 順纖維方向抗拉強(qiáng)度高。遠(yuǎn)高于普通鋼筋，與高強(qiáng)鋼絲或鋼絞線相近。

3) 耐銹蝕。FRP筋不會(huì)像鋼筋那樣因銹蝕而破壞，因此適合在腐蝕環(huán)境中工作，結(jié)構(gòu)耐久性好，后期維修成本低。

4) 電磁絕緣性好。FRP筋無(wú)磁感應(yīng)，代替鋼筋使用后可使結(jié)構(gòu)滿足特殊要求。

5) 減振性能好。復(fù)合材料自振頻率高，可避免早期共振；同時(shí)，復(fù)合材料的內(nèi)部阻尼也很大，一旦激起振動(dòng)，衰減也快。

6) AFRP筋和GFRP筋具有低傳熱性和低導(dǎo)電性，可用于對(duì)傳熱和導(dǎo)電有特殊要求的場(chǎng)所。

7) 作為一種復(fù)合材料，F(xiàn)RP筋具有可設(shè)計(jì)性，可以根據(jù)不同的需求加工成性能差異很大的產(chǎn)品。

FRP筋也存在一些不足之處，主要有：

1) 無(wú)塑性。FRP筋的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系始終為線彈性。

2) FRP筋的極限延伸率遠(yuǎn)低于鋼筋。CFRP筋的極限延伸率最小。

3) FRP筋的彈性模量比鋼筋低。雖然FRP筋的彈性模量范圍很寬，但常用CFRP筋、AFRP筋和GFRP筋的彈性模量大致分別為鋼筋彈性模量的75％、35％和20％。

4) 抗剪和抗壓強(qiáng)度較低。FRP筋是各向異性材料，軸向抗壓、橫向抗壓和抗剪性能較差，橫向抗剪強(qiáng)度僅為縱向抗拉強(qiáng)度的1/10左右。

5) 溫度膨脹系數(shù)與混凝土之間存在一定的差別。CFRP 筋的軸向溫度膨脹系數(shù)較低，AFRP筋的軸向溫度膨脹系數(shù)甚至為負(fù)數(shù)，GFRP筋的軸向溫度膨脹系數(shù)則與混凝土差不多。溫度變化會(huì)引起CFRP筋預(yù)應(yīng)力混凝土和AFRP筋預(yù)應(yīng)力混凝土的預(yù)應(yīng)力損失，而傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)則無(wú)此損失。FRP筋橫向溫度膨脹系數(shù)均較大，溫差作用有可能造成FRP筋與混凝土間粘結(jié)的破壞或混凝土的脹裂，影響結(jié)構(gòu)的耐久性。

6) 熱穩(wěn)定性較差。當(dāng)超過(guò)某一溫度范圍，F(xiàn)RP筋的抗拉強(qiáng)度將有所下降，抗剪強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度則顯著下降，因此FRP筋不宜應(yīng)用于60°C 以上的高溫環(huán)境，此外，F(xiàn)RP 筋不耐火，其防火保護(hù)要求比鋼筋更為嚴(yán)格。

7) 不便現(xiàn)場(chǎng)加工。FRP筋雖可制成任意形狀、如直線形、直線帶90。彎鉤或矩形箍筋等。但由于在生產(chǎn)FRP筋時(shí)，均采用熱固性樹(shù)脂制作，因而一旦成形后，一般在施工現(xiàn)場(chǎng)將難以改變其形狀。

8) 成本較高。生產(chǎn)制作工藝較復(fù)雜，一般需專(zhuān)門(mén)的長(zhǎng)線擠拉臺(tái)座才能完成。單位質(zhì)量的FRP筋的價(jià)格約為鋼筋的8～12倍。不過(guò)FRP筋的密度大約是鋼筋的四分之一，這樣，單位體積FRP筋的價(jià)格約為鋼筋的2～3倍。當(dāng)然，隨著FRP筋制作工藝的改進(jìn)和FRP材料的大批量生產(chǎn)，其價(jià)格也將會(huì)隨之降低。

2.2 FRP筋與鋼筋的區(qū)別

FRP筋的力學(xué)性能與鋼筋有所不同，表1為各種FRP筋與鋼筋力學(xué)性能指標(biāo)。

圖1為GFRP筋與普通鋼筋、冷拉鋼絲的應(yīng)力－應(yīng)變曲線。從應(yīng)力－應(yīng)變曲線可以看出，在達(dá)到極限抗拉強(qiáng)度之前，GFRP筋的應(yīng)力應(yīng)變基本呈線性關(guān)系，無(wú)塑性變形發(fā)生。

3 FRP筋在土木工程中的應(yīng)用

FRP筋可以應(yīng)用于橋梁、各類(lèi)民用建筑、海洋和近海、地下工程等結(jié)構(gòu)中。FRP筋具有抗腐蝕能力，可用于化工廠、廢水處理廠、海堤、碼頭、水下結(jié)構(gòu)等；具有較小的彈性模量及低松弛性能，用作預(yù)應(yīng)力筋，可以降低由于混凝土徐變和收縮引起的預(yù)應(yīng)力損失，還可減小由于預(yù)應(yīng)力筋松弛引起的預(yù)應(yīng)力損失。工程實(shí)踐表明，F(xiàn)RP筋能夠適應(yīng)現(xiàn)代工程向大跨、高聳、重載、輕質(zhì)高強(qiáng)發(fā)展及承受惡劣條件的需要，符合現(xiàn)代施工技術(shù)的工業(yè)化要求。

3.1 FRP筋在橋梁中的應(yīng)用[2-4]

目前，世界各地都存在橋梁和道路工程中鋼筋混凝土的腐蝕問(wèn)題。僅加拿大就有20多萬(wàn)座橋梁和結(jié)構(gòu)物需要解決承載能力不能滿足使用要求的問(wèn)題。早在1969年，CFP筋就開(kāi)始應(yīng)用于工程實(shí)際，最具有代表性的當(dāng)數(shù)瑞士的依巴赫橋。此橋?yàn)橐欢嗫缦湫芜B續(xù)梁預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，全長(zhǎng)228m，箱形截面寬16m，高152m，中間有一縱肋，將箱形截面分為兩孔。該橋在安裝新的交通信號(hào)設(shè)備時(shí)在箱梁邊肋上鉆孔時(shí)，不慎將長(zhǎng)39m跨的預(yù)應(yīng)力鋼筋損壞，重載車(chē)不能通行，必須加固維修。因?yàn)闃蛭挥诜泵Φ墓飞?，加固工作只能在夜間進(jìn)行。在加固時(shí)對(duì)究竟采用鋼筋還是CFRP筋進(jìn)行了比較。由于采用CFRP網(wǎng)扳的重量?jī)H為鋼材重量的3.5%，并且可以采用移動(dòng)平臺(tái)施工，無(wú)需搭設(shè)腳手架，所以最后確定采用碳纖維網(wǎng)板進(jìn)行加固。加固時(shí)共布置了三層碳纖維網(wǎng)板于梁的下部作為附加受拉筋，其中二層厚度為1.75mm，一層厚度為2.0mm。CFRP網(wǎng)板的軸向抗拉強(qiáng)度為19000MPa，彈性模1.29×105MPa。竣工后，采用840KN的重載車(chē)對(duì)加固跨進(jìn)行了荷載試驗(yàn)，結(jié)果表明采用CFRP網(wǎng)板加固的效果令人滿意。

1993年，在加拿大西南部城市卡爾加里，用混有光纖傳感器的FRP筋建造了世界上第一座FRP筋增強(qiáng)混凝土橋[2]。在美國(guó)使用FRP筋的最大工程項(xiàng)目是西弗吉尼亞州的Mackinleyville橋，這是美國(guó)第一座使用FRP筋增強(qiáng)橋面板的公路橋。美國(guó)的RJD工業(yè)公司采用FRP筋已在伊利諾斯州、衣阿華州和威斯康星州的公路上投入應(yīng)用。1980年，德國(guó)在一座實(shí)驗(yàn)性人行橋上采用了玻璃纖維增強(qiáng)筋；1986年在杜塞爾多夫一座通行重型貨車(chē)的橋梁上使用了玻璃纖維增強(qiáng)預(yù)應(yīng)力筋；1991年在路德希港建造了一座跨度80m的預(yù)應(yīng)力碳纖維增強(qiáng)的混凝土橋梁。德國(guó)的美里恩費(fèi)爾得人行橋建于1988年，該橋的特點(diǎn)是在梁的外側(cè)布置了GFRP預(yù)應(yīng)力筋，充分利用了這類(lèi)材料不怕腐蝕的特性。橋?yàn)閮煽珉pT形截面梁，跨度分別為22.98m和27.6lm，梁高1.1m，在兩跨雙T形截面梁上配有七根GFRP預(yù)應(yīng)力筋。GFRP預(yù)應(yīng)力筋在支座處布置在梁的上部，跨中布置在梁的下部。預(yù)應(yīng)力筋在梁端錨固于十字梁上?？⒐ず筮M(jìn)行了荷載試驗(yàn)和實(shí)測(cè)分析，在橋面覆蓋5層250mm厚的混凝土板，相當(dāng)于全部交通荷載的的兩倍，加載時(shí)利用預(yù)埋的光纖維量測(cè)器進(jìn)行了全面的測(cè)量，其中包括量測(cè)預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力變化和跨中度等，所測(cè)指標(biāo)完全符合預(yù)定要求。1989年，CFRP作為預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)用于一座雙跨預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁上，地點(diǎn)在日本的Kitakyusyu市。該橋12.3m寬，35.8m長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)上由一跨18.25m 的先張大梁和一跨17.55m 后張大梁組成，CFRP 作為預(yù)應(yīng)力筋用于后張大梁上。歐洲其他國(guó)家如英國(guó)、法國(guó)、荷蘭和挪威等也進(jìn)行了研究及應(yīng)用。

3.2 在海港碼頭的應(yīng)用

在日本的Niihama市，Sumitomo化工有限公司興建了一座海港碼頭，該碼頭的預(yù)應(yīng)力混凝土面板的板寬為13.8m，長(zhǎng)度為61m ，在寬度方向上是由17 根簡(jiǎn)支空心梁組成，在長(zhǎng)度方向上共分5 跨，其中4跨的預(yù)應(yīng)力混凝土空心梁采用了高強(qiáng)鋼絞線作預(yù)應(yīng)力束，另一跨的預(yù)應(yīng)力混凝土空心梁采用了AFRP作預(yù)應(yīng)力束(跨度9m)。碼頭建成后，進(jìn)行了50t的起重機(jī)和35t的挖土機(jī)的荷載試驗(yàn)，經(jīng)實(shí)測(cè)分析，完全滿足使用要求[4]。

4 應(yīng)用上存在的問(wèn)題

FRP筋在許多方面都獲得了應(yīng)用，但與鋼筋相比，雖然有強(qiáng)度高、不會(huì)因氯化物離子而發(fā)生劣化等優(yōu)點(diǎn)，但是在實(shí)際工程的應(yīng)用上也還存在一些問(wèn)題。

4.1 FRP材料本身也具有一定的缺陷，盡管抗拉強(qiáng)度高，通常可達(dá)3000MPa左右，但其彈性模量與強(qiáng)度的比值較低，因而纖維必須在相當(dāng)大的變形下才能充分發(fā)揮其高強(qiáng)特性。大量試驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)RP僅在構(gòu)件受拉鋼筋屈服后才發(fā)揮出較大的作用，纖維的實(shí)際強(qiáng)度利用率很低。因此預(yù)應(yīng)力FRP筋也逐漸得到廣泛的應(yīng)用。但是相應(yīng)的錨具、施工方法等還尚未成熟，有待于進(jìn)一步研究。

4.2 FRP筋壓縮強(qiáng)度與其拉伸強(qiáng)度相比而言較低。因此，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式不再有效。在圓柱四周包繞FRP的效果研究表明，這會(huì)引起斷裂荷載和斷裂應(yīng)變的增加，在設(shè)計(jì)中需要考慮。

4.3 耐火性不如鋼材，在設(shè)計(jì)某些類(lèi)型的建筑物時(shí)需要考慮。

4.4 FRP筋與混凝土的粘結(jié)錨固性能。表面光滑的FRP筋與混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度僅是鋼筋與混凝土粘結(jié)強(qiáng)度的10%～20%，并不適合作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力筋。因此，如何改變FRP筋的表面狀況，加強(qiáng)FRP筋與混凝土自然粘結(jié)是一項(xiàng)重要的研究課題，也是解決兩者之間粘結(jié)性能的關(guān)鍵所在。由于FRP 筋與混凝土界面處的內(nèi)部滑移難以測(cè)定，目前多利用平均粘結(jié)應(yīng)力與試件加載端或自由端的滑移繪制的關(guān)系曲線，并得到FRP 筋與混凝土的粘結(jié)本構(gòu)關(guān)系。顯然，這個(gè)關(guān)系并不能反映粘結(jié)滑移沿FRP 筋錨固長(zhǎng)度變化的規(guī)律，也不能描述粘結(jié)滑移剛度退化的現(xiàn)象。因此，應(yīng)研究隨不同位置變化的FRP筋與混凝土的粘結(jié)滑移性能和規(guī)律。

5 結(jié)論

FRP具有耐腐蝕、抗拉強(qiáng)度高、抗剪強(qiáng)度低、比重小以及彈性模量低等特點(diǎn)。因此，F(xiàn)RP筋可用作大跨度橋梁的懸索和斜拉索，充分發(fā)揮其自重小的優(yōu)勢(shì)，顯著提高橋梁的跨越能力。FRP筋也可以配置于混凝土結(jié)構(gòu)體內(nèi)或體外作為加強(qiáng)筋或預(yù)應(yīng)力筋，或者用作土層錨桿、巖石錨桿，從而替代鋼筋應(yīng)用于惡劣環(huán)境中而不被腐蝕，在新建結(jié)構(gòu)和既有結(jié)構(gòu)加固改造中具有廣闊的應(yīng)用前景。但是FRP筋的性能與普通鋼筋的性能還存在較大的區(qū)別，包括力學(xué)性能、粘結(jié)滑移性能等，而且也存在一些不足，因此還有待于大量的研究。

參考文獻(xiàn)

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