預應力FRP筋國內外發展及應用現狀研究

李曉東 王麗麗 汪君銳

摘要：鋼筋混凝土仍是當今土建建筑中的主要材料，在國內外已建、在建、改建的建筑結構中，鋼筋的銹蝕問題給結構的穩定性帶來了極大的困擾。近些年來的試驗和研究以表明，高性能纖維增強聚合物（FRP）是加強和改善混凝土結構的一種新的優良材料。其耐腐蝕能力強，將是替代鋼材的最佳選擇。

關鍵詞：鋼筋銹蝕 預應力FRP筋 研究現狀

在我國的土建建筑中，主要采用的是鋼筋混凝土結構。據有關部分的統計數據可知，截至2002年我國建筑結構中鋼筋年消耗量達2500萬噸，預應力筋年消耗量在35萬噸左右[1]。然而在各種人為和自然因素的影響下，混凝土中鋼筋的銹蝕已經成為威脅全世界混凝土結構耐久性的最主要災害[2]。我國每年投入的公路橋梁、鐵路橋梁、房建方面的資金較大，房建資料的調查研究中，顯示截至2000年我國至少有23.4億平方米的房屋建筑處于因結構內部鋼筋的失效而承載力不足，成為可靠度不足的房屋。

隨著建筑材料日新月異的發展，在鋼筋的防銹工程中，研究者們找到了一些基本可以克服鋼筋銹蝕問題的建筑材料，比如在鋼筋表面刷特種防銹材料。但其中很有效的一種材料，近些年被重視起來，就是利用FRP材料（纖維增強塑料Fiber Reinforced Plastics）來取代鋼筋。近年來，國內外學者已對這種材料的性能進行了較多的試驗和工程應用研究，隨著研究的深入和工程應用的增多，我們認識到FRP能憑借高強耐腐蝕等優良性能，成為可以取代和增強鋼筋混凝土結構中鋼筋的合適之選，從而減少由于鋼筋銹蝕而引起的結構可靠度不足問題，這種材料是新時代發展的產物，得到各國研究者的深入研究探討。

1.預應力FRP筋國外的發展及應用現狀

日本是第一個把CFRP和AFRP筋應用到預應力混凝土中的國家，日本是一個擁有數目極多FRP項目的國家，早在1988年，就已經應用于橋梁、磁懸浮列車軌道，邊坡防護、海港碼頭，邊坡防護等等，在其建成的FRP筋混凝土橋梁中，有先張和后張法，全面的發展了FRP筋的理論和研究結果。表1中列出了幾座典型的橋梁。

表1早年日本采用FRP筋建造的的幾座典型的預應力混凝土橋梁

美國的FRP材料研究逐漸成熟，其土木工程師學會ASCE通過大量的實際工程和實驗研究，制定了關于FRP筋的生產標準，包括設計和施工準則。同時，ACI（混凝土協會）也制定了相關的規范只對FRP材料的應用，其應用范圍可以覆蓋到普通增強混凝土、預應力結構、加固工程。FRP筋相關實驗注意事項和材料的規格選取，其檢測和材料學會也出臺了相關標準。歐洲各國對FRP材料的研究開始于70年代，FRP筋材的發展也比較快，由于當時國內的大型機械制作公司，生產出了關于CFRP筋和GFRP筋的錨固器具，所以FRP筋材早年主要應用于預應力索橋。

2.預應力FRP筋國內發展概況

國內的FRP研究課題起步相對較晚，對其筋材和型材，以及應用到結構中的受力性能都有待研究，國內的一些知名大學，如同濟大學、大連大學、東南大學等近些年來對FRP材料以及其結構應用做了深入的研究，而目前我國在FRP材料方面的應用主要集中在混凝土構建的加固和補強，也有部分相對完善的規范制定出來。如：《結構加固修復用粘貼樹脂產品標準》、《碳纖維片材加固混凝土結構技術規程》、《結構加固修復用碳纖維片材產品標準》等，而隨著FRP材料應用范圍的擴大，各研究機構也在籌備編制針對FRP材料的標準規范。

國內關于FRP材料的研究，成立了專門的纖維增強材料及其工程應用委員會。成員主要來自各研究機構和知名大學，并在同年，舉行了首屆“FRP材料混凝土結構學術會議”，收集了較多學術成果，發布論文集。然后再美麗的沿海城市青島，召開了委員會會議。討論研究制定FRP增強材料相關規范。2002年7月，第二屆“土木工程用FRP材料應用技術學術交流會”在昆明召開。逐漸增加的學術會議大大促進了FRP材料方面的理論研究和學術交流，進而促使纖維增強復合材料持續高速、全面的在土建領域發展應用。

近年來，我國高校和相關研究中心，如東南大學，同濟大學，清華大學以及國家建筑診斷和研究中心都在FRP應用領域進行了深入的探索。關于FRP材料應用到建筑方面的各項國家重點實驗項目和研究計劃正逐步增加。其中，由中國工程院院士呂志濤教授指導，東南大學成立了FRP專項研究課題專家組。同時，研究者們通過借鑒日本和美國等其他國家的先進生產知識和企業廠家技術，對使用FRP材料做筋材的結構支座處理、力學性能的時間性影響進行了深入分析。FRP筋材的實際工程結構，如：斜拉索橋，預應力混凝土結構，還有加固改造的，進行學習研究，做了大量研究工作。我國FRP筋應用于混凝土結構的實例還很少。2004年，由東南大學設計的國內第一座CFRP拉索斜拉橋在江蘇鎮江落成。

3.結論

纖維增強聚合物（FRP）耐腐蝕能力強，將是替代鋼材的最佳選擇。近些年來的試驗和研究以表明，高性能纖維產品是加強和改善混凝土結構的一種新的優良材料[3]。不論是新建、修補還是補強工程，可大幅提高結構可靠度和壽命。日本關于FRP研究較成熟，歐洲和美國也在FRP材料使用研究等方面的規范上，做了大量的實驗研究，以便制定有效可行的規范。中國在FRP材料方面的研究起步稍晚，初期發展較慢，目前已經進行了不少試驗研究。隨著研究的深入和不斷成熟，我們認識到FRP憑借高強耐腐蝕等優良性能，成為可以取代和增強鋼筋混凝土結構，鋼木結構，以及砌體結構等合適之選，是新時代發展的產物，得到各國研究者的深入研究探討。

參考文獻：

[1]馮大斌.我國鋼筋及預應力工程技術現狀與發展方向[J].施工技術，2002：7.

[2]胡永曉.預應力FRP筋受彎構件非線性有限元分析[D].武漢：武漢理工大學，2007.

[3]呂志濤.新世紀混凝土結構對新材料的挑戰[C].中國首屆纖維增強塑料（FRP）混凝土結構學術交流會議論文集，2000-06.