FRP筋混凝土結構性能研究進展★

遲文科 孔祥清 于 洋 章文姣

(遼寧工業(yè)大學土木建筑工程學院，遼寧 錦州 121001)

0 引言

混凝土是現代土木工程中不可或缺的建筑材料，鋼筋混凝土結構已經成為世界上應用最主要的建筑結構。但是長期以來，鋼筋混凝土結構由于鋼筋銹蝕，造成其耐久性的問題。為了克服鋼筋混凝土結構中鋼筋腐蝕的缺點，自1980年以來，中外學者提出了在混凝土結構中用FRP筋代替鋼筋的方法。纖維增強聚合物筋具有強度高、重量輕等優(yōu)點，尤其是其耐腐蝕的特點可使其廣泛應用于海洋工程等含氯化物的環(huán)境中。目前國外已經成功進行了很多FRP筋混凝土的研究和應用。在國內，香港大學最先對FRP筋混凝土結構展開研究，隨后國家工業(yè)建筑診斷與改造技術研究中心、東南大學、同濟大學、在FRP筋混凝土梁的抗彎性能等方面展開了不同程度的研究。

1 FRP筋結構特點

FRP筋是有多股連續(xù)纖維通過聚酰胺樹脂、聚乙烯樹脂、環(huán)氧樹脂等基地材料進行膠合后，經過特制的模具擠壓并拉拔成型是為了增強與混凝土的粘結，一般在表面纏繞纖維束形成肋或粘砂。目前用于建筑工程的主要有玻璃纖維(GFRP)筋、芳綸纖維(AFRP)筋、碳纖維(CFRP)筋和玄武巖纖維(BFRP)筋四種。FRP筋作為一種新型的材料與鋼筋相比，有抗拉強度高、耐腐蝕、密度小、重量輕、電磁絕緣性好等優(yōu)點，但同時又具有彈性模量低、抗剪強度低、極限延伸率低等一些缺點。

結構的特性取決于材料的性能，FRP筋混凝土構件因為FRP筋材料性能與鋼筋的不同造成了與鋼筋混凝土構件以下的不同：

1)由于FRP筋輕質高強，耐腐蝕造成了FRP筋結構比鋼筋結構輕，耐腐蝕性能強;

2)FRP筋較鋼筋彈性模量小，造成了FRP筋結構要比鋼筋結構有著更大的撓度;

3)FRP筋與混凝土的粘結性能不及鋼筋，造成了FRP筋結構比鋼筋結構在相同荷載下有更大的裂縫間距和裂縫寬度;

4)FRP筋為脆性材料，造成了FRP筋結構易發(fā)生脆性破壞;

5)FRP筋為非磁性材料，FRP筋可用于醫(yī)療設備及雷達站等對磁性有要求的結構中。

2 FRP筋混凝土結構性能研究現狀

2.1 國外研究現狀

在錨固粘結方面，最早在1987年Chapman和Pshah首先對FRP筋的錨固粘結強度進行了研究，利用中心拉拔試驗，探討了埋置深度和養(yǎng)護時間分別對光圓和螺紋FRP筋的粘結滑移進行了比較分析，提出了早期FRP筋粘結強度計算公式[1]。Pleimann等[2]展開了大量的FRP筋混凝土中心拔出試驗，建議了FRP筋的錨固粘結長度計算公式。Vicki等[3]通過對30根混凝土梁進行試驗，研究FRP筋與混凝土的粘結強度，得出203 mm的錨固長度可以使筋達到極限強度，沿著結構全長范圍內配置剪切箍筋，大于475 mm的錨固長度對筋達到極限強度是滿足的。

在FRP筋結構受力性能方面，Abdalla[4]對6根FRP筋混凝土梁進行了抗彎試驗研究，結果表明由于彈性模量比鋼筋低很多，撓度要比鋼筋混凝土梁大3倍～4倍。Elgabbas等[5]考慮無箍筋、BFRP筋箍筋以及鋼筋箍筋三種因素進行了混凝土梁抗彎試驗研究，研究結果表明：BFRP筋箍筋梁當加載達到極限承載力的90%～96%時，梁發(fā)生剪切破壞；無箍筋混凝土梁當荷載達到極限荷載的55%～58%時發(fā)生剪切破壞；而鋼筋箍筋混凝土梁最終破壞狀態(tài)為彎曲破壞。

在FRP筋結構耐久性方面上，Uomoto[6]對GFRP筋的耐久性能進行了試驗研究，結果表明：酸性環(huán)境中的GFRP在溫度達到80 ℃才會退化；經紫外線暴曬3年的GFRP筋強度僅僅下降了1%～19%；經過三百多次的凍融循環(huán)后的GFRP筋強度僅僅下降了8%；當溫度小于350 ℃時，GFRP筋的強度降低最大為25%。Clarke等[7]對GFRP筋進行了加速腐蝕試驗，試驗結果表明：在強堿環(huán)境中，GFRP筋的抗拉剛度僅僅下降了20%。

2.2 國內研究現狀

在錨固粘結方面，20世紀90年代，薛偉辰[8]對FRP筋與混凝土的粘結性能展開了試驗探索研究，得出了中心拉拔和梁式試驗兩種方式對試驗結果的影響。在此基礎上，薛偉辰等[9]又分別對FRP筋和普通混凝土、纖維混凝土以及水泥漿之間的錨固粘結性能進行了中心拉拔試驗和梁式試驗，研究結果表明:FRP筋與混凝土的粘結性能僅為鋼筋與混凝土的6%左右，纖維塑膠與表面外纏肋之間的粘結強度決定了FRP筋材料的粘結強度。隨后高丹盈[10]考慮混凝土強度、錨固長度以及FRP筋直徑對FRP筋和混凝土分別進行了中心拉拔試驗和梁式試驗研究，提出了FRP筋錨固長度計算公式。

在FRP筋結構受力性能方面，高丹盈等[11]考慮FRP筋類型及配筋率兩種因素進行了FRP筋混凝土梁的抗彎性能試驗，得出了FRP筋梁的抗彎性能隨著配筋率的提高而增大，FRP筋梁撓度為同等配筋率的鋼筋混凝土梁的2倍～3倍的結論。曾德光[12]考慮不同的配筋率和纖維筋類型對9根纖維混凝土梁進行了抗彎試驗研究，研究結果表明：梁的極限荷載隨著配筋率的提高而提高，而裂縫寬度隨著配筋率的提高而減小。盧俊坤[13]研究了不同強度的海砂混凝土梁的抗彎性能，得出混凝土強度越高，BFRP筋強度的利用率越大。

在FRP筋結構耐久性方面上，周長東等[14]對GFRP筋在火災下的力學性能進行了試驗研究，結果表明，GFRP筋的彈性模量隨著溫度的提高而降低，極限溫度為270 ℃。當溫度下降到190 ℃時，GFRP筋材料性能有所恢復。并且建議取230 ℃為GFRP筋的抗拉強度為極限強度。任慧韜[15]將GFRP筋和CFRP筋進行100次凍融循環(huán)試驗。每次循環(huán)時間為3 h高低溫度控制在-17 ℃和8 ℃。經過100次凍融循環(huán)后，GFRP筋和CFRP筋的拉伸強度、極限應變均有所下降，但是彈性模量變化不明顯。

3 總結與展望

目前國內外對于FRP筋及FRP筋混凝土結構方面已經取得了較豐富的研究成果，但是由于FRP筋材料彈性模量低和線性變形特征使其受彎構件在正常使用狀態(tài)下具有剛度小、撓度大、裂縫寬以及脆性破壞的特征，這些缺點限制了其在工程實際中的進一步應用與發(fā)展。