纖維復合筋-混凝土梁研究概況

杜澤冬

摘? 要：纖維增強聚合物（FRP）型材是一種具有耐腐蝕、適用性廣、輕質高強等諸多優點的新型復合材料，將其與混凝土相結合，形成FRP-混凝土組合梁結構，以達到減輕混凝土結構自重，提高結構承載力的同時，解決鋼筋易腐蝕、抗裂性差的問題，希望可以為新型混凝土結構發展做出一定貢獻。

關鍵詞：纖維增強聚合物;混凝土梁;承載力

中圖分類號：U455.7? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）16-0074-02

Abstract： Fiber reinforced polymer （FRP） profile is a new type of composite material with many advantages， such as corrosion

resistance， wide applicability， light weight and high strength. It is combined with concrete to form FRP-concrete composite beam structure， so as to reduce the self-weight of concrete structure and improve the bearing capacity of the structure. At the same time， the problems of corrosion and poor crack resistance of steel bar are solved. It is hoped that it can make some contribution to the development of new concrete structure.

Keywords： fiber reinforced polymer （FRP）; concrete beam; bearing capacity

1 纖維聚合材料簡介

FRP，纖維增強復合塑料，是英文（Fiber Reinforced Plastics）的縮寫，現有CFRP、GFRP、AFRP、BFRP等。中文中玻璃鋼指的就是GFRP。FRP復合材料是由纖維材料與基體材料按一定的比例混合后形成的高性能型材料。其中GFRP根據所使用的樹脂品種不同，有聚酯玻璃鋼、環氧玻璃鋼、酚醛玻璃鋼等種類。一般FRP具有質輕而硬，不導電，機械強度高，回收利用少，耐腐蝕等特性。

2 FRP-混凝土梁試驗研究現狀

國內外學者通過試驗，對FRP-混凝土梁受力性能進行實際研究。

Gai X等人[1]設計開發了一種GFRP現澆混凝土板模板體系。以GRRP剪切螺栓間距、加載方案為變量，對其延性性能進行試驗研究。試驗結果表明，該模板體系在施工階段表現出足夠的剛度，有效地增加了混凝土構件延性和穩定性，避免混凝土結構發生脆性破壞。Hassan N Z等人[2]基于ANSYS軟件，研究了碳纖維和玻璃纖維加固同一截面尺寸混凝土梁的受彎性能，并通過試驗對模型結果進行了驗證。結果表明，玻璃纖維能和碳纖維一樣為加固的鋼筋混凝土梁構件提供相同的承載力。Koaik A等人[3]采用螺栓連接、粘接兩種不同連接技術制作了6根GFRP型材混凝土組合梁。通過彎曲試驗重點研究了受力過程中試驗梁截面特性和彎曲特性。試驗結果表明，GFRP型材與混凝土采用粘接連接可避免過早發生剪切破壞。采用混合連接技術試驗梁受力性能最好，但使用過程中要防止連接截面發生破壞。Rizkalla S等人[4]進行了玻璃纖維增強塑料（GFRP）圓管的受彎試驗。通過改變試驗中圓管的直徑、跨度等參數，研究了完全混凝土填充管、中心孔混凝土填充管和中間填充混凝土的管中管（同心和偏心）等不同結構形式對GFRP管受力性能的影響如圖1圓管結構形式示意圖所示。試驗結果表明，GFRP管的抗彎性能與GFRP管的剛度、管徑比等因素密切相關，而與混凝土強度關系不大，但混凝土的約束作用使構件延性得到了改善。最后，建立一種應變協調模型，并對玻璃纖維增強塑料（GFRP）圓管進行了參數化分析。

圖1 圓管結構形式示意圖

郗恒東等人[5]提出了一種在混凝土梁受拉區采用高強灌漿和波紋套管支撐FRP筋代替普通鋼筋的新型結構如圖2結構構造圖所示，并與普通鋼筋混凝土梁進行對比試驗。試驗結果表明，FRP-混凝土梁由于混凝土壓碎破壞而破壞，比普通鋼筋混凝土梁具有更高的抗彎承載力和更大的撓度。同時，在試驗梁受拉區采用波紋套管灌漿FRP筋有效降低裂縫寬度，提高了試驗梁抗彎性能。

3 FRP-混凝土梁理論研究現狀

目前工程界通過理論和有限元分析，對于各種新型FRP-混凝土新型梁在各工況下的受力性能進行了分析，用以驗證試驗效果，彌補試驗研究的不足，同時進行參數化分析。

Zou X等人[6]通過試驗和有限元研究了FRP筋作為混凝土梁抗剪連接件的抗剪性能。結果表明，FRP抗剪切能力和抗滑移能力遠高于普通鋼螺栓，影響滑移量的主要因素為混凝土板厚和FRP開孔孔徑，據此推導了考慮這兩個參數的滑動模量理論。最后，建立了FRP的剪切承載力和滑移量的計算公式，為設計提供了參考。Choobbor S S等人[7]進行了碳纖維與玄武巖纖維復合材料加固鋼筋混凝土梁的抗彎性能試驗。并建立了有限元模型來預測試件的撓度變化和承載能力。Mofidi A等人[8]通過對當前FRP加固鋼筋混凝土梁的抗剪性能進行研究，分析了影響抗剪性能的主要因素，提出了關于抗剪箍筋影響FRP加固鋼筋混凝土梁體的計算模型。蔡金明等人[9]使用ATENA/GID求解軟件對BFRP筋加固混凝土梁和BFRP筋加固工程膠凝材料（ECC）梁的抗彎性能進行了數值模擬。模擬結果表明：ECC材料在受壓區具有更高的極限壓應變，其破壞過程比BFRP筋加固普通混凝土梁更具有延性。同時，BFRP筋加固ECC梁的承載能力、變形能力、裂縫控制能力等方面性能更加優異。葛文杰等人[10]通過BFRP筋拉伸試驗、拉拔試驗以及BFRP筋混凝土梁抗彎試驗，研究了BFRP筋對混凝土組合梁抗彎性能的影響，并與普通鋼筋混凝土梁進行對比。試驗結果表明，與普通鋼筋相比，BFRP筋抗拉強度高但彈性模量低。而BFRP筋與混凝土粘接強度與鋼筋混凝土的粘接強度相似，粘接性能優異。并系統分析了混凝土梁受彎承載力，提出了計算組合梁抗彎承載力的簡化公式，并與試驗值進行對比，驗證了該簡化公式的可行性。

4 結束語

本文對纖維增強材料進行研究，綜述了國內外學者關于FRP-混凝土梁的研究現狀，分別闡述了國內外關于FRP-混凝土梁的試驗、理論以及ABAQUS有限元模擬瘋方面研究現狀，可為相關工程實踐和理論研究提供了一定的借鑒。

參考文獻：

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[2]Hassan N Z， Sherif A G， Zamarawy A H， et al. Finite element analysis of reinforced concrete beams with opening strengthened using FRP[J]. Ain Shams Engineering Journal， 2017，8（4）：531-537.

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[9]Cai J， Pan J， Zhou X， et al. Flexural behavior of basalt FRP reinforced ECC and concrete beams[J]. Construction and Building Materials， 2017，142：423-430.

[10]Ge W， Zhang J， Cao D， et al. Flexural behaviors of hybrid concrete beams reinforced with BFRP bars and steel bars[J]. Construction and Building Materials， 2015，87：28-37.