預(yù)應(yīng)力FRP筋國(guó)內(nèi)外發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀研究

李曉東 王麗麗 汪君銳

摘要：鋼筋混凝土仍是當(dāng)今土建建筑中的主要材料，在國(guó)內(nèi)外已建、在建、改建的建筑結(jié)構(gòu)中，鋼筋的銹蝕問(wèn)題給結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性帶來(lái)了極大的困擾。近些年來(lái)的試驗(yàn)和研究以表明，高性能纖維增強(qiáng)聚合物（FRP）是加強(qiáng)和改善混凝土結(jié)構(gòu)的一種新的優(yōu)良材料。其耐腐蝕能力強(qiáng)，將是替代鋼材的最佳選擇。

關(guān)鍵詞：鋼筋銹蝕 預(yù)應(yīng)力FRP筋 研究現(xiàn)狀

在我國(guó)的土建建筑中，主要采用的是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。據(jù)有關(guān)部分的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，截至2002年我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)中鋼筋年消耗量達(dá)2500萬(wàn)噸，預(yù)應(yīng)力筋年消耗量在35萬(wàn)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(jīng)成為威脅全世界混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的最主要災(zāi)害[2]。我國(guó)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(diào)查研究中，顯示截至2000年我國(guó)至少有23.4億平方米的房屋建筑處于因結(jié)構(gòu)內(nèi)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(fā)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(wèn)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(lái)，就是利用FRP材料（纖維增強(qiáng)塑料Fiber Reinforced Plastics）來(lái)取代鋼筋。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)這種材料的性能進(jìn)行了較多的試驗(yàn)和工程應(yīng)用研究，隨著研究的深入和工程應(yīng)用的增多，我們認(rèn)識(shí)到FRP能憑借高強(qiáng)耐腐蝕等優(yōu)良性能，成為可以取代和增強(qiáng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的合適之選，從而減少由于鋼筋銹蝕而引起的結(jié)構(gòu)可靠度不足問(wèn)題，這種材料是新時(shí)代發(fā)展的產(chǎn)物，得到各國(guó)研究者的深入研究探討。

1.預(yù)應(yīng)力FRP筋國(guó)外的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀

日本是第一個(gè)把CFRP和AFRP筋應(yīng)用到預(yù)應(yīng)力混凝土中的國(guó)家，日本是一個(gè)擁有數(shù)目極多FRP項(xiàng)目的國(guó)家，早在1988年，就已經(jīng)應(yīng)用于橋梁、磁懸浮列車軌道，邊坡防護(hù)、海港碼頭，邊坡防護(hù)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(fā)展了FRP筋的理論和研究結(jié)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(yù)應(yīng)力混凝土橋梁

美國(guó)的FRP材料研究逐漸成熟，其土木工程師學(xué)會(huì)ASCE通過(guò)大量的實(shí)際工程和實(shí)驗(yàn)研究，制定了關(guān)于FRP筋的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，包括設(shè)計(jì)和施工準(zhǔn)則。同時(shí)，ACI（混凝土協(xié)會(huì)）也制定了相關(guān)的規(guī)范只對(duì)FRP材料的應(yīng)用，其應(yīng)用范圍可以覆蓋到普通增強(qiáng)混凝土、預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)、加固工程。FRP筋相關(guān)實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)和材料的規(guī)格選取，其檢測(cè)和材料學(xué)會(huì)也出臺(tái)了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。歐洲各國(guó)對(duì)FRP材料的研究開(kāi)始于70年代，F(xiàn)RP筋材的發(fā)展也比較快，由于當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)的大型機(jī)械制作公司，生產(chǎn)出了關(guān)于CFRP筋和GFRP筋的錨固器具，所以FRP筋材早年主要應(yīng)用于預(yù)應(yīng)力索橋。

2.預(yù)應(yīng)力FRP筋國(guó)內(nèi)發(fā)展概況

國(guó)內(nèi)的FRP研究課題起步相對(duì)較晚，對(duì)其筋材和型材，以及應(yīng)用到結(jié)構(gòu)中的受力性能都有待研究，國(guó)內(nèi)的一些知名大學(xué)，如同濟(jì)大學(xué)、大連大學(xué)、東南大學(xué)等近些年來(lái)對(duì)FRP材料以及其結(jié)構(gòu)應(yīng)用做了深入的研究，而目前我國(guó)在FRP材料方面的應(yīng)用主要集中在混凝土構(gòu)建的加固和補(bǔ)強(qiáng)，也有部分相對(duì)完善的規(guī)范制定出來(lái)。如：《結(jié)構(gòu)加固修復(fù)用粘貼樹(shù)脂產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)》、《碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》、《結(jié)構(gòu)加固修復(fù)用碳纖維片材產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)》等，而隨著FRP材料應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，各研究機(jī)構(gòu)也在籌備編制針對(duì)FRP材料的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

國(guó)內(nèi)關(guān)于FRP材料的研究，成立了專門的纖維增強(qiáng)材料及其工程應(yīng)用委員會(huì)。成員主要來(lái)自各研究機(jī)構(gòu)和知名大學(xué)，并在同年，舉行了首屆“FRP材料混凝土結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議”，收集了較多學(xué)術(shù)成果，發(fā)布論文集。然后再美麗的沿海城市青島，召開(kāi)了委員會(huì)會(huì)議。討論研究制定FRP增強(qiáng)材料相關(guān)規(guī)范。2002年7月，第二屆“土木工程用FRP材料應(yīng)用技術(shù)學(xué)術(shù)交流會(huì)”在昆明召開(kāi)。逐漸增加的學(xué)術(shù)會(huì)議大大促進(jìn)了FRP材料方面的理論研究和學(xué)術(shù)交流，進(jìn)而促使纖維增強(qiáng)復(fù)合材料持續(xù)高速、全面的在土建領(lǐng)域發(fā)展應(yīng)用。

近年來(lái)，我國(guó)高校和相關(guān)研究中心，如東南大學(xué)，同濟(jì)大學(xué)，清華大學(xué)以及國(guó)家建筑診斷和研究中心都在FRP應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了深入的探索。關(guān)于FRP材料應(yīng)用到建筑方面的各項(xiàng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和研究計(jì)劃正逐步增加。其中，由中國(guó)工程院院士呂志濤教授指導(dǎo)，東南大學(xué)成立了FRP專項(xiàng)研究課題專家組。同時(shí)，研究者們通過(guò)借鑒日本和美國(guó)等其他國(guó)家的先進(jìn)生產(chǎn)知識(shí)和企業(yè)廠家技術(shù)，對(duì)使用FRP材料做筋材的結(jié)構(gòu)支座處理、力學(xué)性能的時(shí)間性影響進(jìn)行了深入分析。FRP筋材的實(shí)際工程結(jié)構(gòu)，如：斜拉索橋，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，還有加固改造的，進(jìn)行學(xué)習(xí)研究，做了大量研究工作。我國(guó)FRP筋應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)的實(shí)例還很少。2004年，由東南大學(xué)設(shè)計(jì)的國(guó)內(nèi)第一座CFRP拉索斜拉橋在江蘇鎮(zhèn)江落成。

3.結(jié)論

纖維增強(qiáng)聚合物（FRP）耐腐蝕能力強(qiáng)，將是替代鋼材的最佳選擇。近些年來(lái)的試驗(yàn)和研究以表明，高性能纖維產(chǎn)品是加強(qiáng)和改善混凝土結(jié)構(gòu)的一種新的優(yōu)良材料[3]。不論是新建、修補(bǔ)還是補(bǔ)強(qiáng)工程，可大幅提高結(jié)構(gòu)可靠度和壽命。日本關(guān)于FRP研究較成熟，歐洲和美國(guó)也在FRP材料使用研究等方面的規(guī)范上，做了大量的實(shí)驗(yàn)研究，以便制定有效可行的規(guī)范。中國(guó)在FRP材料方面的研究起步稍晚，初期發(fā)展較慢，目前已經(jīng)進(jìn)行了不少試驗(yàn)研究。隨著研究的深入和不斷成熟，我們認(rèn)識(shí)到FRP憑借高強(qiáng)耐腐蝕等優(yōu)良性能，成為可以取代和增強(qiáng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，鋼木結(jié)構(gòu)，以及砌體結(jié)構(gòu)等合適之選，是新時(shí)代發(fā)展的產(chǎn)物，得到各國(guó)研究者的深入研究探討。

參考文獻(xiàn)：

[1]馮大斌.我國(guó)鋼筋及預(yù)應(yīng)力工程技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展方向[J].施工技術(shù)，2002：7.

[2]胡永曉.預(yù)應(yīng)力FRP筋受彎構(gòu)件非線性有限元分析[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2007.

[3]呂志濤.新世紀(jì)混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)新材料的挑戰(zhàn)[C].中國(guó)首屆纖維增強(qiáng)塑料（FRP）混凝土結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)交流會(huì)議論文集，2000-06.