FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)延性及受力性能的研究

王麗麗 馮皓辰 劉慧

摘要：混凝土結(jié)構(gòu)極易開裂，其在惡劣環(huán)境中的耐久性問題一直是研究領(lǐng)域中的重點。為此，國內(nèi)外學(xué)者研發(fā)了纖維增強復(fù)合材料FRP，并將其應(yīng)用到混凝土結(jié)構(gòu)中，可以有效的提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。本文在討論了這種FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)延性的基礎(chǔ)上，利用ANSYS分析了不同配筋方案下的受力性能，以便為以后的研究分析提供參考。

關(guān)鍵詞：FRP筋混凝土 延性 受力性能

1.概論

混凝土的開裂及耐久性是混凝土結(jié)構(gòu)研究一直是混凝土研究領(lǐng)域重大課題，而惡劣環(huán)境中混凝土的耐久性問題尤為突出。在侵蝕性環(huán)境中，如經(jīng)冰鹽處理后的橋梁結(jié)構(gòu)、沿海建筑、化工廠房等，鋼筋銹蝕引起鋼筋截面減小使其與混凝土的粘結(jié)性能降低，混凝土沿鋼筋長度方向開裂，其耐久性降低，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)失效。因此，混凝土結(jié)構(gòu)在侵蝕性環(huán)境中的耐久性問題一直是土木工程領(lǐng)域備受關(guān)注的問題。

資料表明，在美國，鋼筋銹蝕導(dǎo)致近1/4的鐵路與公路橋嚴(yán)重破壞，修復(fù)這些橋梁需投入近400億美元；在歐洲，每年因鋼筋銹蝕導(dǎo)致的經(jīng)濟損失約15億美元；在英國，海洋工程中鋼筋銹蝕導(dǎo)致近三分之一的混凝土結(jié)構(gòu)需要重建；我國的情況亦不樂觀，2003年的中國腐蝕調(diào)查報告表明，我國每年因腐蝕造成的損失近5000億元，其中建筑行業(yè)大約為1000億元，占全國年腐蝕損失的1/5，約占全國GDP的1.2%，而我國工業(yè)建筑中鋼筋的銹蝕更為普遍，調(diào)查結(jié)果表明多數(shù)工業(yè)建筑均達不到設(shè)計使用耐久年限。

為此，國內(nèi)外學(xué)者經(jīng)過半個世紀(jì)的研究和探索，研發(fā)了纖維增強復(fù)合材料（Fiber Reinforced Plastic，簡稱FRP），F(xiàn)RP是將纖維植入基體而形成的各向異性復(fù)合材料。FRP材料是由纖維、基體、添加劑等按適當(dāng)比例混合并經(jīng)特定的加工工藝而成的高性能復(fù)合材料。其中，纖維為骨架材料，起傳遞及承擔(dān)荷載的作用，基體起粘結(jié)作用，并使其具有一定的可塑性。因FRP具有抗拉強度高（約為鋼筋的10-15倍）、重量輕（約為同等直徑鋼筋的1/15-1/17）、免銹蝕、熱膨脹系數(shù)與混凝土相近等特點，該材料的出現(xiàn)為克服鋼筋銹蝕、提高混凝土的耐久性提供了理想途徑。在橋梁工程中，F(xiàn)RP筋作為大跨度橋梁的拉索，因其自重小，對提高梁的跨越能力有顯著效果。而對于海洋工程、地錨錨桿等處于惡劣環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)，F(xiàn)RP筋具有更為廣闊的應(yīng)用前景[1]。

2. FRP筋混凝土的延性

FRP筋的線彈性、強度高、彈模低等特點使得FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)的受力性能有別與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。為了在實際工程中更好的應(yīng)用FRP筋，對配有FRP筋的混凝土結(jié)構(gòu)不僅需要研究其受力性能，對其延性性能也需進行研究。

延性是指結(jié)構(gòu)、構(gòu)件和材料在荷載作用或者其他間接作用下，破壞前承載力不降低或沒有顯著降低時所承受塑性變形的能力[2]。因而延性包含兩個方面：①非彈性變形能力，而且要求強度不會因發(fā)生非彈性變形而下降；②吸收能量的能力。

延性差的結(jié)構(gòu)后期變形能力小，設(shè)計時需盡量避免結(jié)構(gòu)在達到最大承載力后，突然發(fā)生脆性破壞。

由文獻[3]給出的彎矩-曲率曲線圖可知，F(xiàn)RP筋混凝土梁在破壞時發(fā)生了較大的變形，但并不意味著它具有很好的能量吸收能力，原因在于FRP筋為線彈性材料，梁在加載后所產(chǎn)生的變形在卸載時會恢復(fù)。從彎矩–曲率曲線上觀察，加載曲線與卸載曲線所包圍的面積較小，這說明FRP筋混凝土梁的能量吸收能力較差。

3. 預(yù)應(yīng)力FRP筋混凝土的受力性能

預(yù)應(yīng)力FRP筋混凝土連續(xù)梁是FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)中的重要構(gòu)件。國內(nèi)外學(xué)者對預(yù)應(yīng)力FRP混凝土的研究多集中在簡支梁上，連續(xù)梁的研究較少。所以，本文采用有限元軟件ANSYS對預(yù)應(yīng)力CFRP筋混凝土連續(xù)梁進行在單調(diào)靜力荷載作用下的受力性能進行非線性有限元分析，預(yù)應(yīng)力采用降溫法施加，研究只配置預(yù)應(yīng)力CFRP筋的梁Y1和有一定非預(yù)應(yīng)力筋梁Y2在加載過程中各特征荷載、CFRP筋的極限應(yīng)力、變化情況及其受力性能。

Y-1組中梁的編號分別為h-1、h-2，Y-2組梁中梁a-1、a-2的CFRP筋配筋率不同，其受力過程中各特征荷載如表1。

表1 Y-1和Y2組梁的特征荷載

注：Pcr——開裂荷載；Py——受拉非預(yù)應(yīng)力鋼筋屈服荷載；Pu——極限荷載；σfu——CFRP筋的極限應(yīng)力；εu——梁破壞時混凝土受壓邊緣的壓應(yīng)變；σfy——受拉非預(yù)應(yīng)力鋼筋屈服時，CFRP筋的應(yīng)力；

由極限狀態(tài)時CFRP筋的應(yīng)力及混凝土受壓邊緣的壓應(yīng)變，可以明確判斷梁h-1、h-2的破壞過程分別如下：

梁h-1：拉區(qū)混凝土首先開裂，混凝土受壓區(qū)的應(yīng)變隨荷載的增大而持續(xù)增長直至極限壓應(yīng)變，梁的CFRP筋配筋率較大，最終因混凝土受壓邊緣壓碎而破壞，破壞時CFRP筋未屈服；

梁h-2：拉區(qū)混凝土首先開裂，隨著荷載的增大，中和軸不斷上移，最后CFRP筋屈服。梁的CFRP筋配筋率較小，所以梁的破壞源于CFRP筋拉斷，破壞時混凝土受壓邊緣的壓應(yīng)變未達到極限值。

可見，預(yù)應(yīng)力CFRP筋混凝土連續(xù)梁有兩種破壞模式，配筋率較大時，梁因混凝土受壓邊緣壓碎而破壞；配筋率較小時，梁的破壞源于CFRP筋拉斷。梁a-1、a-2破壞過程相同，均是受拉區(qū)混凝土先開裂，之后受拉非預(yù)應(yīng)力鋼筋屈服，最后受壓區(qū)混凝土達到極限壓應(yīng)變而破壞，破壞時CFRP筋均未屈服。

參考文獻：

[1]朱虹，錢洋.工程結(jié)構(gòu)用FRP筋的力學(xué)性能[N].建筑科學(xué)與工程學(xué)報，2006，23（3）：27-30.

[2]陳肇元.土建結(jié)構(gòu)工程的安全性與耐久性[M].北京： 中國建筑工業(yè)出版社，2003.

[3]嚴(yán)錦秀.預(yù)應(yīng)力FRP混凝土受彎構(gòu)件延性和變形性能分析[D].武漢： 武漢理工大學(xué)， 2009-10.