FRP筋混凝土梁研究現狀

馮　肖，葛文杰，陳　坦，王必元

FRP筋混凝土梁研究現狀

馮肖，葛文杰，陳坦，王必元

（揚州大學建筑科學與工程學院，江蘇揚州225127）

FRP筋具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，同時具有抗拉強度高、疲勞性能優(yōu)、徐變松弛性能好等優(yōu)良力學性能，適用于替代普通鋼筋和預應力鋼筋用于腐蝕環(huán)境和特殊工程。介紹了FRP筋的力學性能及其與混凝土、纖維混凝土的粘結性能，并對FRP筋梁、FRP筋與鋼筋混合配筋梁、FRP金屬復合筋梁、ECC-FRP筋混凝土復合梁的國內外研究現狀進行了總結。

FRP筋；力學性能；混凝土；粘結性能；受彎梁

FRP筋的特點是密度小、抗拉強度高、疲勞性能優(yōu)良、耐銹蝕等?？蓪RP筋作為預應力筋或加強筋配置于混凝土結構體內或體外，用于工程結構的加固和維修。為了提高大跨度橋梁的跨越能力，可將FRP筋用于懸索橋和斜拉橋。與鋼筋相比，FRP筋應用于惡劣環(huán)境中不易被腐蝕，因而在新建建筑和已有建筑的加固改造中擁有廣闊的應用前景。

1　FRP筋的國內外研究現狀

1.1FRP筋材料特點

FRP筋因種類不同，其性能也略有不同，但有很多共性。關于其材料性能，國內外許多學者進行過研究和總結［1-4］。與普通鋼筋相比，其主要優(yōu)點為：

順纖維方向抗拉強度高：FRP筋的抗拉強度遠高于普通鋼筋，甚至高于高強鋼絲。CFRP筋的抗拉強度一般在1500～2400 MPa，高的可達到3700 MPa。

密度小：FRP筋的密度僅為鋼筋的16%～25%，應用FRP筋可以減輕結構自重，方便施工。

耐腐蝕性能好：由于纖維和粘結材料的耐腐蝕特性遠大于鋼筋，因而在腐蝕環(huán)境中FRP筋的耐久性大大高于鋼筋。值得注意的是，因FRP筋種類和環(huán)境的不同，其耐久性也各有不同。例如，GFRP筋在堿性環(huán)境下工作6個月后，其抗拉強度將會降低25%。AFRP筋在潮濕的環(huán)境下會因為吸水而膨脹，可吸收最多達自身質量8%的水。

抗疲勞性能優(yōu)良：與鋼筋相比，AFRP筋與CFRP筋的抗疲勞特性更加顯著，雖然GFRP筋的抗疲勞性能不如鋼筋，但也能夠滿足結構抗疲勞要求。

電磁絕緣性好：對于一些例如雷達站等有特殊使用要求的建筑，應用非磁性的FRP筋代替鋼筋，可以避免鋼筋對整個結構的電磁場產生不利于使用的影響。

此外，AFRP筋和GFRP筋具有低傳熱性和低導電性，可滿足對傳熱和導電有特殊要求的場合使用。

普通鋼筋和3種主要FRP筋的密度和主要力學參數對比見表1，通過對比可以發(fā)現FRP筋的諸多優(yōu)點。

表1　普通鋼筋和3種主要FRP筋的性能對比

1.2FRP筋與普通混凝土的粘結

FRP筋與混凝土之間的粘結力主要包括機械咬合力、摩擦力和化學膠粘力。乙烯基樹脂、環(huán)氧樹脂等有機高分子材料是常用的基體材料，其玻璃化溫度僅為60～130℃［5］。在高溫下，樹脂容易軟化和分解，其對纖維絲的粘結作用會相應降低，FRP筋的抗剪性能和FRP筋與混凝土之間的粘結性能也會急劇下降，進而影響FRP筋與混凝土之間的組合工作。

在常溫下，FRP筋表面硬度和抗剪強度略低于混凝土，粘結破壞一般以FRP筋表面肋被削弱或剪切破壞為主。在常溫下，FRP筋與混凝土之間的粘結破壞模式主要有3種：FRP筋與混凝土間的界面剪切破壞、混凝土的縱向劈裂破壞和FRP筋內部的界面剪切破壞。當溫度升高到60℃后，環(huán)氧樹脂由玻璃態(tài)變?yōu)橄鹉z態(tài)，FRP內部主筋與噴砂層間的抗剪性能急劇降低，FRP主筋與噴砂層間的界面剝離破壞是高溫下粘結破壞的主要形式［6］。

1.3FRP筋與纖維混凝土的粘結

陳劍［7］研究了GFRP筋在纖維自密實混凝土與普通自密實混凝土中的粘結滑移性能，結果表明，添加了聚丙烯長纖維的混凝土，GFRP筋與基體的極限粘結應力顯著提高，極限粘結應力對應的滑移值有所增加，粘結滑移性能也得到相應改善。畢巧巍［8］研究了BFRP筋與玄武巖纖維混凝土的粘結錨固性能，結果表明，提高混凝土強度、縮短錨固長度和減小纖維筋直徑均可以增強粘結強度。Maalej［9］的數值模擬表明，由于FRP材料的有效利用，ECC確實可以被用來延遲剝離。這些積極的結論證明了纖維混凝土和FRP的結合使用具有可行性，二者結合可以用來修復和加強惡化的鋼筋混凝土結構。

1.4FRP筋的耐久性

濕熱環(huán)境會影響GFRP筋的力學性能，但對CFRP筋力學性能的影響卻很小。GFRP筋的彈性模量、抗拉強度、極限應變經過濕熱老化試驗后均有不同程度的下降。王曉璐和查曉雄［3］進行了高溫下直徑為8 mm的GFRP筋拉伸試驗，結果表明，在10～500℃時，GFRP筋的極限強度和彈性模量隨著溫度升高而衰減。

由于振搗不佳和引氣劑的使用等原因形成了混凝土內部的無數微小孔隙，孔隙內的溶液呈高堿性［10］。王偉等［11］將碳纖維絞線（CFCC）筋和GFRP筋在60℃堿溶液環(huán)境中進行的耐久性加速實驗，結果表明：CFCC筋的耐堿性能優(yōu)于GFRP筋，在堿性環(huán)境中CFCC筋的延展性有降低趨勢。GFRP筋經堿環(huán)境侵蝕后內部孔隙率上升，從而導致纖維界面破壞與基體開裂，降低纖維之間的傳力性能，引起抗拉強度的降低。

混凝土結構經常在除冰鹽和海洋環(huán)境中工作，研究FRP筋在鹽環(huán)境下的耐久性具有重要意義。Kim等［12］將GFRP筋浸于濃度為4%的CaCl2溶液和濃度為3%的NaCl溶液中研究其性能變化，結果表明，FRP筋在鹽溶液侵蝕下纖維表面的羽化現象較弱，基體與纖維間的粘結性能變化不大。Chen等［10］將GFRP筋浸泡在人工模擬不同溫度的海水環(huán)境中70 d后，在40℃和60℃海水環(huán)境中GFRP筋的抗拉強度分別下降了2%、26%。

2　FRP筋梁和混合筋梁研究現狀

作為彈性體，FRP筋具有受拉達到極限強度時突然斷裂的性質，若將其用于普通混凝土梁，會因為沒有屈服點和塑性階段而脆性破壞，若將FRP筋和鋼筋配合使用，則會起到不同的效果。在結構設計中，分析FRP筋梁和混合筋梁在荷載作用下的彎曲性能和破壞機理具有重要意義。

2.1FRP筋梁研究現狀

與普通鋼筋混凝土梁相比，FRP筋混凝土梁破壞時是脆性破壞，其撓度變化較大，裂縫開展較快。但是，FRP筋混凝土梁在破壞之前，已經出現了較明顯的彎曲變形。設計時可以利用FRP筋的變形增加梁破壞時的延性，減少破壞瞬間的不安全性。Mohamed和Masmoudi［13］對4根普通鋼筋梁和6根FRP筋梁進行了荷載測試，結果表明，使用FRP筋約束的梁在強度和延展性方面有顯著地增強。通過對蠕變效應的研究，Hamed和Bradford［14］發(fā)現，蠕變會引起內力和界面應力在粘結接口隨時間顯著地再分配，這一發(fā)現應該在FRP構件的設計中應充分考慮。

CFRP筋和GFRP筋的極限變形相差較大，楊健［15］將二者以一定比例混合作為受力筋進行混凝土梁受壓實驗，結果表明：混合FRP筋混凝土梁的破壞模式明顯區(qū)別于普通FRP筋混凝土梁的破壞模式，在CFRP筋斷裂后，梁會出現二次剛度，隨后，梁的變形明顯增大，破壞前征兆非常明顯。利用混合配筋的方法，可以增大梁的變形能力，且承載力在剛度轉折點之后會繼續(xù)增加，梁的延性和安全性顯著提高。

對于BFRP筋混凝土梁，由于BFRP筋彈性模量小，在荷載不大的情況下會產生較大的撓度和裂縫寬度，導致受壓區(qū)混凝土較早被壓碎破壞，承載力較低。而BFRP筋沒有充分發(fā)揮其抗拉強度［16］。提高BFRP筋混凝土梁的配筋率，可以減小撓度，使變形性能得到改善。因而在正常使用條件下，為了滿足撓度要求，可以將BFRP筋混凝土梁設計為超筋梁。

2.2FRP筋與鋼筋混合配筋梁研究現狀

將耐腐蝕的FRP筋置于截面角區(qū)或下排，把易銹蝕的鋼筋置于內部或上排形成混合配筋梁，通過控制FRP筋和鋼筋的相對比例，使梁具有較大的剛度及較好的延性。因具有良好的耐腐蝕性能，構件的使用壽命可以得到延長［17］。陳輝［18］對24組FRP筋混凝土拉拔試件和10根鋼筋與GFRP筋混合配筋混凝土受彎構件進行了試驗研究，結果表明，當截面筋比相近時，混合配筋構件的延性隨著截面總配筋率的增大而減??；當截面總配筋率不變時，混合配筋構件的延性隨著截面筋比的增大而降低，且兩者近似成線性關系；當混合配筋受彎構件在適配筋時，為了使延性滿足現行結構抗震設計規(guī)范要求，可通過合理控制好截面筋比來實現。張曉亮和屈文?。?9］制作了6根混合配筋混凝土梁、3根鋼筋混凝土梁和3根GFRP筋梁進行抗剪實驗。結果表明，縱筋的軸向剛度可以影響混合配筋混凝土梁的抗剪承載力，剛度越大則其抗剪承載力越高。鋼筋與FRP筋剛度比對混合配筋梁的抗剪性能影響較小。如果GFRP筋和鋼筋粘結性能相近，那么有效配筋率相同的GFRP筋梁、混合配筋混凝土梁和鋼筋混凝土梁有相近的抗剪承載力。

葛文杰等［20］推導出了可供工程設計參考的FRP筋和鋼筋混合配筋增強混凝土適筋梁正截面受彎承載力建議公式，其計算值與實測值較好吻合，可供工程設計參考；在承載能力要求較高且撓度控制較低時，為了充分利用材料的強度，建議使用混合配筋混凝土梁；為使梁的延性性能滿足設計要求，可以通過控制FRP筋和鋼筋的配筋面積比與混合配筋梁的配筋率來實現。

2.3FRP金屬復合筋梁國內外研究現狀

GFRP/鋼絞線復合筋梁的破壞模式主要由其配筋率決定。不同配筋率的GFRP/鋼絞線復合筋混凝土梁的破壞形式主要有受壓區(qū)混凝土的壓碎和GFRP/鋼絞線復合筋的斷裂2種?；炷亮簤核槠茐木邆浞浅Ｃ黠@的預兆，即混凝土梁被壓碎以前變形較大，裂縫寬度也較大，是理想的破壞形式［21］。趙科和李趁趁［22］通過分析指出，FRP筋屈服和延性的關鍵是部分連續(xù)纖維斷裂、產生沖擊能量和造成裂紋發(fā)展時，FRP筋承載能力的大小。而FRP-鋼復合筋屈服和延性的關鍵是FRP與鋼之間界面粘結的可靠性。鋼的形狀對維持FRP與鋼界面粘結起關鍵作用，而部分纖維的斷裂和環(huán)境老化等因素也對FRP與鋼粘結界面的可靠性產生較大的影響。

3　ECC-FRP筋混凝土復合梁研究現狀

FRP筋彈性模量較低，與配置相同受拉縱筋面積的鋼筋混凝土梁相比，FRP筋梁表現出更大的撓度和更寬的裂縫寬度。ECC（Engineered Cementitious Composite，工程用水泥基復合材料）受拉時表現出與金屬材料類似的偽硬化特征，非線性變形非常明顯，韌性優(yōu)良且能量吸收能力較大。與傳統水泥基材料相比，克服了其在拉應力作用下的軟化性能，且具有多重微細裂紋穩(wěn)態(tài)開裂的特點。Maalej和Li VC［23］提出使用超高韌性水泥基復合材料（ECC）代替圍繞縱向受拉鋼筋的部分混凝土（如圖1所示），并進行了ECC增強RC復合梁的試驗研究。結果表明，與普通RC梁相比，ECC增強RC復合梁在承載能力和變形能力方面有一定的提高，但幅度較??；但在使用狀態(tài)即鋼筋屈服前，裂縫寬度小于0.05 mm，為普通RC梁的1/5。馮乃謙等［24］認為，當裂縫寬度小于0.05 mm時對防水、防腐蝕與承重的影響均可忽略不計，ECC-FRP筋混凝土復合梁受拉區(qū)形成的多而密的細裂縫模式，可延緩侵蝕性汽體、液體對縱向受拉縱筋的腐蝕，提高結構的耐久性。

圖1　FRP筋ECC-RC復合受彎梁示意

4　結語

鑒于FRP筋造價高、韌性差和不易固定等諸多弊端，在未來可預見時間里，鋼筋與混凝土仍將是主體材料。但在某些特殊工程以及工程的特殊部位，用FRP筋代替鋼筋混凝土，不僅可以顯著降低工程施工難度，而且能夠節(jié)約工程整體造價，對實現社會經濟效益和推動建筑工程新發(fā)展具有重要意義。

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Current study status of FRP reinforced concrete beams

FENG Xiao，GE Wenjie，CHEN Tan，WANG Biyuan
（College of Civil Science Engineering，Yangzhou University，Yangzhou 225127，Jiangsu，China）

FRP bars have excellent behaviors，such as corrosion resistance，high tensile strength，excellent fatigue properties，good creep relaxation properties and many other excellent mechanical properties.So，it is an alternative to normal steel bars and prestressed steel bars in corrosive environments and other special projects.The mechanical behaviors of FRP bars and its bond behavior with concrete and fiber reinforced concrete were introduced，current research status of concrete beams reinforced with FRP bars，concrete beams hybrid reinforced with FRP bars and steel bars，concrete beams reinforced with FRP-steel composite bars and ECC-RC composite beams reinforced with FRP bars were introduced in his paper.

FRP bars，mechanical properties，concrete，adhesion properties，concrete beam flexural

TU528.572

A

1001-702X（2015）12-0048-04

國家自然科學基金項目（51308490）；江蘇省自然科學基金項目（BK20130450）；住房和城鄉(xiāng)建設部科學技術計劃項目（2013-K4-17）；江蘇省高校自然科學基金項目（13KJB560015）；揚州市科技計劃項目（2012149）

2015-07-19；

2015-08-22

馮肖，男，1993年生，江蘇徐州人，碩士研究生。