FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)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(xiàn)代土木工程中不可或缺的建筑材料，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為世界上應用最主要的建筑結(jié)構(gòu)。但是長期以來，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jīng)成功進行了很多FRP筋混凝土的研究和應用。在國內(nèi)，香港大學最先對FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)展開研究，隨后國家工業(yè)建筑診斷與改造技術(shù)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(jié)構(gòu)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(jīng)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(jié)，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(jié)構(gòu)的特性取決于材料的性能，F(xiàn)RP筋混凝土構(gòu)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(gòu)件以下的不同：

1)由于FRP筋輕質(zhì)高強，耐腐蝕造成了FRP筋結(jié)構(gòu)比鋼筋結(jié)構(gòu)輕，耐腐蝕性能強;

2)FRP筋較鋼筋彈性模量小，造成了FRP筋結(jié)構(gòu)要比鋼筋結(jié)構(gòu)有著更大的撓度;

3)FRP筋與混凝土的粘結(jié)性能不及鋼筋，造成了FRP筋結(jié)構(gòu)比鋼筋結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)易發(fā)生脆性破壞;

5)FRP筋為非磁性材料，F(xiàn)RP筋可用于醫(yī)療設(shè)備及雷達站等對磁性有要求的結(jié)構(gòu)中。

2 FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)性能研究現(xiàn)狀

2.1 國外研究現(xiàn)狀

在錨固粘結(jié)方面，最早在1987年Chapman和Pshah首先對FRP筋的錨固粘結(jié)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(jié)滑移進行了比較分析，提出了早期FRP筋粘結(jié)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(jié)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(jié)強度，得出203 mm的錨固長度可以使筋達到極限強度，沿著結(jié)構(gòu)全長范圍內(nèi)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(jié)構(gòu)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(jié)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(jié)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(jié)構(gòu)耐久性方面上，Uomoto[6]對GFRP筋的耐久性能進行了試驗研究，結(jié)果表明：酸性環(huán)境中的GFRP在溫度達到80 ℃才會退化；經(jīng)紫外線暴曬3年的GFRP筋強度僅僅下降了1%～19%；經(jīng)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(jié)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(nèi)研究現(xiàn)狀

在錨固粘結(jié)方面，20世紀90年代，薛偉辰[8]對FRP筋與混凝土的粘結(jié)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(jié)果的影響。在此基礎(chǔ)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(jié)性能進行了中心拉拔試驗和梁式試驗，研究結(jié)果表明:FRP筋與混凝土的粘結(jié)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(jié)強度決定了FRP筋材料的粘結(jié)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(jié)構(gòu)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，F(xiàn)RP筋梁撓度為同等配筋率的鋼筋混凝土梁的2倍～3倍的結(jié)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(jié)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(jié)構(gòu)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(jié)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(jīng)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(jié)與展望

目前國內(nèi)外對于FRP筋及FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)方面已經(jīng)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(gòu)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。