馮　肖，葛文杰，陳　坦，王必元

FRP筋混凝土梁研究現(xiàn)狀

馮肖，葛文杰，陳坦，王必元

（揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州225127）

FRP筋具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，同時(shí)具有抗拉強(qiáng)度高、疲勞性能優(yōu)、徐變松弛性能好等優(yōu)良力學(xué)性能，適用于替代普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼筋用于腐蝕環(huán)境和特殊工程。介紹了FRP筋的力學(xué)性能及其與混凝土、纖維混凝土的粘結(jié)性能，并對(duì)FRP筋梁、FRP筋與鋼筋混合配筋梁、FRP金屬?gòu)?fù)合筋梁、ECC-FRP筋混凝土復(fù)合梁的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)。

FRP筋；力學(xué)性能；混凝土；粘結(jié)性能；受彎梁

FRP筋的特點(diǎn)是密度小、抗拉強(qiáng)度高、疲勞性能優(yōu)良、耐銹蝕等。可將FRP筋作為預(yù)應(yīng)力筋或加強(qiáng)筋配置于混凝土結(jié)構(gòu)體內(nèi)或體外，用于工程結(jié)構(gòu)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，F(xiàn)RP筋應(yīng)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(yīng)用前景。

1　FRP筋的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1FRP筋材料特點(diǎn)

FRP筋因種類不同，其性能也略有不同，但有很多共性。關(guān)于其材料性能，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行過(guò)研究和總結(jié)［1-4］。與普通鋼筋相比，其主要優(yōu)點(diǎn)為：

順纖維方向抗拉強(qiáng)度高：FRP筋的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)高于普通鋼筋，甚至高于高強(qiáng)鋼絲。CFRP筋的抗拉強(qiáng)度一般在1500～2400 MPa，高的可達(dá)到3700 MPa。

密度?。篎RP筋的密度僅為鋼筋的16%～25%，應(yīng)用FRP筋可以減輕結(jié)構(gòu)自重，方便施工。

耐腐蝕性能好：由于纖維和粘結(jié)材料的耐腐蝕特性遠(yuǎn)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(gè)月后，其抗拉強(qiáng)度將會(huì)降低25%。AFRP筋在潮濕的環(huán)境下會(huì)因?yàn)槲蛎?，可吸收最多達(dá)自身質(zhì)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(jié)構(gòu)抗疲勞要求。

電磁絕緣性好：對(duì)于一些例如雷達(dá)站等有特殊使用要求的建筑，應(yīng)用非磁性的FRP筋代替鋼筋，可以避免鋼筋對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的電磁場(chǎng)產(chǎn)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(dǎo)電性，可滿足對(duì)傳熱和導(dǎo)電有特殊要求的場(chǎng)合使用。

普通鋼筋和3種主要FRP筋的密度和主要力學(xué)參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1，通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)FRP筋的諸多優(yōu)點(diǎn)。

表1　普通鋼筋和3種主要FRP筋的性能對(duì)比

1.2FRP筋與普通混凝土的粘結(jié)

FRP筋與混凝土之間的粘結(jié)力主要包括機(jī)械咬合力、摩擦力和化學(xué)膠粘力。乙烯基樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂等有機(jī)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(shù)脂容易軟化和分解，其對(duì)纖維絲的粘結(jié)作用會(huì)相應(yīng)降低，F(xiàn)RP筋的抗剪性能和FRP筋與混凝土之間的粘結(jié)性能也會(huì)急劇下降，進(jìn)而影響FRP筋與混凝土之間的組合工作。

在常溫下，F(xiàn)RP筋表面硬度和抗剪強(qiáng)度略低于混凝土，粘結(jié)破壞一般以FRP筋表面肋被削弱或剪切破壞為主。在常溫下，F(xiàn)RP筋與混凝土之間的粘結(jié)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(nèi)部的界面剪切破壞。當(dāng)溫度升高到60℃后，環(huán)氧樹(shù)脂由玻璃態(tài)變?yōu)橄鹉z態(tài)，F(xiàn)RP內(nèi)部主筋與噴砂層間的抗剪性能急劇降低，F(xiàn)RP主筋與噴砂層間的界面剝離破壞是高溫下粘結(jié)破壞的主要形式［6］。

1.3FRP筋與纖維混凝土的粘結(jié)

陳劍［7］研究了GFRP筋在纖維自密實(shí)混凝土與普通自密實(shí)混凝土中的粘結(jié)滑移性能，結(jié)果表明，添加了聚丙烯長(zhǎng)纖維的混凝土，GFRP筋與基體的極限粘結(jié)應(yīng)力顯著提高，極限粘結(jié)應(yīng)力對(duì)應(yīng)的滑移值有所增加，粘結(jié)滑移性能也得到相應(yīng)改善。畢巧?。?］研究了BFRP筋與玄武巖纖維混凝土的粘結(jié)錨固性能，結(jié)果表明，提高混凝土強(qiáng)度、縮短錨固長(zhǎng)度和減小纖維筋直徑均可以增強(qiáng)粘結(jié)強(qiáng)度。Maalej［9］的數(shù)值模擬表明，由于FRP材料的有效利用，ECC確實(shí)可以被用來(lái)延遲剝離。這些積極的結(jié)論證明了纖維混凝土和FRP的結(jié)合使用具有可行性，二者結(jié)合可以用來(lái)修復(fù)和加強(qiáng)惡化的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

1.4FRP筋的耐久性

濕熱環(huán)境會(huì)影響GFRP筋的力學(xué)性能，但對(duì)CFRP筋力學(xué)性能的影響卻很小。GFRP筋的彈性模量、抗拉強(qiáng)度、極限應(yīng)變經(jīng)過(guò)濕熱老化試驗(yàn)后均有不同程度的下降。王曉璐和查曉雄［3］進(jìn)行了高溫下直徑為8 mm的GFRP筋拉伸試驗(yàn)，結(jié)果表明，在10～500℃時(shí)，GFRP筋的極限強(qiáng)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(nèi)部的無(wú)數(shù)微小孔隙，孔隙內(nèi)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(jìn)行的耐久性加速實(shí)驗(yàn)，結(jié)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(shì)。GFRP筋經(jīng)堿環(huán)境侵蝕后內(nèi)部孔隙率上升，從而導(dǎo)致纖維界面破壞與基體開(kāi)裂，降低纖維之間的傳力性能，引起抗拉強(qiáng)度的降低。

混凝土結(jié)構(gòu)經(jīng)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(jié)果表明，F(xiàn)RP筋在鹽溶液侵蝕下纖維表面的羽化現(xiàn)象較弱，基體與纖維間的粘結(jié)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(qiáng)度分別下降了2%、26%。

2　FRP筋梁和混合筋梁研究現(xiàn)狀

作為彈性體，F(xiàn)RP筋具有受拉達(dá)到極限強(qiáng)度時(shí)突然斷裂的性質(zhì)，若將其用于普通混凝土梁，會(huì)因?yàn)闆](méi)有屈服點(diǎn)和塑性階段而脆性破壞，若將FRP筋和鋼筋配合使用，則會(huì)起到不同的效果。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jī)理具有重要意義。

2.1FRP筋梁研究現(xiàn)狀

與普通鋼筋混凝土梁相比，F(xiàn)RP筋混凝土梁破壞時(shí)是脆性破壞，其撓度變化較大，裂縫開(kāi)展較快。但是，F(xiàn)RP筋混凝土梁在破壞之前，已經(jīng)出現(xiàn)了較明顯的彎曲變形。設(shè)計(jì)時(shí)可以利用FRP筋的變形增加梁破壞時(shí)的延性，減少破壞瞬間的不安全性。Mohamed和Masmoudi［13］對(duì)4根普通鋼筋梁和6根FRP筋梁進(jìn)行了荷載測(cè)試，結(jié)果表明，使用FRP筋約束的梁在強(qiáng)度和延展性方面有顯著地增強(qiáng)。通過(guò)對(duì)蠕變效應(yīng)的研究，Hamed和Bradford［14］發(fā)現(xiàn)，蠕變會(huì)引起內(nèi)力和界面應(yīng)力在粘結(jié)接口隨時(shí)間顯著地再分配，這一發(fā)現(xiàn)應(yīng)該在FRP構(gòu)件的設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮。

CFRP筋和GFRP筋的極限變形相差較大，楊?。?5］將二者以一定比例混合作為受力筋進(jìn)行混凝土梁受壓實(shí)驗(yàn)，結(jié)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(huì)出現(xiàn)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(zhuǎn)折點(diǎn)之后會(huì)繼續(xù)增加，梁的延性和安全性顯著提高。

對(duì)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(huì)產(chǎn)生較大的撓度和裂縫寬度，導(dǎo)致受壓區(qū)混凝土較早被壓碎破壞，承載力較低。而B(niǎo)FRP筋沒(méi)有充分發(fā)揮其抗拉強(qiáng)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(shè)計(jì)為超筋梁。

2.2FRP筋與鋼筋混合配筋梁研究現(xiàn)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(nèi)部或上排形成混合配筋梁，通過(guò)控制FRP筋和鋼筋的相對(duì)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(gòu)件的使用壽命可以得到延長(zhǎng)［17］。陳輝［18］對(duì)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(gòu)件進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，當(dāng)截面筋比相近時(shí)，混合配筋構(gòu)件的延性隨著截面總配筋率的增大而減??；當(dāng)截面總配筋率不變時(shí)，混合配筋構(gòu)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(guān)系；當(dāng)混合配筋受彎構(gòu)件在適配筋時(shí)，為了使延性滿足現(xiàn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范要求，可通過(guò)合理控制好截面筋比來(lái)實(shí)現(xiàn)。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(jìn)行抗剪實(shí)驗(yàn)。結(jié)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(duì)混合配筋梁的抗剪性能影響較小。如果GFRP筋和鋼筋粘結(jié)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(dǎo)出了可供工程設(shè)計(jì)參考的FRP筋和鋼筋混合配筋增強(qiáng)混凝土適筋梁正截面受彎承載力建議公式，其計(jì)算值與實(shí)測(cè)值較好吻合，可供工程設(shè)計(jì)參考；在承載能力要求較高且撓度控制較低時(shí)，為了充分利用材料的強(qiáng)度，建議使用混合配筋混凝土梁；為使梁的延性性能滿足設(shè)計(jì)要求，可以通過(guò)控制FRP筋和鋼筋的配筋面積比與混合配筋梁的配筋率來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.3FRP金屬?gòu)?fù)合筋梁國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

GFRP/鋼絞線復(fù)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(fù)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(fù)合筋的斷裂2種?；炷亮簤核槠茐木邆浞浅Ｃ黠@的預(yù)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(guò)分析指出，F(xiàn)RP筋屈服和延性的關(guān)鍵是部分連續(xù)纖維斷裂、產(chǎn)生沖擊能量和造成裂紋發(fā)展時(shí)，F(xiàn)RP筋承載能力的大小。而FRP-鋼復(fù)合筋屈服和延性的關(guān)鍵是FRP與鋼之間界面粘結(jié)的可靠性。鋼的形狀對(duì)維持FRP與鋼界面粘結(jié)起關(guān)鍵作用，而部分纖維的斷裂和環(huán)境老化等因素也對(duì)FRP與鋼粘結(jié)界面的可靠性產(chǎn)生較大的影響。

3　ECC-FRP筋混凝土復(fù)合梁研究現(xiàn)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，F(xiàn)RP筋梁表現(xiàn)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(fù)合材料）受拉時(shí)表現(xiàn)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(tǒng)水泥基材料相比，克服了其在拉應(yīng)力作用下的軟化性能，且具有多重微細(xì)裂紋穩(wěn)態(tài)開(kāi)裂的特點(diǎn)。Maalej和Li VC［23］提出使用超高韌性水泥基復(fù)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(jìn)行了ECC增強(qiáng)RC復(fù)合梁的試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，與普通RC梁相比，ECC增強(qiáng)RC復(fù)合梁在承載能力和變形能力方面有一定的提高，但幅度較小；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(rèn)為，當(dāng)裂縫寬度小于0.05 mm時(shí)對(duì)防水、防腐蝕與承重的影響均可忽略不計(jì)，ECC-FRP筋混凝土復(fù)合梁受拉區(qū)形成的多而密的細(xì)裂縫模式，可延緩侵蝕性汽體、液體對(duì)縱向受拉縱筋的腐蝕，提高結(jié)構(gòu)的耐久性。

圖1　FRP筋ECC-RC復(fù)合受彎梁示意

4　結(jié)語(yǔ)

鑒于FRP筋造價(jià)高、韌性差和不易固定等諸多弊端，在未來(lái)可預(yù)見(jiàn)時(shí)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(jià)，對(duì)實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益和推動(dòng)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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51308490）；江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（BK20130450）；住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科學(xué)技術(shù)計(jì)劃項(xiàng)目（2013-K4-17）；江蘇省高校自然科學(xué)基金項(xiàng)目（13KJB560015）；揚(yáng)州市科技計(jì)劃項(xiàng)目（2012149）

2015-07-19；

2015-08-22

馮肖，男，1993年生，江蘇徐州人，碩士研究生。