FRP筋混凝土结构性能研究进展★

迟文科 孔祥清 于 洋 章文姣

(辽宁工业大学土木建筑工程学院，辽宁 锦州 121001)

0 引言

混凝土是现代土木工程中不可或缺的建筑材料，钢筋混凝土结构已经成为世界上应用最主要的建筑结构。但是长期以来，钢筋混凝土结构由于钢筋锈蚀，造成其耐久性的问题。为了克服钢筋混凝土结构中钢筋腐蚀的缺点，自1980年以来，中外学者提出了在混凝土结构中用FRP筋代替钢筋的方法。纤维增强聚合物筋具有强度高、重量轻等优点，尤其是其耐腐蚀的特点可使其广泛应用于海洋工程等含氯化物的环境中。目前国外已经成功进行了很多FRP筋混凝土的研究和应用。在国内，香港大学最先对FRP筋混凝土结构展开研究，随后国家工业建筑诊断与改造技术研究中心、东南大学、同济大学、在FRP筋混凝土梁的抗弯性能等方面展开了不同程度的研究。

1 FRP筋结构特点

FRP筋是有多股连续纤维通过聚酰胺树脂、聚乙烯树脂、环氧树脂等基地材料进行胶合后，经过特制的模具挤压并拉拔成型是为了增强与混凝土的粘结，一般在表面缠绕纤维束形成肋或粘砂。目前用于建筑工程的主要有玻璃纤维(GFRP)筋、芳纶纤维(AFRP)筋、碳纤维(CFRP)筋和玄武岩纤维(BFRP)筋四种。FRP筋作为一种新型的材料与钢筋相比，有抗拉强度高、耐腐蚀、密度小、重量轻、电磁绝缘性好等优点，但同时又具有弹性模量低、抗剪强度低、极限延伸率低等一些缺点。

结构的特性取决于材料的性能，FRP筋混凝土构件因为FRP筋材料性能与钢筋的不同造成了与钢筋混凝土构件以下的不同：

1)由于FRP筋轻质高强，耐腐蚀造成了FRP筋结构比钢筋结构轻，耐腐蚀性能强;

2)FRP筋较钢筋弹性模量小，造成了FRP筋结构要比钢筋结构有着更大的挠度;

3)FRP筋与混凝土的粘结性能不及钢筋，造成了FRP筋结构比钢筋结构在相同荷载下有更大的裂缝间距和裂缝宽度;

4)FRP筋为脆性材料，造成了FRP筋结构易发生脆性破坏;

5)FRP筋为非磁性材料，FRP筋可用于医疗设备及雷达站等对磁性有要求的结构中。

2 FRP筋混凝土结构性能研究现状

2.1 国外研究现状

在锚固粘结方面，最早在1987年Chapman和Pshah首先对FRP筋的锚固粘结强度进行了研究，利用中心拉拔试验，探讨了埋置深度和养护时间分别对光圆和螺纹FRP筋的粘结滑移进行了比较分析，提出了早期FRP筋粘结强度计算公式[1]。Pleimann等[2]展开了大量的FRP筋混凝土中心拔出试验，建议了FRP筋的锚固粘结长度计算公式。Vicki等[3]通过对30根混凝土梁进行试验，研究FRP筋与混凝土的粘结强度，得出203 mm的锚固长度可以使筋达到极限强度，沿着结构全长范围内配置剪切箍筋，大于475 mm的锚固长度对筋达到极限强度是满足的。

在FRP筋结构受力性能方面，Abdalla[4]对6根FRP筋混凝土梁进行了抗弯试验研究，结果表明由于弹性模量比钢筋低很多，挠度要比钢筋混凝土梁大3倍～4倍。Elgabbas等[5]考虑无箍筋、BFRP筋箍筋以及钢筋箍筋三种因素进行了混凝土梁抗弯试验研究，研究结果表明：BFRP筋箍筋梁当加载达到极限承载力的90%～96%时，梁发生剪切破坏；无箍筋混凝土梁当荷载达到极限荷载的55%～58%时发生剪切破坏；而钢筋箍筋混凝土梁最终破坏状态为弯曲破坏。

在FRP筋结构耐久性方面上，Uomoto[6]对GFRP筋的耐久性能进行了试验研究，结果表明：酸性环境中的GFRP在温度达到80 ℃才会退化；经紫外线暴晒3年的GFRP筋强度仅仅下降了1%～19%；经过三百多次的冻融循环后的GFRP筋强度仅仅下降了8%；当温度小于350 ℃时，GFRP筋的强度降低最大为25%。Clarke等[7]对GFRP筋进行了加速腐蚀试验，试验结果表明：在强碱环境中，GFRP筋的抗拉刚度仅仅下降了20%。

2.2 国内研究现状

在锚固粘结方面，20世纪90年代，薛伟辰[8]对FRP筋与混凝土的粘结性能展开了试验探索研究，得出了中心拉拔和梁式试验两种方式对试验结果的影响。在此基础上，薛伟辰等[9]又分别对FRP筋和普通混凝土、纤维混凝土以及水泥浆之间的锚固粘结性能进行了中心拉拔试验和梁式试验，研究结果表明:FRP筋与混凝土的粘结性能仅为钢筋与混凝土的6%左右，纤维塑胶与表面外缠肋之间的粘结强度决定了FRP筋材料的粘结强度。随后高丹盈[10]考虑混凝土强度、锚固长度以及FRP筋直径对FRP筋和混凝土分别进行了中心拉拔试验和梁式试验研究，提出了FRP筋锚固长度计算公式。

在FRP筋结构受力性能方面，高丹盈等[11]考虑FRP筋类型及配筋率两种因素进行了FRP筋混凝土梁的抗弯性能试验，得出了FRP筋梁的抗弯性能随着配筋率的提高而增大，FRP筋梁挠度为同等配筋率的钢筋混凝土梁的2倍～3倍的结论。曾德光[12]考虑不同的配筋率和纤维筋类型对9根纤维混凝土梁进行了抗弯试验研究，研究结果表明：梁的极限荷载随着配筋率的提高而提高，而裂缝宽度随着配筋率的提高而减小。卢俊坤[13]研究了不同强度的海砂混凝土梁的抗弯性能，得出混凝土强度越高，BFRP筋强度的利用率越大。

在FRP筋结构耐久性方面上，周长东等[14]对GFRP筋在火灾下的力学性能进行了试验研究，结果表明，GFRP筋的弹性模量随着温度的提高而降低，极限温度为270 ℃。当温度下降到190 ℃时，GFRP筋材料性能有所恢复。并且建议取230 ℃为GFRP筋的抗拉强度为极限强度。任慧韬[15]将GFRP筋和CFRP筋进行100次冻融循环试验。每次循环时间为3 h高低温度控制在-17 ℃和8 ℃。经过100次冻融循环后，GFRP筋和CFRP筋的拉伸强度、极限应变均有所下降，但是弹性模量变化不明显。

3 总结与展望

目前国内外对于FRP筋及FRP筋混凝土结构方面已经取得了较丰富的研究成果，但是由于FRP筋材料弹性模量低和线性变形特征使其受弯构件在正常使用状态下具有刚度小、挠度大、裂缝宽以及脆性破坏的特征，这些缺点限制了其在工程实际中的进一步应用与发展。