预应力FRP筋国内外发展及应用现状研究

李晓东 王丽丽 汪君锐

摘要：钢筋混凝土仍是当今土建建筑中的主要材料，在国内外已建、在建、改建的建筑结构中，钢筋的锈蚀问题给结构的稳定性带来了极大的困扰。近些年来的试验和研究以表明，高性能纤维增强聚合物（FRP）是加强和改善混凝土结构的一种新的优良材料。其耐腐蚀能力强，将是替代钢材的最佳选择。

关键词：钢筋锈蚀 预应力FRP筋 研究现状

在我国的土建建筑中，主要采用的是钢筋混凝土结构。据有关部分的统计数据可知，截至2002年我国建筑结构中钢筋年消耗量达2500万吨，预应力筋年消耗量在35万吨左右[1]。然而在各种人为和自然因素的影响下，混凝土中钢筋的锈蚀已经成为威胁全世界混凝土结构耐久性的最主要灾害[2]。我国每年投入的公路桥梁、铁路桥梁、房建方面的资金较大，房建资料的调查研究中，显示截至2000年我国至少有23.4亿平方米的房屋建筑处于因结构内部钢筋的失效而承载力不足，成为可靠度不足的房屋。

随着建筑材料日新月异的发展，在钢筋的防锈工程中，研究者们找到了一些基本可以克服钢筋锈蚀问题的建筑材料，比如在钢筋表面刷特种防锈材料。但其中很有效的一种材料，近些年被重视起来，就是利用FRP材料（纤维增强塑料Fiber Reinforced Plastics）来取代钢筋。近年来，国内外学者已对这种材料的性能进行了较多的试验和工程应用研究，随着研究的深入和工程应用的增多，我们认识到FRP能凭借高强耐腐蚀等优良性能，成为可以取代和增强钢筋混凝土结构中钢筋的合适之选，从而减少由于钢筋锈蚀而引起的结构可靠度不足问题，这种材料是新时代发展的产物，得到各国研究者的深入研究探讨。

1.预应力FRP筋国外的发展及应用现状

日本是第一个把CFRP和AFRP筋应用到预应力混凝土中的国家，日本是一个拥有数目极多FRP项目的国家，早在1988年，就已经应用于桥梁、磁悬浮列车轨道，边坡防护、海港码头，边坡防护等等，在其建成的FRP筋混凝土桥梁中，有先张和后张法，全面的发展了FRP筋的理论和研究结果。表1中列出了几座典型的桥梁。

表1早年日本采用FRP筋建造的的几座典型的预应力混凝土桥梁

美国的FRP材料研究逐渐成熟，其土木工程师学会ASCE通过大量的实际工程和实验研究，制定了关于FRP筋的生产标准，包括设计和施工准则。同时，ACI（混凝土协会）也制定了相关的规范只对FRP材料的应用，其应用范围可以覆盖到普通增强混凝土、预应力结构、加固工程。FRP筋相关实验注意事项和材料的规格选取，其检测和材料学会也出台了相关标准。欧洲各国对FRP材料的研究开始于70年代，FRP筋材的发展也比较快，由于当时国内的大型机械制作公司，生产出了关于CFRP筋和GFRP筋的锚固器具，所以FRP筋材早年主要应用于预应力索桥。

2.预应力FRP筋国内发展概况

国内的FRP研究课题起步相对较晚，对其筋材和型材，以及应用到结构中的受力性能都有待研究，国内的一些知名大学，如同济大学、大连大学、东南大学等近些年来对FRP材料以及其结构应用做了深入的研究，而目前我国在FRP材料方面的应用主要集中在混凝土构建的加固和补强，也有部分相对完善的规范制定出来。如：《结构加固修复用粘贴树脂产品标准》、《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》、《结构加固修复用碳纤维片材产品标准》等，而随着FRP材料应用范围的扩大，各研究机构也在筹备编制针对FRP材料的标准规范。

国内关于FRP材料的研究，成立了专门的纤维增强材料及其工程应用委员会。成员主要来自各研究机构和知名大学，并在同年，举行了首届“FRP材料混凝土结构学术会议”，收集了较多学术成果，发布论文集。然后再美丽的沿海城市青岛，召开了委员会会议。讨论研究制定FRP增强材料相关规范。2002年7月，第二届“土木工程用FRP材料应用技术学术交流会”在昆明召开。逐渐增加的学术会议大大促进了FRP材料方面的理论研究和学术交流，进而促使纤维增强复合材料持续高速、全面的在土建领域发展应用。

近年来，我国高校和相关研究中心，如东南大学，同济大学，清华大学以及国家建筑诊断和研究中心都在FRP应用领域进行了深入的探索。关于FRP材料应用到建筑方面的各项国家重点实验项目和研究计划正逐步增加。其中，由中国工程院院士吕志涛教授指导，东南大学成立了FRP专项研究课题专家组。同时，研究者们通过借鉴日本和美国等其他国家的先进生产知识和企业厂家技术，对使用FRP材料做筋材的结构支座处理、力学性能的时间性影响进行了深入分析。FRP筋材的实际工程结构，如：斜拉索桥，预应力混凝土结构，还有加固改造的，进行学习研究，做了大量研究工作。我国FRP筋应用于混凝土结构的实例还很少。2004年，由东南大学设计的国内第一座CFRP拉索斜拉桥在江苏镇江落成。

3.结论

纤维增强聚合物（FRP）耐腐蚀能力强，将是替代钢材的最佳选择。近些年来的试验和研究以表明，高性能纤维产品是加强和改善混凝土结构的一种新的优良材料[3]。不论是新建、修补还是补强工程，可大幅提高结构可靠度和寿命。日本关于FRP研究较成熟，欧洲和美国也在FRP材料使用研究等方面的规范上，做了大量的实验研究，以便制定有效可行的规范。中国在FRP材料方面的研究起步稍晚，初期发展较慢，目前已经进行了不少试验研究。随着研究的深入和不断成熟，我们认识到FRP凭借高强耐腐蚀等优良性能，成为可以取代和增强钢筋混凝土结构，钢木结构，以及砌体结构等合适之选，是新时代发展的产物，得到各国研究者的深入研究探讨。

参考文献：

[1]冯大斌.我国钢筋及预应力工程技术现状与发展方向[J].施工技术，2002：7.

[2]胡永晓.预应力FRP筋受弯构件非线性有限元分析[D].武汉：武汉理工大学，2007.

[3]吕志涛.新世纪混凝土结构对新材料的挑战[C].中国首届纤维增强塑料（FRP）混凝土结构学术交流会议论文集，2000-06.