FRP筋混凝土结构延性及受力性能的研究

王丽丽 冯皓辰 刘慧

摘要：混凝土结构极易开裂，其在恶劣环境中的耐久性问题一直是研究领域中的重点。为此，国内外学者研发了纤维增强复合材料FRP，并将其应用到混凝土结构中，可以有效的提高混凝土结构的耐久性。本文在讨论了这种FRP筋混凝土结构延性的基础上，利用ANSYS分析了不同配筋方案下的受力性能，以便为以后的研究分析提供参考。

关键词：FRP筋混凝土 延性 受力性能

1.概论

混凝土的开裂及耐久性是混凝土结构研究一直是混凝土研究领域重大课题，而恶劣环境中混凝土的耐久性问题尤为突出。在侵蚀性环境中，如经冰盐处理后的桥梁结构、沿海建筑、化工厂房等，钢筋锈蚀引起钢筋截面减小使其与混凝土的粘结性能降低，混凝土沿钢筋长度方向开裂，其耐久性降低，最终导致结构在设计基准期内失效。因此，混凝土结构在侵蚀性环境中的耐久性问题一直是土木工程领域备受关注的问题。

资料表明，在美国，钢筋锈蚀导致近1/4的铁路与公路桥严重破坏，修复这些桥梁需投入近400亿美元；在欧洲，每年因钢筋锈蚀导致的经济损失约15亿美元；在英国，海洋工程中钢筋锈蚀导致近三分之一的混凝土结构需要重建；我国的情况亦不乐观，2003年的中国腐蚀调查报告表明，我国每年因腐蚀造成的损失近5000亿元，其中建筑行业大约为1000亿元，占全国年腐蚀损失的1/5，约占全国GDP的1.2%，而我国工业建筑中钢筋的锈蚀更为普遍，调查结果表明多数工业建筑均达不到设计使用耐久年限。

为此，国内外学者经过半个世纪的研究和探索，研发了纤维增强复合材料（Fiber Reinforced Plastic，简称FRP），FRP是将纤维植入基体而形成的各向异性复合材料。FRP材料是由纤维、基体、添加剂等按适当比例混合并经特定的加工工艺而成的高性能复合材料。其中，纤维为骨架材料，起传递及承担荷载的作用，基体起粘结作用，并使其具有一定的可塑性。因FRP具有抗拉强度高（约为钢筋的10-15倍）、重量轻（约为同等直径钢筋的1/15-1/17）、免锈蚀、热膨胀系数与混凝土相近等特点，该材料的出现为克服钢筋锈蚀、提高混凝土的耐久性提供了理想途径。在桥梁工程中，FRP筋作为大跨度桥梁的拉索，因其自重小，对提高梁的跨越能力有显著效果。而对于海洋工程、地锚锚杆等处于恶劣环境下的混凝土结构，FRP筋具有更为广阔的应用前景[1]。

2. FRP筋混凝土的延性

FRP筋的线弹性、强度高、弹模低等特点使得FRP筋混凝土结构的受力性能有别与钢筋混凝土结构。为了在实际工程中更好的应用FRP筋，对配有FRP筋的混凝土结构不仅需要研究其受力性能，对其延性性能也需进行研究。

延性是指结构、构件和材料在荷载作用或者其他间接作用下，破坏前承载力不降低或没有显著降低时所承受塑性变形的能力[2]。因而延性包含两个方面：①非弹性变形能力，而且要求强度不会因发生非弹性变形而下降；②吸收能量的能力。

延性差的结构后期变形能力小，设计时需尽量避免结构在达到最大承载力后，突然发生脆性破坏。

由文献[3]给出的弯矩-曲率曲线图可知，FRP筋混凝土梁在破坏时发生了较大的变形，但并不意味着它具有很好的能量吸收能力，原因在于FRP筋为线弹性材料，梁在加载后所产生的变形在卸载时会恢复。从弯矩–曲率曲线上观察，加载曲线与卸载曲线所包围的面积较小，这说明FRP筋混凝土梁的能量吸收能力较差。

3. 预应力FRP筋混凝土的受力性能

预应力FRP筋混凝土连续梁是FRP筋混凝土结构中的重要构件。国内外学者对预应力FRP混凝土的研究多集中在简支梁上，连续梁的研究较少。所以，本文采用有限元软件ANSYS对预应力CFRP筋混凝土连续梁进行在单调静力荷载作用下的受力性能进行非线性有限元分析，预应力采用降温法施加，研究只配置预应力CFRP筋的梁Y1和有一定非预应力筋梁Y2在加载过程中各特征荷载、CFRP筋的极限应力、变化情况及其受力性能。

Y-1组中梁的编号分别为h-1、h-2，Y-2组梁中梁a-1、a-2的CFRP筋配筋率不同，其受力过程中各特征荷载如表1。

表1 Y-1和Y2组梁的特征荷载

注：Pcr——开裂荷载；Py——受拉非预应力钢筋屈服荷载；Pu——极限荷载；σfu——CFRP筋的极限应力；εu——梁破坏时混凝土受压边缘的压应变；σfy——受拉非预应力钢筋屈服时，CFRP筋的应力；

由极限状态时CFRP筋的应力及混凝土受压边缘的压应变，可以明确判断梁h-1、h-2的破坏过程分别如下：

梁h-1：拉区混凝土首先开裂，混凝土受压区的应变随荷载的增大而持续增长直至极限压应变，梁的CFRP筋配筋率较大，最终因混凝土受压边缘压碎而破坏，破坏时CFRP筋未屈服；

梁h-2：拉区混凝土首先开裂，随着荷载的增大，中和轴不断上移，最后CFRP筋屈服。梁的CFRP筋配筋率较小，所以梁的破坏源于CFRP筋拉断，破坏时混凝土受压边缘的压应变未达到极限值。

可见，预应力CFRP筋混凝土连续梁有两种破坏模式，配筋率较大时，梁因混凝土受压边缘压碎而破坏；配筋率较小时，梁的破坏源于CFRP筋拉断。梁a-1、a-2破坏过程相同，均是受拉区混凝土先开裂，之后受拉非预应力钢筋屈服，最后受压区混凝土达到极限压应变而破坏，破坏时CFRP筋均未屈服。

参考文献：

[1]朱虹，钱洋.工程结构用FRP筋的力学性能[N].建筑科学与工程学报，2006，23（3）：27-30.

[2]陈肇元.土建结构工程的安全性与耐久性[M].北京： 中国建筑工业出版社，2003.

[3]严锦秀.预应力FRP混凝土受弯构件延性和变形性能分析[D].武汉： 武汉理工大学， 2009-10.