CFRP筋混凝土研究综述★

李剑锋 陈刚 彭艺刚 江世永 叶泳 何让鹏

(1.军事医学科学院院务部，北京 100850;2.成都军区政治部办公室，四川成都 610011;3.广州军区建设工程质量监督总站，广东广州 510075;4.后勤工程学院训练部，重庆 401311;5.总后建筑工程规划设计研究院武汉分院，湖北武汉 430012)

1 CFRP筋材料特性

CFRP 筋总体上具备以下优点［1，2］:1)抗拉强度高，CFRP 筋的抗拉强度是钢筋的5倍～10倍;2)无磁性，CFRP筋具有良好的透波性和非磁性，可应用于特殊要求的领域，比如地震观察台和海军潜艇基地;3)耐腐蚀性能好，纤维和树脂材料本身都具有极强的抗腐蚀性，因此在腐蚀性的环境中，CFRP筋的耐久性要远远优于普通钢筋;4)弹性模量高于其他纤维筋材料;5)密度小，其密度约为钢筋的1/4，有利于减轻结构自重。

根据以上优点，CFRP筋在土木工程领域不仅可以应用于全无磁建筑或建筑物加固，还可以用于以下方面［3］:

1)海洋工程的应用。由于海水具有极强的腐蚀能力，因此海洋基础设施防腐尤为重要。2)岩土工程中的应用。CFRP筋的抗拉强度高，但抗剪、抗扭强度约为抗拉强度的10%，故CFRP筋在岩土工程中既可以利用其高强度又可利用其弱抗剪性能，便于后期铲除岩土中的筋材。3)特殊工程中的应用。CFRP筋轻质高强及耐腐蚀性好，在各种特殊工程中能得到很好的应用。如盐厂、化工厂等，还可以用于有机物含量较多或腐蚀性较强的深井、地下室和隧道等。

2 非预应力FRP筋混凝土受弯构件研究现状

国外专家学者 C.Barris，R.Masmoudi，Hall.T，Abdalla.T.A，Yost.T.R等人进行了大量非预应力FRP筋混凝土受弯构件试验研究，试验结果表明，FRP混凝土梁的挠度是相同配筋的钢筋混凝土梁的3倍～4倍，且裂缝宽度也大于钢筋混凝土梁。

国内学者高丹盈等［9-12］进行了非预应力FRP筋混凝土梁方面的试验，结果表明，非预应力梁裂缝宽度大，且脆性破坏。唐小林等人［13］针对1根钢筋混凝土梁和4根CFRP筋混凝土梁进行了试验对比，结果表明，虽然CFRP筋混凝土梁承载力较高，但挠度大于相同配筋的普通钢筋混凝土梁。李加贵［14］、李炳宏等人［15］通过对CFRP筋混凝土梁与普通钢筋混凝土梁作对比试验，结果表明，FRP配筋梁比普通钢筋混凝土梁裂缝宽度大，挠度也明显发展更快。

因此，FRP筋应用于非预应力混凝土结构时，就不能按照普通钢筋混凝土梁界限配筋率法进行设计，而应根据其满足正常使用状态进行计算配筋。FRP筋的强度得不到发挥，导致材料浪费。而施加预应力后，FRP筋对梁的预压力能有效限制刚度的降低和裂缝的发展，且FRP筋的高强度特性也可以得到充分利用。综上所述，FRP筋比较适宜应用于预应力混凝土领域。

3 预应力FRP筋混凝土结构研究现状

3.1 国外预应力FRP筋混凝土梁研究

Rizkalla.S等［16］研究了预应力碳纤维筋混凝土梁的抗弯性能，结果表明，当梁的破坏由受压区混凝土被压碎控制时，预应力CFRP筋混凝土梁的极限变形和预应力钢筋混凝土梁相当，而当梁的破坏由CFRP筋断裂控制时，梁的极限变形则低于相应的预应力钢筋混凝土梁。Stoll.F等［17］对CFRP筋预应力混凝土梁进行了相关的试验研究，以混凝土强度和预应力水平为变量，结果显示，预应力CFRP筋的断裂引起了梁的最终的破坏，且破坏前有明显的预兆。

3.2 国内预应力FRP 筋混凝土梁研究

薛伟辰和张雷忠［18，19］对预应力梁的受弯性能及破坏过程进行了研究，通过改变受拉区非预应力筋的种类和预应力筋的数量对新型FRP筋预应力混凝土梁进行试验，结果表明:针对有粘结预应力FRP筋混凝土梁的极限承载力和正截面抗裂度的计算均可参照预应力钢筋混凝土规范，但截面界限受压区高度的正确取值问题需要重新考虑。

薛伟辰等通过6根梁试件的单调加载静力试验，对有粘结预应力CFRP筋混凝土梁的受力过程、抗弯承载力、位移延性、变形特性和破坏形态等进行了研究，并利用ANSYS工程分析软件对试验梁进行了非线性有限元分析。结果表明:按配筋率的不同，梁试件的破坏模式分为受拉破坏和受压破坏两种;预应力碳纤维筋混凝土梁受力性能良好，具有较大的位移延性和变形能力;随着张拉控制应力和配筋率的提高，有粘结预应力CFRP筋混凝土梁的位移延性有所降低;与非预应力配筋为钢筋的梁试件相比，玻璃纤维塑料筋梁的位移延性和变形能力较低。

湖南大学杨剑进行了16根先张预应力T形截面梁试验研究，试验考虑的主要参数为预应力筋类型、混凝土种类、预应力筋粘结方式、张拉控制应力、预应力度、梁高跨比和翼缘宽等。试验表明，配置CFRP筋的部分粘结、部分预应力梁有较好的延性性能和变形能力。在相同的荷载作用下，完全粘结梁的应力增量大于部分粘结梁的应力增量;在相同的应力增量下，部分粘结预应力梁比完全粘结预应力梁具有更大的变形能力。

张鹏进行了18根部分粘结部分预应力CFRP筋混凝土梁的试验研究，变化参数为预应力度及预应力筋无粘结长度与试件净跨之比。试验结果表明:当无粘结长度小于两加载点距离时，极限承载力和CFRP筋极限应力为定值，且对每一个预应力度值跨中挠度基本是常数;当无粘结部分超出两加载点时，预应力筋极限应力随无粘结长度的增加而降低，降低的比例随预应力度的降低而减少。

4 结语

总结国内外研究现状我们发现非预应力FRP筋混凝土受弯构件在应用中存在两个问题。1)纤维筋的高强度特性不能得到充分发挥，当混凝土达到极限压应变的时候纤维筋还未达到极限强度。2)受弯构件在正常使用阶段的工作性能如梁裂缝和挠度均得不到有效限制，同时，国内外众多学者停留在混合配筋的矩形梁试验，对纵筋和箍筋均采用CFRP筋尚无研究，采用T形截面预应力碳纤维筋，既利用了碳纤维筋高强度特性，还可以改善FRP筋混凝土梁的正常使用阶段的工作性能。

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