FRP筋混凝土梁研究现状

冯　肖，葛文杰，陈　坦，王必元

FRP筋混凝土梁研究现状

冯肖，葛文杰，陈坦，王必元

（扬州大学建筑科学与工程学院，江苏扬州225127）

FRP筋具有优异的耐腐蚀性能，同时具有抗拉强度高、疲劳性能优、徐变松弛性能好等优良力学性能，适用于替代普通钢筋和预应力钢筋用于腐蚀环境和特殊工程。介绍了FRP筋的力学性能及其与混凝土、纤维混凝土的粘结性能，并对FRP筋梁、FRP筋与钢筋混合配筋梁、FRP金属复合筋梁、ECC-FRP筋混凝土复合梁的国内外研究现状进行了总结。

FRP筋；力学性能；混凝土；粘结性能；受弯梁

FRP筋的特点是密度小、抗拉强度高、疲劳性能优良、耐锈蚀等。可将FRP筋作为预应力筋或加强筋配置于混凝土结构体内或体外，用于工程结构的加固和维修。为了提高大跨度桥梁的跨越能力，可将FRP筋用于悬索桥和斜拉桥。与钢筋相比，FRP筋应用于恶劣环境中不易被腐蚀，因而在新建建筑和已有建筑的加固改造中拥有广阔的应用前景。

1　FRP筋的国内外研究现状

1.1FRP筋材料特点

FRP筋因种类不同，其性能也略有不同，但有很多共性。关于其材料性能，国内外许多学者进行过研究和总结［1-4］。与普通钢筋相比，其主要优点为：

顺纤维方向抗拉强度高：FRP筋的抗拉强度远高于普通钢筋，甚至高于高强钢丝。CFRP筋的抗拉强度一般在1500～2400 MPa，高的可达到3700 MPa。

密度小：FRP筋的密度仅为钢筋的16%～25%，应用FRP筋可以减轻结构自重，方便施工。

耐腐蚀性能好：由于纤维和粘结材料的耐腐蚀特性远大于钢筋，因而在腐蚀环境中FRP筋的耐久性大大高于钢筋。值得注意的是，因FRP筋种类和环境的不同，其耐久性也各有不同。例如，GFRP筋在碱性环境下工作6个月后，其抗拉强度将会降低25%。AFRP筋在潮湿的环境下会因为吸水而膨胀，可吸收最多达自身质量8%的水。

抗疲劳性能优良：与钢筋相比，AFRP筋与CFRP筋的抗疲劳特性更加显著，虽然GFRP筋的抗疲劳性能不如钢筋，但也能够满足结构抗疲劳要求。

电磁绝缘性好：对于一些例如雷达站等有特殊使用要求的建筑，应用非磁性的FRP筋代替钢筋，可以避免钢筋对整个结构的电磁场产生不利于使用的影响。

此外，AFRP筋和GFRP筋具有低传热性和低导电性，可满足对传热和导电有特殊要求的场合使用。

普通钢筋和3种主要FRP筋的密度和主要力学参数对比见表1，通过对比可以发现FRP筋的诸多优点。

表1　普通钢筋和3种主要FRP筋的性能对比

1.2FRP筋与普通混凝土的粘结

FRP筋与混凝土之间的粘结力主要包括机械咬合力、摩擦力和化学胶粘力。乙烯基树脂、环氧树脂等有机高分子材料是常用的基体材料，其玻璃化温度仅为60～130℃［5］。在高温下，树脂容易软化和分解，其对纤维丝的粘结作用会相应降低，FRP筋的抗剪性能和FRP筋与混凝土之间的粘结性能也会急剧下降，进而影响FRP筋与混凝土之间的组合工作。

在常温下，FRP筋表面硬度和抗剪强度略低于混凝土，粘结破坏一般以FRP筋表面肋被削弱或剪切破坏为主。在常温下，FRP筋与混凝土之间的粘结破坏模式主要有3种：FRP筋与混凝土间的界面剪切破坏、混凝土的纵向劈裂破坏和FRP筋内部的界面剪切破坏。当温度升高到60℃后，环氧树脂由玻璃态变为橡胶态，FRP内部主筋与喷砂层间的抗剪性能急剧降低，FRP主筋与喷砂层间的界面剥离破坏是高温下粘结破坏的主要形式［6］。

1.3FRP筋与纤维混凝土的粘结

陈剑［7］研究了GFRP筋在纤维自密实混凝土与普通自密实混凝土中的粘结滑移性能，结果表明，添加了聚丙烯长纤维的混凝土，GFRP筋与基体的极限粘结应力显著提高，极限粘结应力对应的滑移值有所增加，粘结滑移性能也得到相应改善。毕巧巍［8］研究了BFRP筋与玄武岩纤维混凝土的粘结锚固性能，结果表明，提高混凝土强度、缩短锚固长度和减小纤维筋直径均可以增强粘结强度。Maalej［9］的数值模拟表明，由于FRP材料的有效利用，ECC确实可以被用来延迟剥离。这些积极的结论证明了纤维混凝土和FRP的结合使用具有可行性，二者结合可以用来修复和加强恶化的钢筋混凝土结构。

1.4FRP筋的耐久性

湿热环境会影响GFRP筋的力学性能，但对CFRP筋力学性能的影响却很小。GFRP筋的弹性模量、抗拉强度、极限应变经过湿热老化试验后均有不同程度的下降。王晓璐和查晓雄［3］进行了高温下直径为8 mm的GFRP筋拉伸试验，结果表明，在10～500℃时，GFRP筋的极限强度和弹性模量随着温度升高而衰减。

由于振捣不佳和引气剂的使用等原因形成了混凝土内部的无数微小孔隙，孔隙内的溶液呈高碱性［10］。王伟等［11］将碳纤维绞线（CFCC）筋和GFRP筋在60℃碱溶液环境中进行的耐久性加速实验，结果表明：CFCC筋的耐碱性能优于GFRP筋，在碱性环境中CFCC筋的延展性有降低趋势。GFRP筋经碱环境侵蚀后内部孔隙率上升，从而导致纤维界面破坏与基体开裂，降低纤维之间的传力性能，引起抗拉强度的降低。

混凝土结构经常在除冰盐和海洋环境中工作，研究FRP筋在盐环境下的耐久性具有重要意义。Kim等［12］将GFRP筋浸于浓度为4%的CaCl2溶液和浓度为3%的NaCl溶液中研究其性能变化，结果表明，FRP筋在盐溶液侵蚀下纤维表面的羽化现象较弱，基体与纤维间的粘结性能变化不大。Chen等［10］将GFRP筋浸泡在人工模拟不同温度的海水环境中70 d后，在40℃和60℃海水环境中GFRP筋的抗拉强度分别下降了2%、26%。

2　FRP筋梁和混合筋梁研究现状

作为弹性体，FRP筋具有受拉达到极限强度时突然断裂的性质，若将其用于普通混凝土梁，会因为没有屈服点和塑性阶段而脆性破坏，若将FRP筋和钢筋配合使用，则会起到不同的效果。在结构设计中，分析FRP筋梁和混合筋梁在荷载作用下的弯曲性能和破坏机理具有重要意义。

2.1FRP筋梁研究现状

与普通钢筋混凝土梁相比，FRP筋混凝土梁破坏时是脆性破坏，其挠度变化较大，裂缝开展较快。但是，FRP筋混凝土梁在破坏之前，已经出现了较明显的弯曲变形。设计时可以利用FRP筋的变形增加梁破坏时的延性，减少破坏瞬间的不安全性。Mohamed和Masmoudi［13］对4根普通钢筋梁和6根FRP筋梁进行了荷载测试，结果表明，使用FRP筋约束的梁在强度和延展性方面有显著地增强。通过对蠕变效应的研究，Hamed和Bradford［14］发现，蠕变会引起内力和界面应力在粘结接口随时间显著地再分配，这一发现应该在FRP构件的设计中应充分考虑。

CFRP筋和GFRP筋的极限变形相差较大，杨健［15］将二者以一定比例混合作为受力筋进行混凝土梁受压实验，结果表明：混合FRP筋混凝土梁的破坏模式明显区别于普通FRP筋混凝土梁的破坏模式，在CFRP筋断裂后，梁会出现二次刚度，随后，梁的变形明显增大，破坏前征兆非常明显。利用混合配筋的方法，可以增大梁的变形能力，且承载力在刚度转折点之后会继续增加，梁的延性和安全性显著提高。

对于BFRP筋混凝土梁，由于BFRP筋弹性模量小，在荷载不大的情况下会产生较大的挠度和裂缝宽度，导致受压区混凝土较早被压碎破坏，承载力较低。而BFRP筋没有充分发挥其抗拉强度［16］。提高BFRP筋混凝土梁的配筋率，可以减小挠度，使变形性能得到改善。因而在正常使用条件下，为了满足挠度要求，可以将BFRP筋混凝土梁设计为超筋梁。

2.2FRP筋与钢筋混合配筋梁研究现状

将耐腐蚀的FRP筋置于截面角区或下排，把易锈蚀的钢筋置于内部或上排形成混合配筋梁，通过控制FRP筋和钢筋的相对比例，使梁具有较大的刚度及较好的延性。因具有良好的耐腐蚀性能，构件的使用寿命可以得到延长［17］。陈辉［18］对24组FRP筋混凝土拉拔试件和10根钢筋与GFRP筋混合配筋混凝土受弯构件进行了试验研究，结果表明，当截面筋比相近时，混合配筋构件的延性随着截面总配筋率的增大而减小；当截面总配筋率不变时，混合配筋构件的延性随着截面筋比的增大而降低，且两者近似成线性关系；当混合配筋受弯构件在适配筋时，为了使延性满足现行结构抗震设计规范要求，可通过合理控制好截面筋比来实现。张晓亮和屈文俊［19］制作了6根混合配筋混凝土梁、3根钢筋混凝土梁和3根GFRP筋梁进行抗剪实验。结果表明，纵筋的轴向刚度可以影响混合配筋混凝土梁的抗剪承载力，刚度越大则其抗剪承载力越高。钢筋与FRP筋刚度比对混合配筋梁的抗剪性能影响较小。如果GFRP筋和钢筋粘结性能相近，那么有效配筋率相同的GFRP筋梁、混合配筋混凝土梁和钢筋混凝土梁有相近的抗剪承载力。

葛文杰等［20］推导出了可供工程设计参考的FRP筋和钢筋混合配筋增强混凝土适筋梁正截面受弯承载力建议公式，其计算值与实测值较好吻合，可供工程设计参考；在承载能力要求较高且挠度控制较低时，为了充分利用材料的强度，建议使用混合配筋混凝土梁；为使梁的延性性能满足设计要求，可以通过控制FRP筋和钢筋的配筋面积比与混合配筋梁的配筋率来实现。

2.3FRP金属复合筋梁国内外研究现状

GFRP/钢绞线复合筋梁的破坏模式主要由其配筋率决定。不同配筋率的GFRP/钢绞线复合筋混凝土梁的破坏形式主要有受压区混凝土的压碎和GFRP/钢绞线复合筋的断裂2种。混凝土梁压碎破坏具备非常明显的预兆，即混凝土梁被压碎以前变形较大，裂缝宽度也较大，是理想的破坏形式［21］。赵科和李趁趁［22］通过分析指出，FRP筋屈服和延性的关键是部分连续纤维断裂、产生冲击能量和造成裂纹发展时，FRP筋承载能力的大小。而FRP-钢复合筋屈服和延性的关键是FRP与钢之间界面粘结的可靠性。钢的形状对维持FRP与钢界面粘结起关键作用，而部分纤维的断裂和环境老化等因素也对FRP与钢粘结界面的可靠性产生较大的影响。

3　ECC-FRP筋混凝土复合梁研究现状

FRP筋弹性模量较低，与配置相同受拉纵筋面积的钢筋混凝土梁相比，FRP筋梁表现出更大的挠度和更宽的裂缝宽度。ECC（Engineered Cementitious Composite，工程用水泥基复合材料）受拉时表现出与金属材料类似的伪硬化特征，非线性变形非常明显，韧性优良且能量吸收能力较大。与传统水泥基材料相比，克服了其在拉应力作用下的软化性能，且具有多重微细裂纹稳态开裂的特点。Maalej和Li VC［23］提出使用超高韧性水泥基复合材料（ECC）代替围绕纵向受拉钢筋的部分混凝土（如图1所示），并进行了ECC增强RC复合梁的试验研究。结果表明，与普通RC梁相比，ECC增强RC复合梁在承载能力和变形能力方面有一定的提高，但幅度较小；但在使用状态即钢筋屈服前，裂缝宽度小于0.05 mm，为普通RC梁的1/5。冯乃谦等［24］认为，当裂缝宽度小于0.05 mm时对防水、防腐蚀与承重的影响均可忽略不计，ECC-FRP筋混凝土复合梁受拉区形成的多而密的细裂缝模式，可延缓侵蚀性汽体、液体对纵向受拉纵筋的腐蚀，提高结构的耐久性。

图1　FRP筋ECC-RC复合受弯梁示意

4　结语

鉴于FRP筋造价高、韧性差和不易固定等诸多弊端，在未来可预见时间里，钢筋与混凝土仍将是主体材料。但在某些特殊工程以及工程的特殊部位，用FRP筋代替钢筋混凝土，不仅可以显著降低工程施工难度，而且能够节约工程整体造价，对实现社会经济效益和推动建筑工程新发展具有重要意义。

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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

国家自然科学基金项目（51308490）；江苏省自然科学基金项目（BK20130450）；住房和城乡建设部科学技术计划项目（2013-K4-17）；江苏省高校自然科学基金项目（13KJB560015）；扬州市科技计划项目（2012149）

2015-07-19；

2015-08-22

冯肖，男，1993年生，江苏徐州人，硕士研究生。