拉擠玻璃鋼筋增強混凝土研究
1 前 言
由于在特種工程（如受海水、化學品浸蝕的工程海港碼頭、海堤、海防設施、海濱設施、化工廠生產車間、公路橋梁面板等）中鋼筋腐蝕問題非常突出，已嚴重影響到工程壽命，為此人們一直在努力尋找一種強度高、耐腐蝕的產品來代替鋼筋，拉擠玻璃鋼筋應運而生了。進入90年代以來，拉擠玻璃鋼筋的研究和應用成了熱點，美、日、法、英、德等國均進行了大量的研究，拉擠玻璃鋼筋的生產和應用已開始走向工業化和規?；?，而我國在這方面的研究還不多，工業化應用研究還很不系統、不深入。
拉擠玻璃鋼筋除具有優于金屬鋼筋的防腐性能外，還具有不導電、不導磁等優勢，因此它還可用于特殊的軍事設施和特殊的測試室（如核磁共振）的建設。
2 拉擠玻璃鋼筋的性能
2.1 鋼筋混凝土結構對鋼筋性能的要求
(1)強度
鋼筋的應力-應變曲線，有的有明顯的流幅，例如熱軋低碳鋼和普通熱軋低合金鋼所制成的鋼筋；有的則沒有明顯的流幅，例如高碳制成的鋼筋。進行鋼筋混凝土結構設計時鋼筋的強度選用值以鋼筋的屈服強度為主要依據（如無明顯流幅的鋼筋取它的σ0.2應力），常用的Ⅰ級熱軋鋼筋的強度標準值為235MPa。
(2)塑性
鋼筋的屈服強度、極限強度、伸長率和冷彎性能是施工單位驗收鋼筋是否合格的四個主要指標。之所以對鋼筋的塑性性能有較高的要求，是由于結構設計必須具有足夠的可靠性，如果鋼筋混凝土粱在破壞前沒有足夠的變形而不能給人們以預先警告，則極可能造成非常嚴重的后果。
(3)可焊性
這是解決鋼筋的連接問題所要求的性能，在一定的工藝條件下要求鋼筋焊接后不產生裂紋和過大的變形，保證焊接后的性能良好。
(4)能與混凝土協同工作
?、贋榱吮ＷC鋼筋與混凝土共同工作，兩者之間必須有足夠的粘結力，從而保證鋼筋與混凝土成為一個有機的整體。
混凝土拌合物中的水泥漿具有很強的膠結能力，它硬化后能將砂、石膠結起來形成堅固的混凝土實體，而且混凝土在固化過程中產生的收縮力以及鋼筋表面的粗糙不平或人為的彎鉤使混凝土能裹住鋼筋表面，與鋼筋緊緊粘結和咬合。這種粘結力和咬合力統稱“握裹力”。
握裹性能的強弱與混凝土強度、混凝土拌合物的干硬度、鋼筋的錨固長度和表面積大小、混凝上拌合物的搗實程度和養護狀況、鋼筋的分布情況等因素有關。尤其在很大程度上取決于鋼筋的表面狀態。
?、趦煞N材料的熱脹冷縮程度接近
鋼筋的線膨脹系數為12×10-6，混凝土是一種均質性較差的材料，性能波動大，線膨脹系數在10×10-6～15×l0-6之間的范圍內。由于這兩種材料的熱脹冷縮程度接近，所以當溫度變化時產生的內應力不會很大而可以協調地工作。
2.2 增強混凝土所需拉擠玻璃鋼的性能
(1)強度
玻璃鋼是脆性材料，與硬鋼的應力應變曲線的形式較為接近，但仍有不同，與軟鋼相比差異則較大。
以下是實測的一組性能數據：
拉伸強度≥600MPa
壓縮強度380～500MPa
彎曲強度450～600MPa
拉伸模量35～50GPa
密度1.9～2.0g/cm3
吸水率≤0.2%(重量比)
拉伸斷裂伸長0.8%～1.5%
從以上數據可以看出，拉擠玻璃鋼筋的強度值并不比鋼材低，但其彈性模量低，與混凝土結合在一起，其工作性能顯然不同于鋼筋混凝土，但其增強效果仍是明顯的。
(2)塑性
正如以上所述，拉擠玻璃鋼筋是脆性材料，不具備軟鋼所具有的良好塑性，但是不是因此就不能用于增強混凝土了呢?我們只要注意一下其極限應變值(約為0.012～0.017)，便不難知道其變形能力是良好的(混凝土的大可用應變值為0.003～0.004，鋼筋的極限應變約為0.01)，因此在拉擠玻璃鋼筋被拉斷之前會有較大的變形，若將之用于增強混凝土梁，完全可以給人以梁即將破壞的預警。所以我們有理由相信拉擠玻璃鋼筋完全可以用于增強混凝土結構。但設計時如何選用應力許可值則是需要深入探討的問題。
(3)可焊性
拉擠玻璃鋼筋的連接問題不能靠焊接來解決，但完全可以設計專用的接頭。兩根拉擠玻璃鋼筋需要連接時，可以通過接頭用綁扎的辦法將其連接起來。
(4)拉擠玻璃鋼筋能與混凝土協同工作
我們仍可從”握裹力”和熱脹冷縮性能兩個方面來分析。
①由于鋼筋與混凝土之間的握裹力的實質是混凝土中的水泥具有的膠結力、混凝土在硬化過程中產生的收縮力、鋼筋表面粗糙不平而造成的機械咬合和鋼筋端部彎起而形成的咬合力，不難理解拉擠玻璃鋼筋與混凝土之間一定具有同樣好的握裹力。鋼筋有光圓鋼筋和螺紋鋼筋之分，拉擠玻璃鋼筋也有拉擠光圓和螺紋玻璃鋼筋兩種。
②聚酯玻璃鋼在室溫下的平均線膨脹系數為19×10-6，由于拉擠玻璃鋼筋的纖維含量較高，而且主要為單向纖維，因此其線膨脹系數應小于普通聚酯玻璃鋼的線膨脹系數（中堿玻璃纖維的線膨脹系數為7．2×10-6，而聚酯澆鑄體的線膨脹系數為80×10-6～100×10-6)。應當說這是與混凝土的線膨脹系數相近的。
綜上所述拉擠玻璃鋼筋完全可以用于增強混凝土結構，但它特有的材料性能使得我們不能簡單地套用鋼筋混凝土結構的設計理論來設計拉擠玻璃鋼筋增強混凝土結構。下面將給出鋼筋混凝土構件和拉擠玻璃鋼筋混凝土構件的彎矩-曲率關系的一個對照。
3 拉擠玻璃鋼筋混凝土構件的彎矩-曲率關系
3.1 基本假定
在確定截面的軸力-彎矩-曲率（N-M-φ)關系時考慮下列假定：
?、倨浇孛婕俣ǎ航孛娴膽兎植际冀K符合平截面假定；
?、阡摻畹膽?應變關系采用（圖1）
④拉擠玻璃鋼筋的應力-應變關系采用
ε≤ε0 σ=E1.ε
⑤不考慮剪切變形的影響。
3.2 主軸向受力矩形截面的條帶劃分
為了對截面的彎矩-曲率關系進行數值計算，必須把截面劃分成許多條帶，并假定各小條帶上的應力為均勻分布，其值可根據該條帶中心處的應變按材料的應力-應變關系計算。
3.3 彎矩-曲率關系曲線計算
欲求某一軸力下的M-φ關系曲線，其具體步驟如下：
(1）給定一曲率φ；
(2）假定某一規定條帶如受壓邊緣條帶處的應變ε0；
(3）依平截面假定求出各條帶的應變ε；
(4）根據應力應變關系求對應于應變ε的應力σ；
(5）把各條帶的內力總和加起來，檢驗是否滿足截面的平衡條件
(6）如不滿足，則需修改假定的ε0，重復(3）～(5）；
(7）滿足平衡條件后，即可求得對應于φ的內力矩M；
(8）給曲率φ一個增量Δφ，重復(1）～(7），求對應于φ+Δφ的內力矩M，反復循環下去，即可得M-φ關系曲線。
3.4 計算實例
如圖3-a所示一矩形截面，其配筋取為4Φ16，材料則分別取鋼筋和拉擠玻璃鋼筋，圖3-b為該截面鋼筋混凝土和拉擠玻璃鋼筋增強混凝土的M-φ曲線的對照圖。
4 結 論
從定性的分析討論到定量的分析研究使我們看到拉擠玻璃鋼筋完全可以用于增強混凝土，其增強效果是顯著的，但它特有的材料特性使得用它增強后的混凝土構件與傳統的鋼筋混凝上構件有著不同的性能，從截面的M-φ曲線的對照圖可以看出，拉擠玻璃鋼筋增強混凝土不具有普通鋼筋混凝土所具有的塑性鉸的概念。由于拉擠玻璃鋼筋的彈性模量僅為鋼筋的1/6～1/4，因此在相同配筋率下用拉擠玻璃鋼筋增強的混凝土要比鋼筋混凝土的變形大許多，這是其不足之處，但由于拉擠玻璃鋼筋有優于鋼筋的耐腐蝕性能，因此用其增強的混凝土構件混凝土保護層厚度、變形極限值等應有新的規定，所以要推廣應用拉擠玻璃鋼筋增強混凝土結構物必須進行深入的理論和試驗研究，任何簡單化地套用鋼筋混凝土結構設計理論的做法都是不允許的。
由于在特種工程（如受海水、化學品浸蝕的工程海港碼頭、海堤、海防設施、海濱設施、化工廠生產車間、公路橋梁面板等）中鋼筋腐蝕問題非常突出，已嚴重影響到工程壽命，為此人們一直在努力尋找一種強度高、耐腐蝕的產品來代替鋼筋，拉擠玻璃鋼筋應運而生了。進入90年代以來，拉擠玻璃鋼筋的研究和應用成了熱點，美、日、法、英、德等國均進行了大量的研究，拉擠玻璃鋼筋的生產和應用已開始走向工業化和規?；?，而我國在這方面的研究還不多，工業化應用研究還很不系統、不深入。
拉擠玻璃鋼筋除具有優于金屬鋼筋的防腐性能外，還具有不導電、不導磁等優勢，因此它還可用于特殊的軍事設施和特殊的測試室（如核磁共振）的建設。
2 拉擠玻璃鋼筋的性能
2.1 鋼筋混凝土結構對鋼筋性能的要求
(1)強度
鋼筋的應力-應變曲線，有的有明顯的流幅，例如熱軋低碳鋼和普通熱軋低合金鋼所制成的鋼筋；有的則沒有明顯的流幅，例如高碳制成的鋼筋。進行鋼筋混凝土結構設計時鋼筋的強度選用值以鋼筋的屈服強度為主要依據（如無明顯流幅的鋼筋取它的σ0.2應力），常用的Ⅰ級熱軋鋼筋的強度標準值為235MPa。
(2)塑性
鋼筋的屈服強度、極限強度、伸長率和冷彎性能是施工單位驗收鋼筋是否合格的四個主要指標。之所以對鋼筋的塑性性能有較高的要求，是由于結構設計必須具有足夠的可靠性，如果鋼筋混凝土粱在破壞前沒有足夠的變形而不能給人們以預先警告，則極可能造成非常嚴重的后果。
(3)可焊性
這是解決鋼筋的連接問題所要求的性能，在一定的工藝條件下要求鋼筋焊接后不產生裂紋和過大的變形，保證焊接后的性能良好。
(4)能與混凝土協同工作
?、贋榱吮ＷC鋼筋與混凝土共同工作，兩者之間必須有足夠的粘結力，從而保證鋼筋與混凝土成為一個有機的整體。
混凝土拌合物中的水泥漿具有很強的膠結能力，它硬化后能將砂、石膠結起來形成堅固的混凝土實體，而且混凝土在固化過程中產生的收縮力以及鋼筋表面的粗糙不平或人為的彎鉤使混凝土能裹住鋼筋表面，與鋼筋緊緊粘結和咬合。這種粘結力和咬合力統稱“握裹力”。
握裹性能的強弱與混凝土強度、混凝土拌合物的干硬度、鋼筋的錨固長度和表面積大小、混凝上拌合物的搗實程度和養護狀況、鋼筋的分布情況等因素有關。尤其在很大程度上取決于鋼筋的表面狀態。
?、趦煞N材料的熱脹冷縮程度接近
鋼筋的線膨脹系數為12×10-6，混凝土是一種均質性較差的材料，性能波動大，線膨脹系數在10×10-6～15×l0-6之間的范圍內。由于這兩種材料的熱脹冷縮程度接近，所以當溫度變化時產生的內應力不會很大而可以協調地工作。
2.2 增強混凝土所需拉擠玻璃鋼的性能
(1)強度
玻璃鋼是脆性材料，與硬鋼的應力應變曲線的形式較為接近，但仍有不同，與軟鋼相比差異則較大。
以下是實測的一組性能數據：
拉伸強度≥600MPa
壓縮強度380～500MPa
彎曲強度450～600MPa
拉伸模量35～50GPa
密度1.9～2.0g/cm3
吸水率≤0.2%(重量比)
拉伸斷裂伸長0.8%～1.5%
從以上數據可以看出，拉擠玻璃鋼筋的強度值并不比鋼材低，但其彈性模量低，與混凝土結合在一起，其工作性能顯然不同于鋼筋混凝土，但其增強效果仍是明顯的。
(2)塑性
正如以上所述，拉擠玻璃鋼筋是脆性材料，不具備軟鋼所具有的良好塑性，但是不是因此就不能用于增強混凝土了呢?我們只要注意一下其極限應變值(約為0.012～0.017)，便不難知道其變形能力是良好的(混凝土的大可用應變值為0.003～0.004，鋼筋的極限應變約為0.01)，因此在拉擠玻璃鋼筋被拉斷之前會有較大的變形，若將之用于增強混凝土梁，完全可以給人以梁即將破壞的預警。所以我們有理由相信拉擠玻璃鋼筋完全可以用于增強混凝土結構。但設計時如何選用應力許可值則是需要深入探討的問題。
(3)可焊性
拉擠玻璃鋼筋的連接問題不能靠焊接來解決，但完全可以設計專用的接頭。兩根拉擠玻璃鋼筋需要連接時，可以通過接頭用綁扎的辦法將其連接起來。
(4)拉擠玻璃鋼筋能與混凝土協同工作
我們仍可從”握裹力”和熱脹冷縮性能兩個方面來分析。
①由于鋼筋與混凝土之間的握裹力的實質是混凝土中的水泥具有的膠結力、混凝土在硬化過程中產生的收縮力、鋼筋表面粗糙不平而造成的機械咬合和鋼筋端部彎起而形成的咬合力，不難理解拉擠玻璃鋼筋與混凝土之間一定具有同樣好的握裹力。鋼筋有光圓鋼筋和螺紋鋼筋之分，拉擠玻璃鋼筋也有拉擠光圓和螺紋玻璃鋼筋兩種。
②聚酯玻璃鋼在室溫下的平均線膨脹系數為19×10-6，由于拉擠玻璃鋼筋的纖維含量較高，而且主要為單向纖維，因此其線膨脹系數應小于普通聚酯玻璃鋼的線膨脹系數（中堿玻璃纖維的線膨脹系數為7．2×10-6，而聚酯澆鑄體的線膨脹系數為80×10-6～100×10-6)。應當說這是與混凝土的線膨脹系數相近的。
綜上所述拉擠玻璃鋼筋完全可以用于增強混凝土結構，但它特有的材料性能使得我們不能簡單地套用鋼筋混凝土結構的設計理論來設計拉擠玻璃鋼筋增強混凝土結構。下面將給出鋼筋混凝土構件和拉擠玻璃鋼筋混凝土構件的彎矩-曲率關系的一個對照。
3 拉擠玻璃鋼筋混凝土構件的彎矩-曲率關系
3.1 基本假定
在確定截面的軸力-彎矩-曲率（N-M-φ)關系時考慮下列假定：
?、倨浇孛婕俣ǎ航孛娴膽兎植际冀K符合平截面假定；
?、阡摻畹膽?應變關系采用（圖1）
④拉擠玻璃鋼筋的應力-應變關系采用
ε≤ε0 σ=E1.ε
⑤不考慮剪切變形的影響。
3.2 主軸向受力矩形截面的條帶劃分
為了對截面的彎矩-曲率關系進行數值計算，必須把截面劃分成許多條帶，并假定各小條帶上的應力為均勻分布，其值可根據該條帶中心處的應變按材料的應力-應變關系計算。
3.3 彎矩-曲率關系曲線計算
欲求某一軸力下的M-φ關系曲線，其具體步驟如下：
(1）給定一曲率φ；
(2）假定某一規定條帶如受壓邊緣條帶處的應變ε0；
(3）依平截面假定求出各條帶的應變ε；
(4）根據應力應變關系求對應于應變ε的應力σ；
(5）把各條帶的內力總和加起來，檢驗是否滿足截面的平衡條件
(6）如不滿足，則需修改假定的ε0，重復(3）～(5）；
(7）滿足平衡條件后，即可求得對應于φ的內力矩M；
(8）給曲率φ一個增量Δφ，重復(1）～(7），求對應于φ+Δφ的內力矩M，反復循環下去，即可得M-φ關系曲線。
3.4 計算實例
如圖3-a所示一矩形截面，其配筋取為4Φ16，材料則分別取鋼筋和拉擠玻璃鋼筋，圖3-b為該截面鋼筋混凝土和拉擠玻璃鋼筋增強混凝土的M-φ曲線的對照圖。
4 結 論
從定性的分析討論到定量的分析研究使我們看到拉擠玻璃鋼筋完全可以用于增強混凝土，其增強效果是顯著的，但它特有的材料特性使得用它增強后的混凝土構件與傳統的鋼筋混凝上構件有著不同的性能，從截面的M-φ曲線的對照圖可以看出，拉擠玻璃鋼筋增強混凝土不具有普通鋼筋混凝土所具有的塑性鉸的概念。由于拉擠玻璃鋼筋的彈性模量僅為鋼筋的1/6～1/4，因此在相同配筋率下用拉擠玻璃鋼筋增強的混凝土要比鋼筋混凝土的變形大許多，這是其不足之處，但由于拉擠玻璃鋼筋有優于鋼筋的耐腐蝕性能，因此用其增強的混凝土構件混凝土保護層厚度、變形極限值等應有新的規定，所以要推廣應用拉擠玻璃鋼筋增強混凝土結構物必須進行深入的理論和試驗研究，任何簡單化地套用鋼筋混凝土結構設計理論的做法都是不允許的。
