FRP筋混結構的現狀與發展

1 引 言
    纖維增強聚合物（FRP）在土木工程中的應用分為兩大類，一類是用FRP筋代替鋼筋用于新建結構，另一類是將FRP筋用于舊結構物的維修與加固。目前關于FRP筋預應力加固混凝土結構的研究受到各國研究機構及工程界的普遍重視。FRP筋加固橋梁的工程實例日益增多。本文總結了的國內外關于FRP材料的新研究成果，對FRP材料未來的發展做出了展望。
2  新建FRP筋混凝土結構的特性
    目前預應力和地下樁基礎結構中鋼筋的腐蝕問題嚴重。人們發現使用耐腐蝕的FRP材料取代鋼筋是解決這一問題的根本性方法，特別是FRP材料的高抗拉強度及耐腐蝕性等特點使它成為預應力結構的理想材料。FRP材料已在許多工程中被采用，但它與混凝土的粘結性能相對鋼筋稍差，且FRP材料是脆性材料，導致FRP混凝土結構的安全性能降低，因此利用FRP筋取代鋼筋根本的總是在于解決FRP與混凝土的粘結性能和FRP混凝土結構的延性和耐久性問題。
2．1 FRP筋與混凝土的粘結性能
2．1．1 粘結方式的影響
   由于FRP的破壞呈脆性，FRP混凝土結構的彎曲變形能力的研究顯得尤為重要。英國的Janet.M.Lees等人研究了芳綸筋與混凝土全粘結、未粘結和部分粘了結3種粘結方式對芳綸筋與混凝土粘結力和芳綸筋混梁彎曲變形能力的影響。在試驗中部分粘結分為兩種形式：一是間隔粘結，纖維筋在梁縱軸線方向與混凝土間隔粘結；二是吸附粘結，在纖維筋的表面涂一層樹脂，由表面涂層控制纖維筋與混凝土的粘結力。
    試驗證明，①全粘結芳綸筋混凝土梁的極限承載力很高，極限彎曲變形較小，梁的破壞是由纖維筋被拉斷導致；②未粘結芳綸筋混梁的極限承載力較低，破壞時僅有一條裂縫產生，但極限彎曲變形很大，梁的破壞是由于混凝土被壓碎；③部分粘結芳綸筋混凝土梁表現出較高的極限承載力和較大的極限彎曲變形，梁的破壞是由于纖維筋被拉斷。梁在破壞時裂縫較多，避免了混凝土被壓碎，特別是吸附粘結和螺旋纏繞間隔粘結芳綸筋混凝土梁的極限承載力達到了全粘結芳綸筋混凝土梁的極限承載力。這表明部分粘結能優化FRP筋預應力混凝土梁的極限承載力和彎曲變形能力。
    部分粘結纖維筋預應力混凝土梁表現出良好的力學性能和延性，但以上試驗的兩種部分粘結施工復雜、技術難度高，不宜推廣使用，因此尋求簡便的部分粘結方式是未來的一個發展方向，同時需要進一步研究部分粘結纖維筋混凝土梁的破壞特性和剪切性能等。
2．1．2 粘結應力的轉移
    埃及Zaki.Mahmouid等人對纖維筋的粘結滑移長度進行了研究。他們采用了直桿式CFRP筋、絲式CFRP筋和鋼絲作為預應力材料，對52個預應力混凝土梁和棱柱體進行試驗。為了增強混凝土試件的抗剪強度，一部分混凝土試件在內部沿軸向每隔80mm設置一個箍筋，也有一部分混凝土試件中的纖維中間部分未粘結。文章研究了它們的粘結應力轉移和發展長度。預應力從纖維筋上完全轉移到混凝土上所需的粘結長度定義為轉移長度或傳遞長度；而能抵抗纖維筋的極限抗纖維筋的極限抗拉強度時纖維筋需要的埋入深度定義為發展長度；發展長度與轉移長度之差為為彎曲粘結長度。文章還提出了預測CFRP筋的轉移和發展長度的方程式，這對CFPR預應力混凝土結構的設計有重要的價值。

   試驗結果表明，①未剪切加強的直桿式和絲式CFRP筋預應力混凝土試件的轉移長度的平均測量值比方程式的計算值分別在10%和17%；②直桿式CFRP筋的彎曲粘吉長度不受剪切加強的影響；③直桿式CFRP筋的彎曲粘結長度在預應力卸載一年后增加了222%，而線式CFRP筋鋼絲的彎曲粘結強度不受影響；④預應力卸載時，在梁的兩端各放置一個直徑為纖維筋直徑4倍大的混凝土蓋能有效地阻止混凝土的開裂；⑤在預應力加載和卸載時混凝土強度的改變對CFRP筋的轉移和彎曲粘結長度有顯著的影響。由試驗可知，混強度對纖維筋與混凝土的結構性能有很大影響。
      英國劍橋大學的J.M.Lees等人對粘結應力的轉移問題進行了研究，研究了預應力混凝土梁（100×100×2800mm）在預應力卸載時纖維筋與混凝土之間粘結特性，纖維筋采用編織和纏繞兩種方式的芳綸筋。試驗結果證明，粘結力的轉移有3種機理，即機械咬合、化學吸附力和摩擦。試驗表明，機械咬合和摩擦對纖維筋與混凝土的粘結應力轉移影響較大，而化學吸附力的影響較小，且機械咬合的破壞是由于FRP筋的斷裂而不是混凝土被壓碎。表明FRP筋的側表面和力學性能對纖維筋與混凝土粘結性能有巨大的影響。文章分析了假設粘結剪應力和滑移分別是常數、直線和非線性分布計算方法的優缺點。當假設是常、直線分布時，計算方法簡單，但適用范圍窄、不精確，非線性假設更符合實際情況。當假設粘結度剪應力和滑移是非線性分布時，編織AFRP筋的粘結應力轉移長度要比鋼筋和螺旋纏繞AFRP筋的長，但它轉移95%的應力所需的轉移長度只占全部轉移長度的40%。螺旋纏繞AFRP筋的粘結應力轉移長度很短，但在應力轉移區端點附近的轉移應力增長迅速。本試驗表明螺旋纏繞式纖維筋的粘結性能更好。同時，結果呈現很大的分散性，需要設計一個更綜、全面的試驗方案去進一步研究纖維筋與混凝土應力轉移特性。
2．2 FRP筋混凝土結構的延性
    由于纖維筋的高抗強度和應力-應變的線性關系，導致FRP筋混凝土結構的延性差、破壞呈明顯脆性。 這是FRP筋混凝土結構的大缺陷。延性問題是FRP筋能否得到廣泛應用所需解決的根本性問題之一。
    美國的Win.Somboonsong等人使用一種基于建筑的纖維設計新方法。通過材料的混雜，FRP筋能夠具有確定的屈服點、高初始彈性模量和高極限應變等延性優點。同時FRP筋的高強度、耐腐蝕和質輕的優點繼續保持。混雜纖維筋的制作過程為①使用循環編織機編織，混合纖維筋含軸絲、配絲、肋絲和編織絲，每種絲由多種纖維混合組成；②涂樹脂，提高纖維的濕度和縮短烘干時間；③定型，確保纖維筋橫截面的形狀；⑤拉伸；⑥切割。試驗表明，通過新的設計方法制造的混合纖維筋具有良好的延性。這種延性混合纖維筋的研究對纖維筋的推廣應用具有廣泛的工程意義。這種設計理念也為進一步改善纖維筋的延性提供了方向。
2.3  FRP筋混凝土結構的耐久性
    常溫下耐腐蝕是FRP筋相對鋼筋的大的優點之一.美國的Hamid Saadatmanesh等人研究了直徑為10mm的AFRP筋在不同溫度下的空氣、堿性、酸性和鹽溶液中的應力松弛，常溫空氣正氣疲勞和常溫正氣空氣、堿性、酸性和鹽溶液中的徐變性能。由試驗結果可知，應力松弛（0～50a）：①AFRP筋的應力松弛隨溫度升高而增大，②AFRP筋在空氣中的應力松弛要經在溶液中小，在酸溶液中的應力松弛大，③纖維筋的應力松馳隨實發的預應力水平的增大而增大；疲勞（荷載循壞300萬次）：①應力范圍在58～116MPa小應力小于纖維筋極限抗拉強度的50%時，AFRP筋表現出良好的抗疲勞性能，②隨應力范圍和小應力的增大AFRP筋的抗疲勞性能降低；徐變（在大小為纖維筋短期極限抗拉應力的40%的持續荷載作用下）：AFRP筋的徐變性能在酸性溶液、堿性溶液和空氣中依次提高。試驗表明AFRP筋在酸性環境下耐久性差，但好于鋼筋的耐久性。需要進一步研究纖維筋更長時期和直接與化學溶液接觸的應力松弛、疲勞和徐變特性。
     美國的Rajan Sen等人對預先開裂（模擬實際情況）的AFRP筋預應力混凝土梁暴露在干濕（潮汐）和熱冷循環條件下達33個月的耐久性進行了研究。試驗表明，①AFRP筋與混凝土的粘結在干濕和熱冷循環條件下是非常脆弱的；②AFRP筋預應力混凝土梁的極限承載力基本隨暴露時間的增長而逐漸減小，減小幅度可達55.3%。；③證明芳綸纖維吸收水分而產生膨脹引起的環向應力導致AFRP筋與混凝土的粘結破壞。由試驗可知FRP筋預應力混結構在干濕和溫差大的環境條件下的耐久性較差，但這個試驗結果只適合該試驗條件。同時，由試驗還可知FRP材料對環境條件很敏感，因此我們需要進一步研究實際環境條件下FRP筋預應力混凝土的結構的耐久性。
3  FRP筋預應力加固混凝土結構的特性
     對于大部分舊混凝土結構，特別是橋梁、停車場等，由于使用功能的改變、結構要求的提高、原設計中的缺陷和結構在使用過程中的損壞等原因，同時為到了達到經濟優化的原則，需要對舊混結構進行修復和加固。一個有效的修復和加固的方法就是對結構物進行外部預應力加固。外部加固具有施工方便和便于對外部筋進行監測的優點。以前外部筋都采用鋼筋，因為它具有良好的延性，但由于裸露在外表，容易腐蝕，需要長期的養護，不夠經濟。近人們常采用FRP筋作為外部筋。盡管它的延性較差，彈性模量較低，但它具有強度高、質量輕和耐腐蝕等優點。在外部預應力加固時外部筋承受的應力較小（遠低于纖維筋的極限承載力），且低彈性模具有且于降低預應力損失，因此利用FRP筋對舊結構物進行外部預應力加固是結構加固的發展方向。
3．1 單跨梁的纖維筋的外部預應力加固
      加拿大Raafa El-Hacha等人對纖維筋外部預應力加固的單跨度梁的特性進行了研究，他們對12根矩形截面梁進行了試驗。梁的截面尺寸相同但跨度不同，其中9根梁用碳纖維進行外部預應力增強，其余3根為基準梁。纖維索的布置為折線，在梁跨中底部設置一個變向器，纖維索經過變向器后在梁的兩端中間截面固定。這種面置使索對梁有一向上的擠壓力，有利于抑制梁的彎曲變形和纖維索的預應力損失。主要研究了高跨比和部分預應力比（施加的預應力值與纖維筋的極限抗拉強度之比）對混凝土梁極限承載力的影響。試驗結果表明，在外部纖維筋的預應力為0.5～1.5MPa時，碳纖維索外部預應力加固梁的極限承載力相對未加固梁大提高可達701%；在荷載逐漸增大時纖維索應力的增量與高跨比呈正比，與部分預應力比成反比。
通過試驗結果提出了估計外部纖維筋的應力增量方程式：

   方程式（3）的計算值與試驗值吻良好。所提出的估計外部纖維索應力增量方程忽略了梁在受壓過程中軸線變短工一因素，而這一因素對水平直線布置的纖維索的應力增量影響很大，需要對它做進一步的改善。
3．2 連續梁的纖維筋外部預應力加固
3．2．1 彎矩重分布問題
纖維筋是脆性材料，所以人們一直認為使用纖維筋加固的結構不存在彎奧林匹克重分布。巴西A.F.Aruajo等人對這一問題進行了研究。試驗表明，芳綸筋外部預應力加固連續梁存在彎矩重分布，這對纖維筋加固結構的設計具有重要意義。試驗研究了兩類雙跨連續梁。一類為邊疆單一梁，另一類是由已澆筑好的、跨度為0.5m的T型截面梁塊拼接而成的連接部分梁。兩類梁的單跨度跨度都為4.5m。在梁的內部沿受拉和受壓方向分別配置4根￠6.3的無預應力的粘結鋼筋。連續單一梁的鋼筋沿全長連續，而連續部分梁的鋼筋在中間鉸支座處斷開。每跨進行兩點加載，測試前先加P=7.5kN的載荷，測試中加載過程分為四循環。先，從7.5kN加載到消壓荷載（梁的一個截面的上部或底部為零應力），并降到初始值；第二個循環加載到開裂荷載值；第三個循環加載到低于極限荷載的任意一個值；第四個循環直接加載到梁破壞。
用彎矩重分布率μ表達彎矩重分布的程度，表達式為：

式中，Mμ為梁的極限彎矩；Me為梁的彈性彎矩。
試驗數據表明，對于連續梁，彎矩重分布率為10%；對于部分梁，彎矩重分布率為18%。
3．2．2 外部纖維筋彈性模量的影響
如果外部纖維筋的彈性模量對纖維筋的應力增量有影響，那當使用纖維筋對結構進行加固時，它就會影響到結構的極限承載力。 這一問題在纖維筋餐具部加固結構的設計中應予以充分重視。新加坡R.A.Tjandra等人對這一問題進行了回固混凝土梁的試驗結果，通過回歸分析，提出一個考慮外部筋彈性模量的計算混凝土結構處在極限狀態時外部筋的應力（fps）的方程式：

試驗表明，①隨著荷載的增加，外部筋的彈性模量越低，梁在極限狀態時筋的應力增量越小，梁的極限承載力越低；②當dps/n(h為梁的截面高度)比值越大，梁在極限狀態時，外部筋的應力增量越大；③利用所提出的計算外部FRP筋應力的方程式，給出了分別采用彈性模量為60GPa（芳綸筋）、140 GPa（碳纖維）、200GPa （鋼筋）的筋進行外部加固的雙跨T型截面連續梁在每跨承受對稱兩點加載時的加固化（SR）與全預應力指數（xc）的關系曲線，其中：

式中，Pu,s 為加固后梁的極限承載力；Pu,s為未加固梁的極限承載力。

式中，ρp意義同上；ρs為內部鋼筋的配筋率；fpy為外部筋的屈服強度；fp為內部鋼筋的屈服強度。其中全預應力指數xc=xm+1/3xs下角標m指梁正彎矩區的臨界面（塑性鉸形成截面），s指梁在中間鉸支座處截面。
通過SR與xc的關系曲線，在SR值確定時可計算出外部筋的用量。由此可知，在梁的術限承載力一定時，筋的彈性模量越高，對梁進行外部加固所需筋的數量越少，梁的破壞呈更明顯的脆性，所以在設計當中應考慮筋的用量與梁的延性的優化。方程式（5）僅適合對梁進行外部預應力加固的情況，且只考慮了筋的彈性模量的影響，對于無預應力筋或內部粘筋和需要考慮荷載類型與加載方式的情況，需進一步的完善。
3．2．3 外部筋的數量和布置方式的影響
使用纖維筋對連續梁進行體外預應力加固時，纖維筋的布置形式一般為折線型。新加坡 Robert. A.Tjandra等人對纖維筋布置在梁的正彎矩和負彎矩區的形式進行了研究。相對折線形式， 這種布置方式的纖維筋在正彎矩和負彎矩區分別對梁有一個向上和向下的擠壓力，能更有效地抑制梁的糨曲變形。他們研究了這種布置方式對碳纖維體外預應力加固混凝土T型截面雙跨連續梁性能的影響。每跨對稱二點加載，梁有CFRP筋單獨布置在正彎矩區、單獨布置在負彎矩區和正負彎矩區都布置的三種類型，每個區都是在梁的兩個側面各布置一根CFRP筋。當梁在中間鉸支座處截面或大正彎矩處截面出現塑性鉸時，認為發生彎曲破壞。梁也達到了極限承載力。試驗結果表明，①單獨對正彎矩區進行CFRP筋外部加固的梁的極限承載力相對未加固梁提高了64%，單獨對負彎矩區進行加固和正負彎矩區都進行加固的梁的極限承載力相對未加固梁分別提高了37%和80%；②根據梁的極限承載力提高量與纖維筋數量的比值可知，對負彎矩區進行加固有效，單根纖維筋加固梁的極限承載力提高18.5%；③與采用同樣布置的鋼筋進行外部加固梁相比，纖維筋加固梁具有相似的破壞過程，即纖維筋外部加固梁在破壞過程出現了塑性鉸，產生了內力重分布，出現良好的延性。從試驗結果看出，對梁的正負彎矩區進行外部加固時，梁的極限承載力提高可在80%，而采用折線形的纖維筋布置形式進行外部加固的梁，其極限承載力的提高量在70%以內，表明纖維筋的布置形式對加固效果具有很大的影響，研究更有效合理的纖維筋的布置形式是使用纖維筋進行加固的一個發展方向。
3．2．4 錨  固
錨具有預應力的關鍵問題。對于采用纖維筋對結構進行外部預應力加固，錨固性能直接影響對梁的加固效果。國內外許多專家學者對這個問題進行了深入的研究。一般折線布置形式的纖維筋錨固在梁的兩端。一端固定，另一端是活動鉸，在活動端用千斤頂給纖維筋施加預應力。目前錨具形式有：①錨具為楔形鋼鉸，楔形鉸直接張拉和固定纖維筋，這種錨具能有效地張拉纖維筋；②由于纖維筋的表面較脆弱且側向抗壓能力較差，采用楔形鋼鉸直接錨固纖維筋時容易使纖維筋產生側向擠壓破壞。加拿大Raafat.El-Hacha等人對楔形鋼鉸進行了改進，他們在楔形鋼鉸與纖維筋之間加了一個楔形金屬鑄模，在固定端加一個鑄模，而在千斤頂加載端加兩個鑄模。試驗表明它能有效地減少鉸對纖維筋的損壞；③錨具采用楔形鋼鉸時也容易產生應力集中和纖維筋在楔形頂端破壞，美國的Houssam.Toutany對這一缺點進行了改善，利用聚酰胺代替鋼制作楔形鉸，取到了良好的效果。雖然外部纖維筋的錨固技術已達到了一個相對成熟的階段，但需要進一步減少鉸對纖維筋的損傷和優化鉸與纖維筋的接觸面性能。
4 結論與展望
4．1 結論
（1）FRP筋的側表面和力學性能以及粘結方式對纖維筋與混凝土的粘結性能有很大的影響；
（2）混雜纖維筋具有良好的延性；
（3）FRP筋在酸性環境下耐久性差，與混凝土的粘結在干濕和熱冷循環條件下非常脆弱；
（4）FRP筋外部預應力加固雙跨梁存在彎矩重分布，彎矩重分布率可達10～18%；
（5）外部FRP筋的彈性模量和布置方式對FRP筋預應力加固混凝土結構的極限承載力有較大影響。
4．2  展 望
對于新建FRP混凝土結構，還需要研究FRP筋與混凝土的粘結性能及FRP混凝土結構的耐久性。其中，混凝土強度等對FPR筋與混凝土粘結性能的影響規律、FRP筋在酸性環境下的耐久性、干濕及凍融循環對粘結性的損傷機制及抗老化規律和混雜纖維筋的延性是研究的重點內容。對于FRP筋預應力加固混凝土結構，需要研究外部FRP筋的彈性模量、數量和布置方式對加固效果的影響規律和FRP筋預應力加固混凝土結構的抗疲勞特性，同時進一步完善外部FRP筋的預應力錨固技術。