拉挤玻璃钢筋增强混凝土研究
1 前 言
由于在特种工程（如受海水、化学品浸蚀的工程海港码头、海堤、海防设施、海滨设施、化工厂生产车间、公路桥梁面板等）中钢筋腐蚀问题非常突出，已严重影响到工程寿命，为此人们一直在努力寻找一种强度高、耐腐蚀的产品来代替钢筋，拉挤玻璃钢筋应运而生了。进入90年代以来，拉挤玻璃钢筋的研究和应用成了热点，美、日、法、英、德等国均进行了大量的研究，拉挤玻璃钢筋的生产和应用已开始走向工业化和规模化，而我国在这方面的研究还不多，工业化应用研究还很不系统、不深入。
拉挤玻璃钢筋除具有优于金属钢筋的防腐性能外，还具有不导电、不导磁等优势，因此它还可用于特殊的军事设施和特殊的测试室（如核磁共振）的建设。
2 拉挤玻璃钢筋的性能
2.1 钢筋混凝土结构对钢筋性能的要求
(1)强度
钢筋的应力-应变曲线，有的有明显的流幅，例如热轧低碳钢和普通热轧低合金钢所制成的钢筋；有的则没有明显的流幅，例如高碳制成的钢筋。进行钢筋混凝土结构设计时钢筋的强度选用值以钢筋的屈服强度为主要依据（如无明显流幅的钢筋取它的σ0.2应力），常用的Ⅰ级热轧钢筋的强度标准值为235MPa。
(2)塑性
钢筋的屈服强度、极限强度、伸长率和冷弯性能是施工单位验收钢筋是否合格的四个主要指标。之所以对钢筋的塑性性能有较高的要求，是由于结构设计必须具有足够的可靠性，如果钢筋混凝土粱在破坏前没有足够的变形而不能给人们以预先警告，则极可能造成非常严重的后果。
(3)可焊性
这是解决钢筋的连接问题所要求的性能，在一定的工艺条件下要求钢筋焊接后不产生裂纹和过大的变形，保证焊接后的性能良好。
(4)能与混凝土协同工作
①为了保证钢筋与混凝土共同工作，两者之间必须有足够的粘结力，从而保证钢筋与混凝土成为一个有机的整体。
混凝土拌合物中的水泥浆具有很强的胶结能力，它硬化后能将砂、石胶结起来形成坚固的混凝土实体，而且混凝土在固化过程中产生的收缩力以及钢筋表面的粗糙不平或人为的弯钩使混凝土能裹住钢筋表面，与钢筋紧紧粘结和咬合。这种粘结力和咬合力统称“握裹力”。
握裹性能的强弱与混凝土强度、混凝土拌合物的干硬度、钢筋的锚固长度和表面积大小、混凝上拌合物的捣实程度和养护状况、钢筋的分布情况等因素有关。尤其在很大程度上取决于钢筋的表面状态。
②两种材料的热胀冷缩程度接近
钢筋的线膨胀系数为12×10-6，混凝土是一种均质性较差的材料，性能波动大，线膨胀系数在10×10-6～15×l0-6之间的范围内。由于这两种材料的热胀冷缩程度接近，所以当温度变化时产生的内应力不会很大而可以协调地工作。
2.2 增强混凝土所需拉挤玻璃钢的性能
(1)强度
玻璃钢是脆性材料，与硬钢的应力应变曲线的形式较为接近，但仍有不同，与软钢相比差异则较大。
以下是实测的一组性能数据：
拉伸强度≥600MPa
压缩强度380～500MPa
弯曲强度450～600MPa
拉伸模量35～50GPa
密度1.9～2.0g/cm3
吸水率≤0.2%(重量比)
拉伸断裂伸长0.8%～1.5%
从以上数据可以看出，拉挤玻璃钢筋的强度值并不比钢材低，但其弹性模量低，与混凝土结合在一起，其工作性能显然不同于钢筋混凝土，但其增强效果仍是明显的。
(2)塑性
正如以上所述，拉挤玻璃钢筋是脆性材料，不具备软钢所具有的良好塑性，但是不是因此就不能用于增强混凝土了呢?我们只要注意一下其极限应变值(约为0.012～0.017)，便不难知道其变形能力是良好的(混凝土的大可用应变值为0.003～0.004，钢筋的极限应变约为0.01)，因此在拉挤玻璃钢筋被拉断之前会有较大的变形，若将之用于增强混凝土梁，完全可以给人以梁即将破坏的预警。所以我们有理由相信拉挤玻璃钢筋完全可以用于增强混凝土结构。但设计时如何选用应力许可值则是需要深入探讨的问题。
(3)可焊性
拉挤玻璃钢筋的连接问题不能靠焊接来解决，但完全可以设计专用的接头。两根拉挤玻璃钢筋需要连接时，可以通过接头用绑扎的办法将其连接起来。
(4)拉挤玻璃钢筋能与混凝土协同工作
我们仍可从”握裹力”和热胀冷缩性能两个方面来分析。
①由于钢筋与混凝土之间的握裹力的实质是混凝土中的水泥具有的胶结力、混凝土在硬化过程中产生的收缩力、钢筋表面粗糙不平而造成的机械咬合和钢筋端部弯起而形成的咬合力，不难理解拉挤玻璃钢筋与混凝土之间一定具有同样好的握裹力。钢筋有光圆钢筋和螺纹钢筋之分，拉挤玻璃钢筋也有拉挤光圆和螺纹玻璃钢筋两种。
②聚酯玻璃钢在室温下的平均线膨胀系数为19×10-6，由于拉挤玻璃钢筋的纤维含量较高，而且主要为单向纤维，因此其线膨胀系数应小于普通聚酯玻璃钢的线膨胀系数（中碱玻璃纤维的线膨胀系数为7．2×10-6，而聚酯浇铸体的线膨胀系数为80×10-6～100×10-6)。应当说这是与混凝土的线膨胀系数相近的。
综上所述拉挤玻璃钢筋完全可以用于增强混凝土结构，但它特有的材料性能使得我们不能简单地套用钢筋混凝土结构的设计理论来设计拉挤玻璃钢筋增强混凝土结构。下面将给出钢筋混凝土构件和拉挤玻璃钢筋混凝土构件的弯矩-曲率关系的一个对照。
3 拉挤玻璃钢筋混凝土构件的弯矩-曲率关系
3.1 基本假定
在确定截面的轴力-弯矩-曲率（N-M-φ)关系时考虑下列假定：
①平截面假定：截面的应变分布始终符合平截面假定；
②钢筋的应力-应变关系采用（图1）
④拉挤玻璃钢筋的应力-应变关系采用
ε≤ε0 σ=E1.ε
⑤不考虑剪切变形的影响。
3.2 主轴向受力矩形截面的条带划分
为了对截面的弯矩-曲率关系进行数值计算，必须把截面划分成许多条带，并假定各小条带上的应力为均匀分布，其值可根据该条带中心处的应变按材料的应力-应变关系计算。
3.3 弯矩-曲率关系曲线计算
欲求某一轴力下的M-φ关系曲线，其具体步骤如下：
(1）给定一曲率φ；
(2）假定某一规定条带如受压边缘条带处的应变ε0；
(3）依平截面假定求出各条带的应变ε；
(4）根据应力应变关系求对应于应变ε的应力σ；
(5）把各条带的内力总和加起来，检验是否满足截面的平衡条件
(6）如不满足，则需修改假定的ε0，重复(3）～(5）；
(7）满足平衡条件后，即可求得对应于φ的内力矩M；
(8）给曲率φ一个增量Δφ，重复(1）～(7），求对应于φ+Δφ的内力矩M，反复循环下去，即可得M-φ关系曲线。
3.4 计算实例
如图3-a所示一矩形截面，其配筋取为4Φ16，材料则分别取钢筋和拉挤玻璃钢筋，图3-b为该截面钢筋混凝土和拉挤玻璃钢筋增强混凝土的M-φ曲线的对照图。
4 结 论
从定性的分析讨论到定量的分析研究使我们看到拉挤玻璃钢筋完全可以用于增强混凝土，其增强效果是显著的，但它特有的材料特性使得用它增强后的混凝土构件与传统的钢筋混凝上构件有着不同的性能，从截面的M-φ曲线的对照图可以看出，拉挤玻璃钢筋增强混凝土不具有普通钢筋混凝土所具有的塑性铰的概念。由于拉挤玻璃钢筋的弹性模量仅为钢筋的1/6～1/4，因此在相同配筋率下用拉挤玻璃钢筋增强的混凝土要比钢筋混凝土的变形大许多，这是其不足之处，但由于拉挤玻璃钢筋有优于钢筋的耐腐蚀性能，因此用其增强的混凝土构件混凝土保护层厚度、变形极限值等应有新的规定，所以要推广应用拉挤玻璃钢筋增强混凝土结构物必须进行深入的理论和试验研究，任何简单化地套用钢筋混凝土结构设计理论的做法都是不允许的。
由于在特种工程（如受海水、化学品浸蚀的工程海港码头、海堤、海防设施、海滨设施、化工厂生产车间、公路桥梁面板等）中钢筋腐蚀问题非常突出，已严重影响到工程寿命，为此人们一直在努力寻找一种强度高、耐腐蚀的产品来代替钢筋，拉挤玻璃钢筋应运而生了。进入90年代以来，拉挤玻璃钢筋的研究和应用成了热点，美、日、法、英、德等国均进行了大量的研究，拉挤玻璃钢筋的生产和应用已开始走向工业化和规模化，而我国在这方面的研究还不多，工业化应用研究还很不系统、不深入。
拉挤玻璃钢筋除具有优于金属钢筋的防腐性能外，还具有不导电、不导磁等优势，因此它还可用于特殊的军事设施和特殊的测试室（如核磁共振）的建设。
2 拉挤玻璃钢筋的性能
2.1 钢筋混凝土结构对钢筋性能的要求
(1)强度
钢筋的应力-应变曲线，有的有明显的流幅，例如热轧低碳钢和普通热轧低合金钢所制成的钢筋；有的则没有明显的流幅，例如高碳制成的钢筋。进行钢筋混凝土结构设计时钢筋的强度选用值以钢筋的屈服强度为主要依据（如无明显流幅的钢筋取它的σ0.2应力），常用的Ⅰ级热轧钢筋的强度标准值为235MPa。
(2)塑性
钢筋的屈服强度、极限强度、伸长率和冷弯性能是施工单位验收钢筋是否合格的四个主要指标。之所以对钢筋的塑性性能有较高的要求，是由于结构设计必须具有足够的可靠性，如果钢筋混凝土粱在破坏前没有足够的变形而不能给人们以预先警告，则极可能造成非常严重的后果。
(3)可焊性
这是解决钢筋的连接问题所要求的性能，在一定的工艺条件下要求钢筋焊接后不产生裂纹和过大的变形，保证焊接后的性能良好。
(4)能与混凝土协同工作
①为了保证钢筋与混凝土共同工作，两者之间必须有足够的粘结力，从而保证钢筋与混凝土成为一个有机的整体。
混凝土拌合物中的水泥浆具有很强的胶结能力，它硬化后能将砂、石胶结起来形成坚固的混凝土实体，而且混凝土在固化过程中产生的收缩力以及钢筋表面的粗糙不平或人为的弯钩使混凝土能裹住钢筋表面，与钢筋紧紧粘结和咬合。这种粘结力和咬合力统称“握裹力”。
握裹性能的强弱与混凝土强度、混凝土拌合物的干硬度、钢筋的锚固长度和表面积大小、混凝上拌合物的捣实程度和养护状况、钢筋的分布情况等因素有关。尤其在很大程度上取决于钢筋的表面状态。
②两种材料的热胀冷缩程度接近
钢筋的线膨胀系数为12×10-6，混凝土是一种均质性较差的材料，性能波动大，线膨胀系数在10×10-6～15×l0-6之间的范围内。由于这两种材料的热胀冷缩程度接近，所以当温度变化时产生的内应力不会很大而可以协调地工作。
2.2 增强混凝土所需拉挤玻璃钢的性能
(1)强度
玻璃钢是脆性材料，与硬钢的应力应变曲线的形式较为接近，但仍有不同，与软钢相比差异则较大。
以下是实测的一组性能数据：
拉伸强度≥600MPa
压缩强度380～500MPa
弯曲强度450～600MPa
拉伸模量35～50GPa
密度1.9～2.0g/cm3
吸水率≤0.2%(重量比)
拉伸断裂伸长0.8%～1.5%
从以上数据可以看出，拉挤玻璃钢筋的强度值并不比钢材低，但其弹性模量低，与混凝土结合在一起，其工作性能显然不同于钢筋混凝土，但其增强效果仍是明显的。
(2)塑性
正如以上所述，拉挤玻璃钢筋是脆性材料，不具备软钢所具有的良好塑性，但是不是因此就不能用于增强混凝土了呢?我们只要注意一下其极限应变值(约为0.012～0.017)，便不难知道其变形能力是良好的(混凝土的大可用应变值为0.003～0.004，钢筋的极限应变约为0.01)，因此在拉挤玻璃钢筋被拉断之前会有较大的变形，若将之用于增强混凝土梁，完全可以给人以梁即将破坏的预警。所以我们有理由相信拉挤玻璃钢筋完全可以用于增强混凝土结构。但设计时如何选用应力许可值则是需要深入探讨的问题。
(3)可焊性
拉挤玻璃钢筋的连接问题不能靠焊接来解决，但完全可以设计专用的接头。两根拉挤玻璃钢筋需要连接时，可以通过接头用绑扎的办法将其连接起来。
(4)拉挤玻璃钢筋能与混凝土协同工作
我们仍可从”握裹力”和热胀冷缩性能两个方面来分析。
①由于钢筋与混凝土之间的握裹力的实质是混凝土中的水泥具有的胶结力、混凝土在硬化过程中产生的收缩力、钢筋表面粗糙不平而造成的机械咬合和钢筋端部弯起而形成的咬合力，不难理解拉挤玻璃钢筋与混凝土之间一定具有同样好的握裹力。钢筋有光圆钢筋和螺纹钢筋之分，拉挤玻璃钢筋也有拉挤光圆和螺纹玻璃钢筋两种。
②聚酯玻璃钢在室温下的平均线膨胀系数为19×10-6，由于拉挤玻璃钢筋的纤维含量较高，而且主要为单向纤维，因此其线膨胀系数应小于普通聚酯玻璃钢的线膨胀系数（中碱玻璃纤维的线膨胀系数为7．2×10-6，而聚酯浇铸体的线膨胀系数为80×10-6～100×10-6)。应当说这是与混凝土的线膨胀系数相近的。
综上所述拉挤玻璃钢筋完全可以用于增强混凝土结构，但它特有的材料性能使得我们不能简单地套用钢筋混凝土结构的设计理论来设计拉挤玻璃钢筋增强混凝土结构。下面将给出钢筋混凝土构件和拉挤玻璃钢筋混凝土构件的弯矩-曲率关系的一个对照。
3 拉挤玻璃钢筋混凝土构件的弯矩-曲率关系
3.1 基本假定
在确定截面的轴力-弯矩-曲率（N-M-φ)关系时考虑下列假定：
①平截面假定：截面的应变分布始终符合平截面假定；
②钢筋的应力-应变关系采用（图1）
④拉挤玻璃钢筋的应力-应变关系采用
ε≤ε0 σ=E1.ε
⑤不考虑剪切变形的影响。
3.2 主轴向受力矩形截面的条带划分
为了对截面的弯矩-曲率关系进行数值计算，必须把截面划分成许多条带，并假定各小条带上的应力为均匀分布，其值可根据该条带中心处的应变按材料的应力-应变关系计算。
3.3 弯矩-曲率关系曲线计算
欲求某一轴力下的M-φ关系曲线，其具体步骤如下：
(1）给定一曲率φ；
(2）假定某一规定条带如受压边缘条带处的应变ε0；
(3）依平截面假定求出各条带的应变ε；
(4）根据应力应变关系求对应于应变ε的应力σ；
(5）把各条带的内力总和加起来，检验是否满足截面的平衡条件
(6）如不满足，则需修改假定的ε0，重复(3）～(5）；
(7）满足平衡条件后，即可求得对应于φ的内力矩M；
(8）给曲率φ一个增量Δφ，重复(1）～(7），求对应于φ+Δφ的内力矩M，反复循环下去，即可得M-φ关系曲线。
3.4 计算实例
如图3-a所示一矩形截面，其配筋取为4Φ16，材料则分别取钢筋和拉挤玻璃钢筋，图3-b为该截面钢筋混凝土和拉挤玻璃钢筋增强混凝土的M-φ曲线的对照图。
4 结 论
从定性的分析讨论到定量的分析研究使我们看到拉挤玻璃钢筋完全可以用于增强混凝土，其增强效果是显著的，但它特有的材料特性使得用它增强后的混凝土构件与传统的钢筋混凝上构件有着不同的性能，从截面的M-φ曲线的对照图可以看出，拉挤玻璃钢筋增强混凝土不具有普通钢筋混凝土所具有的塑性铰的概念。由于拉挤玻璃钢筋的弹性模量仅为钢筋的1/6～1/4，因此在相同配筋率下用拉挤玻璃钢筋增强的混凝土要比钢筋混凝土的变形大许多，这是其不足之处，但由于拉挤玻璃钢筋有优于钢筋的耐腐蚀性能，因此用其增强的混凝土构件混凝土保护层厚度、变形极限值等应有新的规定，所以要推广应用拉挤玻璃钢筋增强混凝土结构物必须进行深入的理论和试验研究，任何简单化地套用钢筋混凝土结构设计理论的做法都是不允许的。
