FRP筋混结构的现状与发展

1 引 言
    纤维增强聚合物（FRP）在土木工程中的应用分为两大类，一类是用FRP筋代替钢筋用于新建结构，另一类是将FRP筋用于旧结构物的维修与加固。目前关于FRP筋预应力加固混凝土结构的研究受到各国研究机构及工程界的普遍重视。FRP筋加固桥梁的工程实例日益增多。本文总结了的国内外关于FRP材料的新研究成果，对FRP材料未来的发展做出了展望。
2  新建FRP筋混凝土结构的特性
    目前预应力和地下桩基础结构中钢筋的腐蚀问题严重。人们发现使用耐腐蚀的FRP材料取代钢筋是解决这一问题的根本性方法，特别是FRP材料的高抗拉强度及耐腐蚀性等特点使它成为预应力结构的理想材料。FRP材料已在许多工程中被采用，但它与混凝土的粘结性能相对钢筋稍差，且FRP材料是脆性材料，导致FRP混凝土结构的安全性能降低，因此利用FRP筋取代钢筋根本的总是在于解决FRP与混凝土的粘结性能和FRP混凝土结构的延性和耐久性问题。
2．1 FRP筋与混凝土的粘结性能
2．1．1 粘结方式的影响
   由于FRP的破坏呈脆性，FRP混凝土结构的弯曲变形能力的研究显得尤为重要。英国的Janet.M.Lees等人研究了芳纶筋与混凝土全粘结、未粘结和部分粘了结3种粘结方式对芳纶筋与混凝土粘结力和芳纶筋混梁弯曲变形能力的影响。在试验中部分粘结分为两种形式：一是间隔粘结，纤维筋在梁纵轴线方向与混凝土间隔粘结；二是吸附粘结，在纤维筋的表面涂一层树脂，由表面涂层控制纤维筋与混凝土的粘结力。
    试验证明，①全粘结芳纶筋混凝土梁的极限承载力很高，极限弯曲变形较小，梁的破坏是由纤维筋被拉断导致；②未粘结芳纶筋混梁的极限承载力较低，破坏时仅有一条裂缝产生，但极限弯曲变形很大，梁的破坏是由于混凝土被压碎；③部分粘结芳纶筋混凝土梁表现出较高的极限承载力和较大的极限弯曲变形，梁的破坏是由于纤维筋被拉断。梁在破坏时裂缝较多，避免了混凝土被压碎，特别是吸附粘结和螺旋缠绕间隔粘结芳纶筋混凝土梁的极限承载力达到了全粘结芳纶筋混凝土梁的极限承载力。这表明部分粘结能优化FRP筋预应力混凝土梁的极限承载力和弯曲变形能力。
    部分粘结纤维筋预应力混凝土梁表现出良好的力学性能和延性，但以上试验的两种部分粘结施工复杂、技术难度高，不宜推广使用，因此寻求简便的部分粘结方式是未来的一个发展方向，同时需要进一步研究部分粘结纤维筋混凝土梁的破坏特性和剪切性能等。
2．1．2 粘结应力的转移
    埃及Zaki.Mahmouid等人对纤维筋的粘结滑移长度进行了研究。他们采用了直杆式CFRP筋、丝式CFRP筋和钢丝作为预应力材料，对52个预应力混凝土梁和棱柱体进行试验。为了增强混凝土试件的抗剪强度，一部分混凝土试件在内部沿轴向每隔80mm设置一个箍筋，也有一部分混凝土试件中的纤维中间部分未粘结。文章研究了它们的粘结应力转移和发展长度。预应力从纤维筋上完全转移到混凝土上所需的粘结长度定义为转移长度或传递长度；而能抵抗纤维筋的极限抗纤维筋的极限抗拉强度时纤维筋需要的埋入深度定义为发展长度；发展长度与转移长度之差为为弯曲粘结长度。文章还提出了预测CFRP筋的转移和发展长度的方程式，这对CFPR预应力混凝土结构的设计有重要的价值。

   试验结果表明，①未剪切加强的直杆式和丝式CFRP筋预应力混凝土试件的转移长度的平均测量值比方程式的计算值分别在10%和17%；②直杆式CFRP筋的弯曲粘吉长度不受剪切加强的影响；③直杆式CFRP筋的弯曲粘结长度在预应力卸载一年后增加了222%，而线式CFRP筋钢丝的弯曲粘结强度不受影响；④预应力卸载时，在梁的两端各放置一个直径为纤维筋直径4倍大的混凝土盖能有效地阻止混凝土的开裂；⑤在预应力加载和卸载时混凝土强度的改变对CFRP筋的转移和弯曲粘结长度有显著的影响。由试验可知，混强度对纤维筋与混凝土的结构性能有很大影响。
      英国剑桥大学的J.M.Lees等人对粘结应力的转移问题进行了研究，研究了预应力混凝土梁（100×100×2800mm）在预应力卸载时纤维筋与混凝土之间粘结特性，纤维筋采用编织和缠绕两种方式的芳纶筋。试验结果证明，粘结力的转移有3种机理，即机械咬合、化学吸附力和摩擦。试验表明，机械咬合和摩擦对纤维筋与混凝土的粘结应力转移影响较大，而化学吸附力的影响较小，且机械咬合的破坏是由于FRP筋的断裂而不是混凝土被压碎。表明FRP筋的侧表面和力学性能对纤维筋与混凝土粘结性能有巨大的影响。文章分析了假设粘结剪应力和滑移分别是常数、直线和非线性分布计算方法的优缺点。当假设是常、直线分布时，计算方法简单，但适用范围窄、不精确，非线性假设更符合实际情况。当假设粘结度剪应力和滑移是非线性分布时，编织AFRP筋的粘结应力转移长度要比钢筋和螺旋缠绕AFRP筋的长，但它转移95%的应力所需的转移长度只占全部转移长度的40%。螺旋缠绕AFRP筋的粘结应力转移长度很短，但在应力转移区端点附近的转移应力增长迅速。本试验表明螺旋缠绕式纤维筋的粘结性能更好。同时，结果呈现很大的分散性，需要设计一个更综、全面的试验方案去进一步研究纤维筋与混凝土应力转移特性。
2．2 FRP筋混凝土结构的延性
    由于纤维筋的高抗强度和应力-应变的线性关系，导致FRP筋混凝土结构的延性差、破坏呈明显脆性。 这是FRP筋混凝土结构的大缺陷。延性问题是FRP筋能否得到广泛应用所需解决的根本性问题之一。
    美国的Win.Somboonsong等人使用一种基于建筑的纤维设计新方法。通过材料的混杂，FRP筋能够具有确定的屈服点、高初始弹性模量和高极限应变等延性优点。同时FRP筋的高强度、耐腐蚀和质轻的优点继续保持。混杂纤维筋的制作过程为①使用循环编织机编织，混合纤维筋含轴丝、配丝、肋丝和编织丝，每种丝由多种纤维混合组成；②涂树脂，提高纤维的湿度和缩短烘干时间；③定型，确保纤维筋横截面的形状；⑤拉伸；⑥切割。试验表明，通过新的设计方法制造的混合纤维筋具有良好的延性。这种延性混合纤维筋的研究对纤维筋的推广应用具有广泛的工程意义。这种设计理念也为进一步改善纤维筋的延性提供了方向。
2.3  FRP筋混凝土结构的耐久性
    常温下耐腐蚀是FRP筋相对钢筋的大的优点之一.美国的Hamid Saadatmanesh等人研究了直径为10mm的AFRP筋在不同温度下的空气、碱性、酸性和盐溶液中的应力松弛，常温空气正气疲劳和常温正气空气、碱性、酸性和盐溶液中的徐变性能。由试验结果可知，应力松弛（0～50a）：①AFRP筋的应力松弛随温度升高而增大，②AFRP筋在空气中的应力松弛要经在溶液中小，在酸溶液中的应力松弛大，③纤维筋的应力松驰随实发的预应力水平的增大而增大；疲劳（荷载循坏300万次）：①应力范围在58～116MPa小应力小于纤维筋极限抗拉强度的50%时，AFRP筋表现出良好的抗疲劳性能，②随应力范围和小应力的增大AFRP筋的抗疲劳性能降低；徐变（在大小为纤维筋短期极限抗拉应力的40%的持续荷载作用下）：AFRP筋的徐变性能在酸性溶液、碱性溶液和空气中依次提高。试验表明AFRP筋在酸性环境下耐久性差，但好于钢筋的耐久性。需要进一步研究纤维筋更长时期和直接与化学溶液接触的应力松弛、疲劳和徐变特性。
     美国的Rajan Sen等人对预先开裂（模拟实际情况）的AFRP筋预应力混凝土梁暴露在干湿（潮汐）和热冷循环条件下达33个月的耐久性进行了研究。试验表明，①AFRP筋与混凝土的粘结在干湿和热冷循环条件下是非常脆弱的；②AFRP筋预应力混凝土梁的极限承载力基本随暴露时间的增长而逐渐减小，减小幅度可达55.3%。；③证明芳纶纤维吸收水分而产生膨胀引起的环向应力导致AFRP筋与混凝土的粘结破坏。由试验可知FRP筋预应力混结构在干湿和温差大的环境条件下的耐久性较差，但这个试验结果只适合该试验条件。同时，由试验还可知FRP材料对环境条件很敏感，因此我们需要进一步研究实际环境条件下FRP筋预应力混凝土的结构的耐久性。
3  FRP筋预应力加固混凝土结构的特性
     对于大部分旧混凝土结构，特别是桥梁、停车场等，由于使用功能的改变、结构要求的提高、原设计中的缺陷和结构在使用过程中的损坏等原因，同时为到了达到经济优化的原则，需要对旧混结构进行修复和加固。一个有效的修复和加固的方法就是对结构物进行外部预应力加固。外部加固具有施工方便和便于对外部筋进行监测的优点。以前外部筋都采用钢筋，因为它具有良好的延性，但由于裸露在外表，容易腐蚀，需要长期的养护，不够经济。近人们常采用FRP筋作为外部筋。尽管它的延性较差，弹性模量较低，但它具有强度高、质量轻和耐腐蚀等优点。在外部预应力加固时外部筋承受的应力较小（远低于纤维筋的极限承载力），且低弹性模具有且于降低预应力损失，因此利用FRP筋对旧结构物进行外部预应力加固是结构加固的发展方向。
3．1 单跨梁的纤维筋的外部预应力加固
      加拿大Raafa El-Hacha等人对纤维筋外部预应力加固的单跨度梁的特性进行了研究，他们对12根矩形截面梁进行了试验。梁的截面尺寸相同但跨度不同，其中9根梁用碳纤维进行外部预应力增强，其余3根为基准梁。纤维索的布置为折线，在梁跨中底部设置一个变向器，纤维索经过变向器后在梁的两端中间截面固定。这种面置使索对梁有一向上的挤压力，有利于抑制梁的弯曲变形和纤维索的预应力损失。主要研究了高跨比和部分预应力比（施加的预应力值与纤维筋的极限抗拉强度之比）对混凝土梁极限承载力的影响。试验结果表明，在外部纤维筋的预应力为0.5～1.5MPa时，碳纤维索外部预应力加固梁的极限承载力相对未加固梁大提高可达701%；在荷载逐渐增大时纤维索应力的增量与高跨比呈正比，与部分预应力比成反比。
通过试验结果提出了估计外部纤维筋的应力增量方程式：

   方程式（3）的计算值与试验值吻良好。所提出的估计外部纤维索应力增量方程忽略了梁在受压过程中轴线变短工一因素，而这一因素对水平直线布置的纤维索的应力增量影响很大，需要对它做进一步的改善。
3．2 连续梁的纤维筋外部预应力加固
3．2．1 弯矩重分布问题
纤维筋是脆性材料，所以人们一直认为使用纤维筋加固的结构不存在弯奥林匹克重分布。巴西A.F.Aruajo等人对这一问题进行了研究。试验表明，芳纶筋外部预应力加固连续梁存在弯矩重分布，这对纤维筋加固结构的设计具有重要意义。试验研究了两类双跨连续梁。一类为边疆单一梁，另一类是由已浇筑好的、跨度为0.5m的T型截面梁块拼接而成的连接部分梁。两类梁的单跨度跨度都为4.5m。在梁的内部沿受拉和受压方向分别配置4根￠6.3的无预应力的粘结钢筋。连续单一梁的钢筋沿全长连续，而连续部分梁的钢筋在中间铰支座处断开。每跨进行两点加载，测试前先加P=7.5kN的载荷，测试中加载过程分为四循环。先，从7.5kN加载到消压荷载（梁的一个截面的上部或底部为零应力），并降到初始值；第二个循环加载到开裂荷载值；第三个循环加载到低于极限荷载的任意一个值；第四个循环直接加载到梁破坏。
用弯矩重分布率μ表达弯矩重分布的程度，表达式为：

式中，Mμ为梁的极限弯矩；Me为梁的弹性弯矩。
试验数据表明，对于连续梁，弯矩重分布率为10%；对于部分梁，弯矩重分布率为18%。
3．2．2 外部纤维筋弹性模量的影响
如果外部纤维筋的弹性模量对纤维筋的应力增量有影响，那当使用纤维筋对结构进行加固时，它就会影响到结构的极限承载力。 这一问题在纤维筋餐具部加固结构的设计中应予以充分重视。新加坡R.A.Tjandra等人对这一问题进行了回固混凝土梁的试验结果，通过回归分析，提出一个考虑外部筋弹性模量的计算混凝土结构处在极限状态时外部筋的应力（fps）的方程式：

试验表明，①随着荷载的增加，外部筋的弹性模量越低，梁在极限状态时筋的应力增量越小，梁的极限承载力越低；②当dps/n(h为梁的截面高度)比值越大，梁在极限状态时，外部筋的应力增量越大；③利用所提出的计算外部FRP筋应力的方程式，给出了分别采用弹性模量为60GPa（芳纶筋）、140 GPa（碳纤维）、200GPa （钢筋）的筋进行外部加固的双跨T型截面连续梁在每跨承受对称两点加载时的加固化（SR）与全预应力指数（xc）的关系曲线，其中：

式中，Pu,s 为加固后梁的极限承载力；Pu,s为未加固梁的极限承载力。

式中，ρp意义同上；ρs为内部钢筋的配筋率；fpy为外部筋的屈服强度；fp为内部钢筋的屈服强度。其中全预应力指数xc=xm+1/3xs下角标m指梁正弯矩区的临界面（塑性铰形成截面），s指梁在中间铰支座处截面。
通过SR与xc的关系曲线，在SR值确定时可计算出外部筋的用量。由此可知，在梁的术限承载力一定时，筋的弹性模量越高，对梁进行外部加固所需筋的数量越少，梁的破坏呈更明显的脆性，所以在设计当中应考虑筋的用量与梁的延性的优化。方程式（5）仅适合对梁进行外部预应力加固的情况，且只考虑了筋的弹性模量的影响，对于无预应力筋或内部粘筋和需要考虑荷载类型与加载方式的情况，需进一步的完善。
3．2．3 外部筋的数量和布置方式的影响
使用纤维筋对连续梁进行体外预应力加固时，纤维筋的布置形式一般为折线型。新加坡 Robert. A.Tjandra等人对纤维筋布置在梁的正弯矩和负弯矩区的形式进行了研究。相对折线形式， 这种布置方式的纤维筋在正弯矩和负弯矩区分别对梁有一个向上和向下的挤压力，能更有效地抑制梁的糨曲变形。他们研究了这种布置方式对碳纤维体外预应力加固混凝土T型截面双跨连续梁性能的影响。每跨对称二点加载，梁有CFRP筋单独布置在正弯矩区、单独布置在负弯矩区和正负弯矩区都布置的三种类型，每个区都是在梁的两个侧面各布置一根CFRP筋。当梁在中间铰支座处截面或大正弯矩处截面出现塑性铰时，认为发生弯曲破坏。梁也达到了极限承载力。试验结果表明，①单独对正弯矩区进行CFRP筋外部加固的梁的极限承载力相对未加固梁提高了64%，单独对负弯矩区进行加固和正负弯矩区都进行加固的梁的极限承载力相对未加固梁分别提高了37%和80%；②根据梁的极限承载力提高量与纤维筋数量的比值可知，对负弯矩区进行加固有效，单根纤维筋加固梁的极限承载力提高18.5%；③与采用同样布置的钢筋进行外部加固梁相比，纤维筋加固梁具有相似的破坏过程，即纤维筋外部加固梁在破坏过程出现了塑性铰，产生了内力重分布，出现良好的延性。从试验结果看出，对梁的正负弯矩区进行外部加固时，梁的极限承载力提高可在80%，而采用折线形的纤维筋布置形式进行外部加固的梁，其极限承载力的提高量在70%以内，表明纤维筋的布置形式对加固效果具有很大的影响，研究更有效合理的纤维筋的布置形式是使用纤维筋进行加固的一个发展方向。
3．2．4 锚  固
锚具有预应力的关键问题。对于采用纤维筋对结构进行外部预应力加固，锚固性能直接影响对梁的加固效果。国内外许多专家学者对这个问题进行了深入的研究。一般折线布置形式的纤维筋锚固在梁的两端。一端固定，另一端是活动铰，在活动端用千斤顶给纤维筋施加预应力。目前锚具形式有：①锚具为楔形钢铰，楔形铰直接张拉和固定纤维筋，这种锚具能有效地张拉纤维筋；②由于纤维筋的表面较脆弱且侧向抗压能力较差，采用楔形钢铰直接锚固纤维筋时容易使纤维筋产生侧向挤压破坏。加拿大Raafat.El-Hacha等人对楔形钢铰进行了改进，他们在楔形钢铰与纤维筋之间加了一个楔形金属铸模，在固定端加一个铸模，而在千斤顶加载端加两个铸模。试验表明它能有效地减少铰对纤维筋的损坏；③锚具采用楔形钢铰时也容易产生应力集中和纤维筋在楔形顶端破坏，美国的Houssam.Toutany对这一缺点进行了改善，利用聚酰胺代替钢制作楔形铰，取到了良好的效果。虽然外部纤维筋的锚固技术已达到了一个相对成熟的阶段，但需要进一步减少铰对纤维筋的损伤和优化铰与纤维筋的接触面性能。
4 结论与展望
4．1 结论
（1）FRP筋的侧表面和力学性能以及粘结方式对纤维筋与混凝土的粘结性能有很大的影响；
（2）混杂纤维筋具有良好的延性；
（3）FRP筋在酸性环境下耐久性差，与混凝土的粘结在干湿和热冷循环条件下非常脆弱；
（4）FRP筋外部预应力加固双跨梁存在弯矩重分布，弯矩重分布率可达10～18%；
（5）外部FRP筋的弹性模量和布置方式对FRP筋预应力加固混凝土结构的极限承载力有较大影响。
4．2  展 望
对于新建FRP混凝土结构，还需要研究FRP筋与混凝土的粘结性能及FRP混凝土结构的耐久性。其中，混凝土强度等对FPR筋与混凝土粘结性能的影响规律、FRP筋在酸性环境下的耐久性、干湿及冻融循环对粘结性的损伤机制及抗老化规律和混杂纤维筋的延性是研究的重点内容。对于FRP筋预应力加固混凝土结构，需要研究外部FRP筋的弹性模量、数量和布置方式对加固效果的影响规律和FRP筋预应力加固混凝土结构的抗疲劳特性，同时进一步完善外部FRP筋的预应力锚固技术。